供水管网泄漏检测分布式信号采集系统研究--20110513-丁业平

1、重庆大学硕士学位论文供水管网泄漏检测分布式信号采集系统研究硕士研究生：丁业平指导教师：文玉梅 教授学科、专业：仪器科学与技术重庆大学光电工程学院二O一一年四月Master Dissertation of Chongqing UniversityStudy on distribution informationacquisition system for water supply pipeline leakage detectionMaster Candidate: Ding YepingSupervisor: Prof. Wen YumeiMajor: Instrument Science a

2、nd Technology College of Opto-Electronic EngineeringChongqing UniversityApril 2011摘 要供水管网泄漏不仅造成水资源的浪费，而且会加剧淡水资源短缺的局面。为了检测管网泄漏，本文以无线传感网络作为信息获取和传输的平台，结合嵌入式技术、数字信号处理技术和虚拟仪器技术，研发了多探头的供水管网泄漏检测信息采集系统。本文首先介绍了无线传感网络的体系结构，采用单跳传感网络组建多探头的检测网络。按照低节点功耗、低噪声干扰且采集参数动态可调的要求，设计了由上位机和终端节点构成的分布式信息采集的总体结构。上位机采用虚拟仪器技术，负责

3、组建、配置检测网络、发送命令及处理数据。终端节点选择DSP2812作为控制器，采用模块化方式完成对传感器、调理电路、无线通信、信息存储、液晶显示和功耗管理等模块的设计。调理电路中设计了带通滤波器和程控增益放大器，分别用来去除噪声信号和放大信号幅值以接近AD转换的范围，以提高信噪比，减少量化误差。U盘读写模块实现DSP所采数据存储到外部USB中，满足节点的长时间持续采集。液晶实时显示节点的工作状态，提供人机交互的界面。低功耗设计贯穿于系统设计的整个过程，通过对各模块的休眠控制来降低节点功耗，延长网络的工作时间。检测网络的时钟校准决定了各节点信息采集的同步性。在供水管网泄漏检测中，各节点信息采集的

4、时间同步误差将引入漏点的定位误差。时间同步误差来源于节点自身晶振的漂移、消息交换过程的时延及各节点间的频差。在比较分析现有时间同步机制的基础上，提出了定向拨号时间同步算法。在同步过程中，采用定向拨号和线性回归相结合的方法，周期性补偿终端节点间因本地时钟源频差而产生的时钟偏移，实现网络时间校准。经实验验证，节点间命令执行的同步误差在1个采样周期以内；在单跳网络中，每2分钟校正一次，节点间同步误差每秒在10 us以内，累积误差补偿后不超过1 ms，引起的定位误差在1 m以内。滤波电路的通频带为200-2000 Hz，对通频带外的噪声信号具有很好的抑制效果。在上位机的无线模块功率为500 mW时，节

5、点间的有效通信距离约为324 m。上述测试数据表明，本文设计的分布式信息采集系统满足供水管网泄漏检测的要求。关键词：供水管网检测，无线传感网络，信息采集，时间同步ABSTRACTLeakage of water supply pipelines not only causes the waste of water resources, but also exacerbates shortages of water resources. In order to detect pipelines leakage, this dissertation develops a multiprobe in

6、formation acquisition system for the pipelines leakage detection, using wireless sensor network as platform for the information acquisition and transmission, combining embedded technology, digital signal processing technology and virtual instrument technology.This dissertation introduces the archite

7、cture of wireless sensor networks firstly, and uses single-hop sensor network to bulid a multiprobe detection network. According to the requirements that the node should be low power consumption, low noise and dynamic adjustable for acquisition parameters, the dissertation designs the overall struct

8、ure of the distribution information acquisition system, which is constituted by PC and terminal nodes. The PC uses virtual instrument technology and is responsible for establishing, configuring detection networks, sending commands and data processing. While the terminal node takes DSP2812 as the con

9、troller and uses modular approach to achieve the design of the sensor, the circuit, the wireless communication, the information storage, the LCD display and the power management, etc. The signal conditioning circuit designs the band pass filter and the programmable gain amplifier, they are respectiv

10、ely used to remove the noise and amplify the signal amplitude close to the range of AD conversion, achieving the purpose of improving the SNR and reducing the quantization error. The U disk read-write module achieves the data collected by DSP to store in the external USB, meeting nodes continue work

11、ing for a long period of time. The LCD displays the nodes working status in real time, providing a human-computer interaction interface. Low power design is throughout the entire process of system design, by making the modules to sleep, reducing the node power consumption and extending the working h

12、ours of the network.Clock calibration in detection networks guarantees the synchronicity of information acquisition at nodes. The time synchronization error of information acquisition will introduce the leak location error in water supply pipeline leak detections. Time synchronization error comes fr

13、om the node's own oscillator drift, delay of message exchange and the frequency deviation between nodes. Dial-up Time Synchronization Algorithm (DTSA) is proposed based on comparison and analysis the existing time synchronization mechanism. The directional dialing combined with the linear regres

14、sion is used to periodically compensate clock drifts resulting from the frequency differences of local clocks at nodes and the network clocks are thus tuned synchronized.From the experiments, the synchronization error coming from command execution between nodes is within a sampling period. While the

15、 clock compensation is carried out every 2 minutes in a single-hop network, the practically tested synchronization error between nodes is within 10 microseconds per second, and the cumulative error is less than 1 millisecond after compensation, the leak location error resulting from the synchronizat

16、ion error is within 1 m. The passband of filter circuit is 200-2000 Hz, and has a good inhibitory effect on the noise signal outside the passband. While the power of wireless module in the PC is 500 mw, the effective communication distance between nodes is about 324 m. The test data shows that the d

17、istributed data acquisition system designed in this dissertation meets the requirement of water supply pipelines leakage detection.Keywords：water pipelines detection, wireless sensor network, information acquisition, time synchronization.III目 录中文摘要英文摘要1绪论11.1研究的目的和意义11.2 供水管网泄漏的形式与原因21.2.1 管网漏损的存在形式

18、21.2.2 管网泄漏原因分析21.3 国内外研究现状31.3.1 传统管道泄漏检测方法31.3.2 供水管道检漏仪器的发展51.4 论文主要研究内容72 无线传感网络技术92.1 引言92.2 无线传感网络原理体系结构92.2.1 无线传感网络节点的功能及组成102.2.2 无线传感网络的网络协议栈102.2.3 无线传感网络的通信与组网122.2.4 无线传感网络的数据融合132.2.5 无线传感网络的时间同步132.2.6 无线传感网络的节点定位142.3 小结143 供水管网泄漏检测信息采集设计153.1 引言153.2 信息采集系统设计153.2.1 系统构成153.2.2 压电加速

19、度传感器193.2.3 DSP2812处理器203.2.4 信号调理223.2.5 液晶显示253.2.6 无线通信283.2.7 数据存储303.2.8 低功耗323.2.9 电源333.3 小结354 无线传感网络节点同步问题研究364.1 引言364.2 无线传感网络时间同步374.2.1 时钟模型374.2.2 时间同步误差源374.2.3 典型的时间同步算法404.2.4 定向拨号时间同步算法494.2.5 DTSP同步算法在分布式管网检测中的应用504.3 小结535 实验545.1 引言545.2 同步误差测试545.2.1 命令执行的同步误差测试545.2.2 累计同步误差测试

20、555.3 系统性能测试分析565.3.1 系统功耗测试565.3.2 调理电路的滤波效果测试575.3.3 系统检测范围测试586 结论与展望596.1 研究工作总结596.2 后续研究工作展望60致谢61参考文献62附录67作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录6781 绪论1.1研究的目的和意义水是生命之源，是人类赖以生存和发展不可替代的重要资源。据联合国统计，全球有43个国家近8.43亿人口常常面临“用水压力”或水资源短缺。我国是世界上 13 个贫水国家之一，人均水资源占有量为2200立方米，仅相当于世界平均水平的四分之一。按目前我国的正常用水需求，正常年份全国缺水量将近400亿立方米。

21、在全国655座城市中，有400多个城市供水不足，130座城市严重缺水，全国城市每年缺水70亿立方米，给城市工业产值造成的损失高达2000亿元左右1。随着中国人口的增长、经济的发展、城市化进程的加快，以及水体的污染、水资源过度开发、水资源浪费严重和供水管网的漏损等问题，都进一步加剧了水资源的紧张状况。水资源短缺问题，将成为中国经济和社会可持续发展的重要制约因素。供水管道作为供水系统的组成部分，被誉为城镇的大动脉。根据中国城镇供水协会一届四次理事会的工作报告，到2009年底全国城市日供水量达2.7亿立方米、年供水总量达497亿立方米，供水管道总长度达51万公里、用水人口3.6亿，用水普及率高达96

22、 %。随着城市化进程的加快，城市供水对城市的发展必将发挥着愈来愈重要的作用。但城市供水管网由于受到各种外界环境因素的影响，会不可避免地造成一定程度的损坏，导致部分供水管道发生泄漏。根据2008年城市供水统计年鉴，我国655个城市的供水平均漏失率为17.6 %，单位管长平均漏失量为2.02 m3/km/h，全年的水资源漏失总量达59.55亿立方米，相当于16座日供水量为100万m3/d的自来水厂全年的供水总量。可见，我国城市供水管道的漏失率远高于漏失率仅为7%的欧美国家，而且也高于国家制定的供水管网漏失率不应大于12 %的目标。供水管网的泄漏增加了供水成本，影响供水企业的经济效益，加剧了我国水资

23、源短缺的局面；同时管道的泄漏还会引发次生灾害，如： 管道长期泄漏，会冲刷道路和建筑物基础，引发道路塌陷和建筑物跨塌； 管网因泄漏造成水压下降，导致漏点周围的污物和细菌有可能通过漏点进入管道污染水质。解决供水管网泄漏问题已经刻不容缓。供水管网与其它流体输送管道在管道构成、空间分布及所处环境等方面都存在着较大的差异，如供水管网是一个由干管、支管及用户接入管组成的复杂管网系统；供水管网多分支、多节点的特点造成不同管段的供水负荷不同；供水管网的铺设通常要经过居民区、道路、工厂等场所，这就不可避免地要受到沿途各种噪声的干扰。供水管网的这些特点使得广泛应用于各种油气输送管线泄漏检测的方法在供水管网的泄漏检

24、测中难以应用。因此，针对供水管网分布复杂、管型多样的特点，结合无线传感网络技术、信号处理技术、DSP嵌入式技术和labview编程技术，研发具有自主知识产权的、适合我国供水管网实际的泄漏检测技术和仪器，具有重要的学术意义和经济价值。1.2 供水管网泄漏的形式与原因1.2.1 管网漏损的存在形式供水管网的泄漏分为明漏、暗漏两种情况2。明漏的漏点容易发现如爆管现象，漏失的水量取决于报漏的及时率和漏点的水压。暗漏的漏点通常发生在埋地的管道，具有一定的隐蔽性。1.2.2 管网泄漏原因分析管道漏失的原因复杂，通常是几种因素交叉并存，互为因果，主要表现在以下几个方面3,4。 管材原因据统计，我国80 %以

25、上的管道是灰口铸铁管，在管网的泄漏中铸铁管漏失的比例高达59 %。这是由于铸铁的强度本身不高，经过连续浇铸工艺生产的铸铁管的强度就更低。当管道受外荷载及水流动荷载的作用时，会因管道局部承载力下降形成裂缝或爆管。球墨管具有强度大、延伸性好、抗腐蚀等优点，因此球墨铸铁管发现爆管的现象较少，近年来在铺设管道时已被大量采用，但球墨铸铁管占我国供水管网的使用比例还比较低。 接口原因众多管道接口是整个管网较容易发生泄漏的位置，管道接口处往往是应力的集中点，当管段发生变形时，应力会沿着管道传到接口处造成接口松动，甚至破裂；另外在安装接口的过程中，由于填充物填塞得不均匀、填料不实、填料超出，当气温变化时会引起

26、接口反复胀缩，造成接口渗漏。 管道设计和施工的原因在实际检测中发现，70 %以上的管道漏点发生在埋深小于70 cm的管道上。管道埋深不够会导致管道长期受外力作用而引发破损；管道无垫层或垫层厚度不够，造成不均匀沉降导致管道破裂形成渗漏。在管道铺设时，如果给水管与排水管并行铺设且间距过小、没有避开暗沟等不合的设计，会造成管网发现渗漏现象时难被发现；工程施工时若基础处理不当，如回填土密实度不够、没对支墩加固等原因会导致管道两侧受土的压力不均，引发接口处、腐蚀点等薄弱位置破裂而漏水。 管道老化与腐蚀原因。我国的大部分城市供水管网管龄在10年以上，甚至有些老城区的供水管网的管龄在50年以上，老化现象严重

27、。长期超限运行，年久失修，当管道的外部环境变化（如温度、地基沉降、地面负载等）时很容易造成管网泄漏甚至爆管。另外，供水管道多数采用的金属管材，供水管道不可避免的要与水、土壤介质接触发生化学和电化学作用，造成供水管网的生锈、坑蚀、结瘤或脆化，进而导致管道破损泄漏。管道腐蚀不仅造成供水管道寿命缩短，同时会造成水质污染。 水锤事故当阀门或水泵突然开闭时，由于水的惯性大，撞在管壁、弯头、阀门上产生水击现象，造成管道中的局部压力突然变大，超过正常水压的几倍甚至几十倍，很容易造成管道破裂。 气温变化在温度变化时，管道的温变应力可能导致运行时间较长或者管径较小的管道产生裂纹甚至断裂；在气温低于零度时，土壤中

28、空隙水的冻结会造成土壤的非均匀膨胀，从而使地下管道上的负荷增加，导致供水管道破损。1.3 国内外研究现状1.3.1 传统管道泄漏检测方法 大地湿度检漏法：供水管网在漏水时会使周围地面的导电性有所增加，利用仪器测试地面的导电性，导电性高的区域为管网漏点可疑区域5。 红外线照相检测法：自然界的一切物体都辐射红外线，管道泄漏会引起管道上方的地表温度与周围环境温度不同。利用红外成像技术检测管道周围的温度并绘制红外热谱图，通过分析红外谱图的变化可以确定管道的泄漏范围6。但在环境温差较小或管道埋设较深时，利用红外法检测管道泄漏的检测效果会受到影响。 示踪气体检测法：示踪气体检测法适用于供水管网周围环境干扰

29、噪声大或埋设较深的区域，利用氢气质量最轻、粘滞性最小、渗透性最强和沿地表横向扩散范围小的特点，通过在供水管道中注入少量的氢气，根据氢气冒出地面的位置可以准确定位漏点5。但无法证实氢气对人体无害，示踪气体检测法并没有广泛使用。 音听检漏法：分为阀栓听音法和地面听音法两种7，阀栓听音法用于查找漏水的线路和大致范围，常用来预定位漏点；地面听音法用于确定漏点的位置，根据预定位的漏点范围进行漏点的精确定位。阀栓听音法是将听漏棒或电子放大听漏仪直接放在管道暴露点（如消火检、阀门及暴露的管道等）上听测由漏水点产生的声音，确定管道是否漏水，从而缩小漏点的检测范围。地面听音法是在确定管道的漏点区间后，将电子放大

30、听漏仪贴在管道的地面上方听测沿着管道传播的漏水声，以确定漏水位置。 压力梯度检测法：在主干管道上、下游两端各部署两个压力传感器检测管道的压力信号，通过两端的压力信号可以计算出上、下游管道的压力梯度。当管道没有发生泄漏时，沿管线的压力梯度呈斜直线趋势的变化；当管道发生泄漏时，沿管道的压力梯度呈折线变化，折线的拐点为泄漏点，根据压力梯度的变化曲线确定漏点的位置8。压力梯度检测法主要用于长输主干管道的检测，而对于复杂的管网环境会因压力梯度的非线性分布导致定位精度往往比较低且受测量仪器和安装位置的影响。 负压波检测法：当管道发生泄漏时，泄漏点处的管压会突然下降，形成一个负压波，该负压波以一定的速度由泄

31、漏点向管道两端传播，借助安装在管道两端的压力传感器检测负压波到达检测点的时刻，根据负压波沿着管道传播到两个压力传感器的时间差值及负压波在管道中的传播速度进行漏点定位9,10。负压波检测法的漏点定位精度取决于能否准确的测量负压波的传播速度及时间差，且在管道漏点比较小、支管众多的复杂管网等情况下难以应用。 神经网络检漏法：北京大学唐秀家等人将BP神经网络用于供水管道泄漏检测中，是利用其强大的自适应学习能力，记忆能力、非线性的映射能力以及信息处理和模式识别能力。将管道泄漏产生的应力波信号和无泄漏时的管道信号作为学习样本对BP神经网络进行学习训练，经过一段时间的训练后，建立关于应力波时域、频域特性与管

32、道运行状况间的非线性映射网络。当输入与学习样本类似的信号时，BP神经网络就能够自动辨识输入的信号是否为泄漏信号，进而判断管网的运行状态1113。神经网络检漏法具备易于硬件实现、结构简单的优点，但存在算法收敛速度慢、难以辨识混有固定噪声的泄漏信号等不足。 SCADA系统模型法SCADA系统检测法是将管道泄漏检测与远程数据采集、传输相结合的在线检测方法，通过部署在管道上的节点采集管道上的信息（如压力，流速、振动等信号），将数据传输到远程控制中心，结合相应的检漏方法（如压力梯度法、负压波法、流量统计法、相关分析法等）进行管道的泄漏检测与定位14,15。由于检测系统存在成本较高的问题，SCADA检漏法

33、主要应用在油气管道的检测中，在供水管道的泄漏检测中的应用还很少。 相关检漏法：是当前最有效的一种管道泄漏检测和定位方法。在供水管道漏水时，泄漏点会撞击管道产生声波振动信号，振动信号会沿着漏点向管道两端传播。将传感器放在供水管道或水栓连接的不同位置以拾取振动信号，采用相关法提取由漏点产生的振动声波信号传播到两个传感器的时间差，若已知两个传感器间距离和声波沿管道的传播速度，根据公式1.1可计算漏点与其中一个传感器间的距离，实现对管道的泄漏检测和漏点定位16-18。 (1.1) 盲系统辨识法 在借助管道泄漏产生的声振动信号进行泄漏检测和漏点定位时，通常需要采用相应的时延估计算法提取泄漏信号在两个传感

34、节点间传播时的时延信息，并结合管道长度和泄漏声波沿管道的传播速度才能完成漏点的定位。在实际的管道检测中，由于管网规划不合理、管道改造等原因造成无法准确得获得管线长度；泄漏信号沿着管道的传播速度会因管道条件的变化而不同，需相应的方法计算传播速度。重庆大学杨进等人采用盲系统辨识法估计管道泄漏信号的传播信道响应函数，可以提取泄漏信号在传播过程中的时延信息，从而在不依赖管道长度或泄漏信号传播速度的情况下完成对漏点的定位19,20。1.3.2 供水管道检漏仪器的发展 电子听漏仪：是一种利用漏水噪音原理进行工作的仪器，通过将听漏仪贴在地面听音的方法判断漏点位置。电子听漏仪一般由主机、探头、耳机三部分组成。

35、主机是低噪音、高放大倍数的放大器，滤除泄漏声中的干扰声音，并对泄漏声音实现放大；探头的作用是用来拾取管道泄漏产生的声音21。目前的电子听漏仪多采用数字显示方式，探头的形式多种多样，如为防止环境噪音干扰给探头装上隔音罩；在探头上安装金属棒可以改装成电子听音棒；探头上安装磁铁以便能吸附在管道上等。目前市场上较成熟的听漏仪有德国赛霸的HL5000专业型数字听漏仪和英国雷迪的Gmic电子听漏仪如图1.1所示。电子听漏仪是在地面捕捉漏水声音时，易受声音传播媒质（土壤和路面）以及各种强烈干扰噪音的影响，使电子听漏仪无法有效地工作。 图1.1 电子听音仪Fig. 1.1 Electronic leak de

36、tecting device 漏水声自动记录仪：以德国sebalog N泄漏噪声自动记录仪为例如图1.2所示，将噪声记录仪永久或临时安装在管道上的消火栓、阀门等可接触点，采集记录漏水噪声的强度和频率并存入记录仪中，通过无线方式将采集的数据传到主控机上，并用专用软件进行数据处理，从而确定检测区域内的管道是否存在泄漏22。图1.2 管网泄漏巡视仪Fig. 1.2 Pipelines leak patrol device 漏水检测相关仪：检漏相关仪根据检测探头的数量分为便携式23,24和多探头式25两种，便携式相关仪以英国雷迪公司研制的MC7数字漏水噪声相关仪如图1.3所示和重庆大学文玉梅等人自主研

37、发的便携式管道泄漏检测仪如图1.4所示为代表。以重庆大学开发的便携式管道泄漏检测仪为例，该检测仪由上位机和2个检测探头组成。将带有磁铁底座的压电加速度吸附在管道的管壁或阀门栓上，拾取沿管道传播的振动声波信号，并输入到以C8051F020单片机为主控单元的检测节点中完成对振动信号的采集与存储。上位机采用自适应滤波算法对所采集的数据进行处理，提取振动信号在两个压电加速度传感器间传播时的时延信息，实现对管道的检测与漏点定位2628。便携式泄漏检测仪能够在复杂噪声环境下实现对管道的泄漏检测，单次检测的管道长度可达350米，定位精度在1米以内。以埃德尔公司研发的多探头相关仪为代表如图1.5所示，多探头相

38、关仪的探头最多可配置192个，通过探头采集检测区域内管道上的振动信号，并将所采数据存储到计算机中。通过对任意两个探头所采集的数据进行相关分析，就可以确定这两个探头所在管道的漏水位置。另外，相关仪还可以用来普查供水管网区域的泄漏情况，实现漏点的预定位。适用于环境干扰噪声大、管道埋设深以及无法使用听音仪的管网区域。图1.3 MC6相关检漏仪Fig. 1.3 MC6 correlator of leak detection图1.4 便携式泄漏检测仪Fig. 1.4 The portable leak detection图1.5 多探头相关检漏仪Fig. 1.5 The multiprobe corr

39、elator of leak detection1.4 论文主要研究内容随着我国经济的发展和城镇化建设的推进，对水资源的需求越来越大，进一步加剧了我国淡水资源短缺的状况；对于大力提倡节能减排的今天，减少水资源的浪费具有重要的社会意义和经济价值。目前，我国城镇供水管网以17.6 %的漏失率远高于国外发达国家，导致我国每年因管网泄漏而损失了大量的水资源。目前国内供水管网的泄漏检测大多数仍在使用传统的检漏设备，管网检漏依赖于工作人员的经验，因此检漏效率不高。从国外引进的先进的供水管网检漏仪器不仅价格高昂，而且其仪器研制参数是来源于国外的管道，常常发生定位误差较大或者漏点误判的现象，先进的仪器设备并没

40、达到应有的效果。结合我国供水管网管型众多、分布复杂的实际特点，研发适用我国供水管网的检漏设备显得非常必要。本文将设计多探头、低功耗、低噪声、参数可调及具备无线通信功能的管道泄漏信号采集系统。论文的主要研究内容从以下几个方面展开： 介绍无线传感网络的功能体系结构，结合供水管网实际应用条件设计抗干扰性好、节点功耗低的无线传感网络。 根据供水管网泄漏信号的实际特征，选择传感器及信号调理方案；按照低功耗、高处理速度及可靠性等要求，选择终端节点的控制器和外围功能模块；完成分布式信息采集系统的硬件与软件设计流程。 分析无线传感网络的时间同步误差来源，比较现有的无线传感网络时间同步机制，制定分布式采集系统节

41、点间的时间同步方案。 测试分布式信息采集系统的基本性能参数；在单跳传感网络中，通过测试节点间的同步误差，验证时间同步算法在供水管网检测中的有效性。2 无线传感网络技术2.1 引言无线传感网络（wireless sensor network，WSN）是由部署在检测区域内的众多传感节点组成，以无线方式完成节点间的通信，具备感知检测区域内目标对象的信息，信息的存储、传输和节点间通信等功能29。传感器节点、目标检测对象和用户构成了无线传感网络的三个基本要素，与传统的传感网络相比，无线传感网络在节点控制和数据处理上更强调分布式，单个节点的失效不会影响整个网络的性能。无线传感网络在军事侦察、环境监测、医疗

42、健康护理、家居智能化、建筑结构安全监控、机械车间监控等领域，具有广泛的实际应用价值。2.2 无线传感网络原理体系结构无线传感网络系统由传感节点、汇聚节点和用户管理节点构成30，无线传感网络的体系结构如图2.1所示。部署在检测区域内的传感节点，通过自组方式形成通信网络，将所感知的检测区域内目标对象的信息，沿着其他传感节点逐级传递汇聚节点，最后经汇聚节点传递到用户管理节点。管理节点负责控制网络的运行，包括配置网络、发送节点检测任务及处理由传感节点采集的信息。图2.1 无线传感网络的体系结构Fig. 2.1 The architecture of wireless sensor network传感节

43、点是一个面向应用的微型嵌入式操作系统，负责信息采集、处理、存储和传输等任务；以及与网络内其他节点通信以协作完成特定任务，如时间同步、节点休眠及信息传递等。汇聚节点是连接无线传感网络与外部网络的桥梁，在信息的处理、存储和无线通信等功能上相对较强，实现通信协议的转换，作为信息传递的中继站，负责将用户管理节点发出的任务转发给传感网络，以及将传感节点发来的信息通过外部网络转发给管理节点。汇聚节点既可以是一个增强型的传感节点，具有较强的处理能力、较大的存储空间及充足的电量；同时也可以是只具有无线收发功能的网关设备。2.2.1 无线传感网络节点的功能及组成传感节点由传感器、微处理器、无线通信模块和电源模块

44、四部分组成30，结构如图2.2所示。传感器负责采集检测区域内目标对象的信息；微处理器负责控制整个传感节点的操作，响应汇聚节点转发来的检测任务，进行信息的采集、存储和传输。无线通信模块负责节点间的通信，包括接收、发送检测任务和所采集的数据；通常选择可充电的锂电池作为电源模块，负责为整个传感节点供电。图2.2 传感节点的结构Fig. 2.2 Structure of the sensor node2.2.2 无线传感网络的网络协议栈无线通信是无线传感网络区别于传统传感网络的重要特征，但由于无线传感节点的通信能力及通信距离有限，要实现远距离的通信常常需要借助网络内其他节点的中继来完成。一个合理的网络

45、协议是保证节点间稳定通信的基础，和互联网采用的TCP/IP五层网络协议类似，无线传感网络的网络协议也采用分层的体系结构31，如图 2.3(a)所示为无线传感网络的五层协议栈，分别为物理层、数据链路层、网络层、传输层及应用层；另外还包括能量管理、移动管理和任务管理三个平台，协议栈的功能如下。图2.3 无线传感网络协议栈29Fig. 2.3 Protocol stack of wireless sensor network 物理层负责提供简单可靠的信号调制及无线通信技术。 数据链路层负责将待发送数据封装成数据帧并进行数据帧检测、介质访问控制和差错控制。 网络层负责提供路由或网关，控制通信子网的信息

46、量，避免网络拥塞。 传输层控制数据的传输，包括数据的差错控制和流量控制。 应用层提供用户与网络间的接口，通过应用层软件满足用户的需求。 能量管理平台是对传感节点功耗进行管理，在满足应用功能的前提下，降低节点能耗。 在网络传感节点移动时，通过移动管理平台来维护通信链路的路由结构，保证传感节点的信息能传递到汇聚节点。 任务管理平台协调用户管理节点发出的检测任务。随着无线传感网络技术的发展，网络协议栈在原始协议栈的基础上进行了细化和改进，如图2.3 (b)所示。定位和时间同步子层贯穿于数据链路层、路由层和传输控制层，它们既要依靠信息的传输进行节点定位和时间同步，同时也为无线传感网络各协议层提供信息支

47、持。另外，细化后的协议栈将拓扑控制、QoS管理及网络管理独立于网络协议外层，拓扑控制和QoS管理可以优化和管理协议的工作流程，同时也可以利用生成的网络拓扑结构为它们自己提供信息支持，提高协议执行效率，节约网络的能量开销；网络管理通过嵌入在各协议层的信息端口定时收集协议的运行状态，并根据网络协议的运行情况来控制检测网络。2.2.3 无线传感网络的通信与组网无线传感网络节点间的通信涉及路由控制、媒介访问控制和网络拓扑控制等技术，路由协议决定了信息在发送节点与接收节点间的传递路径；媒介访问控制决定无线信道的使用方式和分配无线通信资源；合理的网络拓扑结构可以提高路由协议和媒介访问控制的效率，为网络时间

48、同步和节点定位等提供基础，降低网络功耗。无线传感网络的路由协议主要负责寻找源节点到目的节点间信息传递的最优路径，并将信息沿着最优路径传递，提高网络的利用率，均衡网络流量以避免通信拥塞。根据不同应用场合可把路由协议分为四种类型： 能量感知路由协议，如能量路由和能量多路径路由32； 基于查询的路由协议33，如定向扩散路由和谣传路由； 地理位置路由协议，如GEAR34(geographical and energy aware routing)路由机制、GEM35(graph embedding)路由； 可靠的路由协议，如基于不相交路径的多路径路由机制36和SPEED路由37。无线传感网络中没有一个

49、普适的路由协议，只能根据不同的使用场合选择最合适的路由方式。无线传感网络的媒介访问控制层（medium access control，MAC）协议决定无线信道的使用方式，在网络节点间分配有限的通信资源。在设计MAC协议时，应综合考虑节点能耗、网络的可扩展性和网络的使用效率等方面的问题。目前无线传感网络中已有的MAC协议有： 基于竞争的MAC协议，如IEEE 802.11 MAC层协议、S-MAC（sensor MAC）协议38、T-MAC(timeout MAC)协议39和Sift协议40。 基于时分复用的MAC协议，如基于分簇网络的MAC协议、分布式能量感知节点活动（DEANA）协议41、流

50、量自适应介质访问（traffic adaptive medium access，TRAMA）协议42。其他类型的MAC协议，如 SMACS/EAR(self-organizing medium access control for sensor networks/eavesdrop and register)协议43和基于CDMA方式的信道分配协议44。和路由协议类似，无线传感网络也不存在普适的MAC协议，只能根据具体的应用选择不同的协议类型进行设计。无线传感网络的拓扑结构控制与优化对网络的运行有重要的意义，表现在： 延长网络的使用时间； 减小节点间通信时的相互干扰，提高通信效率； 确定活动节

51、点，为路由选择提供基础； 弥补节点失效的影响。按照研究方向无线传感网络的拓扑控制分为节点功率控制和层次型拓扑结构控制。在功率控制方面，提出了基于节点度的算法45和基于邻近图的算法46；在层次型拓扑控制方面，提出了LEACH47(low energy adaptive clustering hierarchy)、GAF48(geographical adaptive fidelity)等分簇算法。根据实际应用，无线传感网络的网络拓扑结构控制应首先保证网络的连通性和覆盖度，同时尽量提高网络的通信效率和延长网络的使用时间。2.2.4 无线传感网络的数据融合无线传感网络通常采用以数据为中心的方式运行，

52、如用户管理节点发送检测任务及传感节点回传所采集信息。节点在网络中传递信息的能耗远高于执行程序算法的能耗，因此减少数据量的传输可以有效地节约网络能耗。传感节点借助数据融合技术对采集的信息或其他传感节点转发来的数据信息进行网内处理，去除数据中冗余信息，降低了传输的数据量，从而节约了能耗；数据量的减少又可以减轻网络拥塞现象49。数据融合的示意图如图2.4所示。图2.4 数据融合示意图Fig. 2.4 Schematic plot of data fusion数据融合技术在网络的多个协议层间进行。应用层采用分布式数据库技术，对网络中的数据进行逐级筛选以减少数据量，达到融合的目的。网络层根据路由方式考虑

53、是否采用数据融合，可分为两种情况50： 以地址为中心的路由，每个节点选取最短的路径将数据转发到汇聚节点； 以数据为中心的路由，网络节点在转发数据前对接收的多个数据源的数据进行融合，但选取的传输路径并一定是最短的；但路由的选择是以减少数据量，减轻网络拥塞，延长网络的工作时间为目的。在设计无线传感网络时，应面向实际应用需求设计具有针对性的数据融合方法，从而取得有效的融合效果。2.2.5 无线传感网络的时间同步无线传感网络中节点间的协同通信、信息采集、数据融合、休眠和节点定位等工作，都需要节点间具有较好的协调性，而节点间的协调性取决于网络内的节点能否拥有一致的时钟基准，即节点时钟同步。由于无线传感网

54、络自身的特点，节点间的同步面临以下困难： 网络节点受成本和尺寸的限制往往选用低精度的晶振，导致节点时钟经常发生较大的时钟漂移甚至跳变。 网络通信链路易受噪声干扰而造成通信中断，导致节点间失去同步。 由于网络节点的失效问题，使难以选择单一的节点作为时钟基准，而频繁的更换时钟基准节点又会提高网络功耗及算法复杂度。参考广播同步51（reference broadcast synchronization，RBS）、TINI/MINI-SYNC52和传感网络时间同步协议53（timing-sync protocol for sensor networks，TPSN）作为无线传感网络中三种基本的同步机制，

55、具有较强的代表性。针对不同的应用场合，应综合考虑同步精度、算法复杂度、节点功耗、算法收敛时间及扩展性等因素，设计最有效的时间同步算法。2.2.6 无线传感网络的节点定位无线传感网络节点所采集的数据往往附带相应的节点位置信息，没有节点位置信息的检测数据是没有意义的。根据节点的位置信息可以控制无线模块的收发功率，合理地分配节点能量，以延长节点使用时间；根据节点的位置信息选择最优的路由方式，以减少路由的控制开销。根据节点位置确定与否，传感节点分为信标节点和未知节点两类。信标节点的位置是已知的，不需要再进行定位。位置未知节点则需要以信标节点为参考点，按照某种定位方法确定自身的位置。定位算法可分为基于测

56、距的定位机制和非基于测距的定位机制，基于测距的定位机制分为测距/测角、定位估计和位置校正三个步骤，比较典型的算法有基于TOA的定位算法、基于TDOA的定位算法、基于AOA的定位算法和基于RSSI的定位算法等54。基于测距的定位机制定位结果的精度一般较高，但对节点的硬件要求也比较高。免测距的定位机制是借助待定位节点与相邻节点的连通信息，利用各节点间的估计距离确定节点的位置。比较典型的算法有质心定位算法、分布式定位算法（APS）、Amorphous定位算法、MDS-MAP定位算法和APIT定位算法等55，免测距的定位机制由于不需要测量节点间的距离或方位，因而降低了对节点硬件的要求且受环境因素的影响

57、较小，适合规模较大的无线传感网络。根据不同的应用，应综合考虑网络节点的数量、硬件成本和定位精度等因素，选取合理的节点定位算法。2.3 小结本章从功能原理角度介绍了无线传感网络的技术体系，包括网络整体结构、节点的功能及网络协议栈。重点介绍了无线传感网络的组网通信、数据融合、时间同步及节点定位等关键技术，为利用无线传感网络进行信息获取与传输提供了理论基础。在实际应用中，根据不同的使用条件应综合考虑节点的功耗、网络连通性、通信效率、网络覆盖度等因素，设计合理的传感网络。673 供水管网泄漏检测信息采集设计3.1 引言供水管网与输油、气管网在管网构成、管网工作环境等方面存在较大的差异，另外，供水管网由干管、支管和用户接入管组成且它们各自的管道条件（如管道材质、管径及壁厚）及铺设环境（如地形条件、埋地深度、噪声环境）也不尽相同。因此，针对油气管网的泄漏检测方法并不适合供水管网的检测中。本文根据供水管网的实际情况借助无线传感网络构建泄漏检测的信息采集系统