供水管網(wǎng)泄漏檢測分布式信號(hào)采集系統(tǒng)研究--20110513-丁業(yè)平

1、重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文供水管網(wǎng)泄漏檢測分布式信號(hào)采集系統(tǒng)研究碩士研究生：丁業(yè)平指導(dǎo)教師：文玉梅 教授學(xué)科、專業(yè)：儀器科學(xué)與技術(shù)重慶大學(xué)光電工程學(xué)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 要供水管網(wǎng)泄漏不僅造成水資源的浪費(fèi)，而且會(huì)加劇淡水資源短缺的局面。為了檢測管網(wǎng)泄漏，本文以無線傳感網(wǎng)絡(luò)作為信息獲取和傳輸?shù)钠脚_(tái)，結(jié)合嵌入式技術(shù)、數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)和虛擬儀器技術(shù)，研發(fā)了多探頭的供水管網(wǎng)泄漏檢測信息采集系統(tǒng)。本文首先介紹了無線傳感網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)，采用單跳傳感網(wǎng)絡(luò)組建多探頭的檢測網(wǎng)絡(luò)。按照低節(jié)點(diǎn)功耗、低噪聲干擾且采集參數(shù)動(dòng)態(tài)可調(diào)的要求，設(shè)計(jì)了由上位機(jī)和終端節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的分布式信息采集的總體結(jié)構(gòu)。上位機(jī)采用虛擬儀器技術(shù)，負(fù)責(zé)

3、組建、配置檢測網(wǎng)絡(luò)、發(fā)送命令及處理數(shù)據(jù)。終端節(jié)點(diǎn)選擇DSP2812作為控制器，采用模塊化方式完成對(duì)傳感器、調(diào)理電路、無線通信、信息存儲(chǔ)、液晶顯示和功耗管理等模塊的設(shè)計(jì)。調(diào)理電路中設(shè)計(jì)了帶通濾波器和程控增益放大器，分別用來去除噪聲信號(hào)和放大信號(hào)幅值以接近AD轉(zhuǎn)換的范圍，以提高信噪比，減少量化誤差。U盤讀寫模塊實(shí)現(xiàn)DSP所采數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到外部USB中，滿足節(jié)點(diǎn)的長時(shí)間持續(xù)采集。液晶實(shí)時(shí)顯示節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)，提供人機(jī)交互的界面。低功耗設(shè)計(jì)貫穿于系統(tǒng)設(shè)計(jì)的整個(gè)過程，通過對(duì)各模塊的休眠控制來降低節(jié)點(diǎn)功耗，延長網(wǎng)絡(luò)的工作時(shí)間。檢測網(wǎng)絡(luò)的時(shí)鐘校準(zhǔn)決定了各節(jié)點(diǎn)信息采集的同步性。在供水管網(wǎng)泄漏檢測中，各節(jié)點(diǎn)信息采集的

4、時(shí)間同步誤差將引入漏點(diǎn)的定位誤差。時(shí)間同步誤差來源于節(jié)點(diǎn)自身晶振的漂移、消息交換過程的時(shí)延及各節(jié)點(diǎn)間的頻差。在比較分析現(xiàn)有時(shí)間同步機(jī)制的基礎(chǔ)上，提出了定向撥號(hào)時(shí)間同步算法。在同步過程中，采用定向撥號(hào)和線性回歸相結(jié)合的方法，周期性補(bǔ)償終端節(jié)點(diǎn)間因本地時(shí)鐘源頻差而產(chǎn)生的時(shí)鐘偏移，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)時(shí)間校準(zhǔn)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，節(jié)點(diǎn)間命令執(zhí)行的同步誤差在1個(gè)采樣周期以內(nèi)；在單跳網(wǎng)絡(luò)中，每2分鐘校正一次，節(jié)點(diǎn)間同步誤差每秒在10 us以內(nèi)，累積誤差補(bǔ)償后不超過1 ms，引起的定位誤差在1 m以內(nèi)。濾波電路的通頻帶為200-2000 Hz，對(duì)通頻帶外的噪聲信號(hào)具有很好的抑制效果。在上位機(jī)的無線模塊功率為500 mW時(shí)，節(jié)

5、點(diǎn)間的有效通信距離約為324 m。上述測試數(shù)據(jù)表明，本文設(shè)計(jì)的分布式信息采集系統(tǒng)滿足供水管網(wǎng)泄漏檢測的要求。關(guān)鍵詞：供水管網(wǎng)檢測，無線傳感網(wǎng)絡(luò)，信息采集，時(shí)間同步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 錄中文摘要英文摘要1緒論11.1研究的目的和意義11.2 供水管網(wǎng)泄漏的形式與原因21.2.1 管網(wǎng)漏損的存在形式

18、21.2.2 管網(wǎng)泄漏原因分析21.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀31.3.1 傳統(tǒng)管道泄漏檢測方法31.3.2 供水管道檢漏儀器的發(fā)展51.4 論文主要研究內(nèi)容72 無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)92.1 引言92.2 無線傳感網(wǎng)絡(luò)原理體系結(jié)構(gòu)92.2.1 無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的功能及組成102.2.2 無線傳感網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧102.2.3 無線傳感網(wǎng)絡(luò)的通信與組網(wǎng)122.2.4 無線傳感網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)融合132.2.5 無線傳感網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步132.2.6 無線傳感網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)定位142.3 小結(jié)143 供水管網(wǎng)泄漏檢測信息采集設(shè)計(jì)153.1 引言153.2 信息采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)153.2.1 系統(tǒng)構(gòu)成153.2.2 壓電加速

19、度傳感器193.2.3 DSP2812處理器203.2.4 信號(hào)調(diào)理223.2.5 液晶顯示253.2.6 無線通信283.2.7 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)303.2.8 低功耗323.2.9 電源333.3 小結(jié)354 無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)同步問題研究364.1 引言364.2 無線傳感網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步374.2.1 時(shí)鐘模型374.2.2 時(shí)間同步誤差源374.2.3 典型的時(shí)間同步算法404.2.4 定向撥號(hào)時(shí)間同步算法494.2.5 DTSP同步算法在分布式管網(wǎng)檢測中的應(yīng)用504.3 小結(jié)535 實(shí)驗(yàn)545.1 引言545.2 同步誤差測試545.2.1 命令執(zhí)行的同步誤差測試545.2.2 累計(jì)同步誤差測試

20、555.3 系統(tǒng)性能測試分析565.3.1 系統(tǒng)功耗測試565.3.2 調(diào)理電路的濾波效果測試575.3.3 系統(tǒng)檢測范圍測試586 結(jié)論與展望596.1 研究工作總結(jié)596.2 后續(xù)研究工作展望60致謝61參考文獻(xiàn)62附錄67作者在攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的論文目錄6781 緒論1.1研究的目的和意義水是生命之源，是人類賴以生存和發(fā)展不可替代的重要資源。據(jù)聯(lián)合國統(tǒng)計(jì)，全球有43個(gè)國家近8.43億人口常常面臨“用水壓力”或水資源短缺。我國是世界上 13 個(gè)貧水國家之一，人均水資源占有量為2200立方米，僅相當(dāng)于世界平均水平的四分之一。按目前我國的正常用水需求，正常年份全國缺水量將近400億立方米。

21、在全國655座城市中，有400多個(gè)城市供水不足，130座城市嚴(yán)重缺水，全國城市每年缺水70億立方米，給城市工業(yè)產(chǎn)值造成的損失高達(dá)2000億元左右1。隨著中國人口的增長、經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、城市化進(jìn)程的加快，以及水體的污染、水資源過度開發(fā)、水資源浪費(fèi)嚴(yán)重和供水管網(wǎng)的漏損等問題，都進(jìn)一步加劇了水資源的緊張狀況。水資源短缺問題，將成為中國經(jīng)濟(jì)和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重要制約因素。供水管道作為供水系統(tǒng)的組成部分，被譽(yù)為城鎮(zhèn)的大動(dòng)脈。根據(jù)中國城鎮(zhèn)供水協(xié)會(huì)一屆四次理事會(huì)的工作報(bào)告，到2009年底全國城市日供水量達(dá)2.7億立方米、年供水總量達(dá)497億立方米，供水管道總長度達(dá)51萬公里、用水人口3.6億，用水普及率高達(dá)96

22、 %。隨著城市化進(jìn)程的加快，城市供水對(duì)城市的發(fā)展必將發(fā)揮著愈來愈重要的作用。但城市供水管網(wǎng)由于受到各種外界環(huán)境因素的影響，會(huì)不可避免地造成一定程度的損壞，導(dǎo)致部分供水管道發(fā)生泄漏。根據(jù)2008年城市供水統(tǒng)計(jì)年鑒，我國655個(gè)城市的供水平均漏失率為17.6 %，單位管長平均漏失量為2.02 m3/km/h，全年的水資源漏失總量達(dá)59.55億立方米，相當(dāng)于16座日供水量為100萬m3/d的自來水廠全年的供水總量?？梢姡覈鞘泄┧艿赖穆┦蔬h(yuǎn)高于漏失率僅為7%的歐美國家，而且也高于國家制定的供水管網(wǎng)漏失率不應(yīng)大于12 %的目標(biāo)。供水管網(wǎng)的泄漏增加了供水成本，影響供水企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，加劇了我國水資

23、源短缺的局面；同時(shí)管道的泄漏還會(huì)引發(fā)次生災(zāi)害，如： 管道長期泄漏，會(huì)沖刷道路和建筑物基礎(chǔ)，引發(fā)道路塌陷和建筑物跨塌； 管網(wǎng)因泄漏造成水壓下降，導(dǎo)致漏點(diǎn)周圍的污物和細(xì)菌有可能通過漏點(diǎn)進(jìn)入管道污染水質(zhì)。解決供水管網(wǎng)泄漏問題已經(jīng)刻不容緩。供水管網(wǎng)與其它流體輸送管道在管道構(gòu)成、空間分布及所處環(huán)境等方面都存在著較大的差異，如供水管網(wǎng)是一個(gè)由干管、支管及用戶接入管組成的復(fù)雜管網(wǎng)系統(tǒng)；供水管網(wǎng)多分支、多節(jié)點(diǎn)的特點(diǎn)造成不同管段的供水負(fù)荷不同；供水管網(wǎng)的鋪設(shè)通常要經(jīng)過居民區(qū)、道路、工廠等場所，這就不可避免地要受到沿途各種噪聲的干擾。供水管網(wǎng)的這些特點(diǎn)使得廣泛應(yīng)用于各種油氣輸送管線泄漏檢測的方法在供水管網(wǎng)的泄漏檢

24、測中難以應(yīng)用。因此，針對(duì)供水管網(wǎng)分布復(fù)雜、管型多樣的特點(diǎn)，結(jié)合無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)、DSP嵌入式技術(shù)和labview編程技術(shù)，研發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的、適合我國供水管網(wǎng)實(shí)際的泄漏檢測技術(shù)和儀器，具有重要的學(xué)術(shù)意義和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。1.2 供水管網(wǎng)泄漏的形式與原因1.2.1 管網(wǎng)漏損的存在形式供水管網(wǎng)的泄漏分為明漏、暗漏兩種情況2。明漏的漏點(diǎn)容易發(fā)現(xiàn)如爆管現(xiàn)象，漏失的水量取決于報(bào)漏的及時(shí)率和漏點(diǎn)的水壓。暗漏的漏點(diǎn)通常發(fā)生在埋地的管道，具有一定的隱蔽性。1.2.2 管網(wǎng)泄漏原因分析管道漏失的原因復(fù)雜，通常是幾種因素交叉并存，互為因果，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面3,4。 管材原因據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國80 %以

25、上的管道是灰口鑄鐵管，在管網(wǎng)的泄漏中鑄鐵管漏失的比例高達(dá)59 %。這是由于鑄鐵的強(qiáng)度本身不高，經(jīng)過連續(xù)澆鑄工藝生產(chǎn)的鑄鐵管的強(qiáng)度就更低。當(dāng)管道受外荷載及水流動(dòng)荷載的作用時(shí)，會(huì)因管道局部承載力下降形成裂縫或爆管。球墨管具有強(qiáng)度大、延伸性好、抗腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，因此球墨鑄鐵管發(fā)現(xiàn)爆管的現(xiàn)象較少，近年來在鋪設(shè)管道時(shí)已被大量采用，但球墨鑄鐵管占我國供水管網(wǎng)的使用比例還比較低。 接口原因眾多管道接口是整個(gè)管網(wǎng)較容易發(fā)生泄漏的位置，管道接口處往往是應(yīng)力的集中點(diǎn)，當(dāng)管段發(fā)生變形時(shí)，應(yīng)力會(huì)沿著管道傳到接口處造成接口松動(dòng)，甚至破裂；另外在安裝接口的過程中，由于填充物填塞得不均勻、填料不實(shí)、填料超出，當(dāng)氣溫變化時(shí)會(huì)引起

26、接口反復(fù)脹縮，造成接口滲漏。 管道設(shè)計(jì)和施工的原因在實(shí)際檢測中發(fā)現(xiàn)，70 %以上的管道漏點(diǎn)發(fā)生在埋深小于70 cm的管道上。管道埋深不夠會(huì)導(dǎo)致管道長期受外力作用而引發(fā)破損；管道無墊層或墊層厚度不夠，造成不均勻沉降導(dǎo)致管道破裂形成滲漏。在管道鋪設(shè)時(shí)，如果給水管與排水管并行鋪設(shè)且間距過小、沒有避開暗溝等不合的設(shè)計(jì)，會(huì)造成管網(wǎng)發(fā)現(xiàn)滲漏現(xiàn)象時(shí)難被發(fā)現(xiàn)；工程施工時(shí)若基礎(chǔ)處理不當(dāng)，如回填土密實(shí)度不夠、沒對(duì)支墩加固等原因會(huì)導(dǎo)致管道兩側(cè)受土的壓力不均，引發(fā)接口處、腐蝕點(diǎn)等薄弱位置破裂而漏水。 管道老化與腐蝕原因。我國的大部分城市供水管網(wǎng)管齡在10年以上，甚至有些老城區(qū)的供水管網(wǎng)的管齡在50年以上，老化現(xiàn)象嚴(yán)重

27、。長期超限運(yùn)行，年久失修，當(dāng)管道的外部環(huán)境變化（如溫度、地基沉降、地面負(fù)載等）時(shí)很容易造成管網(wǎng)泄漏甚至爆管。另外，供水管道多數(shù)采用的金屬管材，供水管道不可避免的要與水、土壤介質(zhì)接觸發(fā)生化學(xué)和電化學(xué)作用，造成供水管網(wǎng)的生銹、坑蝕、結(jié)瘤或脆化，進(jìn)而導(dǎo)致管道破損泄漏。管道腐蝕不僅造成供水管道壽命縮短，同時(shí)會(huì)造成水質(zhì)污染。 水錘事故當(dāng)閥門或水泵突然開閉時(shí)，由于水的慣性大，撞在管壁、彎頭、閥門上產(chǎn)生水擊現(xiàn)象，造成管道中的局部壓力突然變大，超過正常水壓的幾倍甚至幾十倍，很容易造成管道破裂。 氣溫變化在溫度變化時(shí)，管道的溫變應(yīng)力可能導(dǎo)致運(yùn)行時(shí)間較長或者管徑較小的管道產(chǎn)生裂紋甚至斷裂；在氣溫低于零度時(shí)，土壤中

28、空隙水的凍結(jié)會(huì)造成土壤的非均勻膨脹，從而使地下管道上的負(fù)荷增加，導(dǎo)致供水管道破損。1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.3.1 傳統(tǒng)管道泄漏檢測方法 大地濕度檢漏法：供水管網(wǎng)在漏水時(shí)會(huì)使周圍地面的導(dǎo)電性有所增加，利用儀器測試地面的導(dǎo)電性，導(dǎo)電性高的區(qū)域?yàn)楣芫W(wǎng)漏點(diǎn)可疑區(qū)域5。 紅外線照相檢測法：自然界的一切物體都輻射紅外線，管道泄漏會(huì)引起管道上方的地表溫度與周圍環(huán)境溫度不同。利用紅外成像技術(shù)檢測管道周圍的溫度并繪制紅外熱譜圖，通過分析紅外譜圖的變化可以確定管道的泄漏范圍6。但在環(huán)境溫差較小或管道埋設(shè)較深時(shí)，利用紅外法檢測管道泄漏的檢測效果會(huì)受到影響。 示蹤氣體檢測法：示蹤氣體檢測法適用于供水管網(wǎng)周圍環(huán)境干擾

29、噪聲大或埋設(shè)較深的區(qū)域，利用氫氣質(zhì)量最輕、粘滯性最小、滲透性最強(qiáng)和沿地表橫向擴(kuò)散范圍小的特點(diǎn)，通過在供水管道中注入少量的氫氣，根據(jù)氫氣冒出地面的位置可以準(zhǔn)確定位漏點(diǎn)5。但無法證實(shí)氫氣對(duì)人體無害，示蹤氣體檢測法并沒有廣泛使用。 音聽檢漏法：分為閥栓聽音法和地面聽音法兩種7，閥栓聽音法用于查找漏水的線路和大致范圍，常用來預(yù)定位漏點(diǎn)；地面聽音法用于確定漏點(diǎn)的位置，根據(jù)預(yù)定位的漏點(diǎn)范圍進(jìn)行漏點(diǎn)的精確定位。閥栓聽音法是將聽漏棒或電子放大聽漏儀直接放在管道暴露點(diǎn)（如消火檢、閥門及暴露的管道等）上聽測由漏水點(diǎn)產(chǎn)生的聲音，確定管道是否漏水，從而縮小漏點(diǎn)的檢測范圍。地面聽音法是在確定管道的漏點(diǎn)區(qū)間后，將電子放大

30、聽漏儀貼在管道的地面上方聽測沿著管道傳播的漏水聲，以確定漏水位置。 壓力梯度檢測法：在主干管道上、下游兩端各部署兩個(gè)壓力傳感器檢測管道的壓力信號(hào)，通過兩端的壓力信號(hào)可以計(jì)算出上、下游管道的壓力梯度。當(dāng)管道沒有發(fā)生泄漏時(shí)，沿管線的壓力梯度呈斜直線趨勢的變化；當(dāng)管道發(fā)生泄漏時(shí)，沿管道的壓力梯度呈折線變化，折線的拐點(diǎn)為泄漏點(diǎn)，根據(jù)壓力梯度的變化曲線確定漏點(diǎn)的位置8。壓力梯度檢測法主要用于長輸主干管道的檢測，而對(duì)于復(fù)雜的管網(wǎng)環(huán)境會(huì)因壓力梯度的非線性分布導(dǎo)致定位精度往往比較低且受測量儀器和安裝位置的影響。 負(fù)壓波檢測法：當(dāng)管道發(fā)生泄漏時(shí)，泄漏點(diǎn)處的管壓會(huì)突然下降，形成一個(gè)負(fù)壓波，該負(fù)壓波以一定的速度由泄

31、漏點(diǎn)向管道兩端傳播，借助安裝在管道兩端的壓力傳感器檢測負(fù)壓波到達(dá)檢測點(diǎn)的時(shí)刻，根據(jù)負(fù)壓波沿著管道傳播到兩個(gè)壓力傳感器的時(shí)間差值及負(fù)壓波在管道中的傳播速度進(jìn)行漏點(diǎn)定位9,10。負(fù)壓波檢測法的漏點(diǎn)定位精度取決于能否準(zhǔn)確的測量負(fù)壓波的傳播速度及時(shí)間差，且在管道漏點(diǎn)比較小、支管眾多的復(fù)雜管網(wǎng)等情況下難以應(yīng)用。 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)檢漏法：北京大學(xué)唐秀家等人將BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于供水管道泄漏檢測中，是利用其強(qiáng)大的自適應(yīng)學(xué)習(xí)能力，記憶能力、非線性的映射能力以及信息處理和模式識(shí)別能力。將管道泄漏產(chǎn)生的應(yīng)力波信號(hào)和無泄漏時(shí)的管道信號(hào)作為學(xué)習(xí)樣本對(duì)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行學(xué)習(xí)訓(xùn)練，經(jīng)過一段時(shí)間的訓(xùn)練后，建立關(guān)于應(yīng)力波時(shí)域、頻域特性與管

32、道運(yùn)行狀況間的非線性映射網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)輸入與學(xué)習(xí)樣本類似的信號(hào)時(shí)，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)就能夠自動(dòng)辨識(shí)輸入的信號(hào)是否為泄漏信號(hào)，進(jìn)而判斷管網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)1113。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)檢漏法具備易于硬件實(shí)現(xiàn)、結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點(diǎn)，但存在算法收斂速度慢、難以辨識(shí)混有固定噪聲的泄漏信號(hào)等不足。 SCADA系統(tǒng)模型法SCADA系統(tǒng)檢測法是將管道泄漏檢測與遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集、傳輸相結(jié)合的在線檢測方法，通過部署在管道上的節(jié)點(diǎn)采集管道上的信息（如壓力，流速、振動(dòng)等信號(hào)），將數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程控制中心，結(jié)合相應(yīng)的檢漏方法（如壓力梯度法、負(fù)壓波法、流量統(tǒng)計(jì)法、相關(guān)分析法等）進(jìn)行管道的泄漏檢測與定位14,15。由于檢測系統(tǒng)存在成本較高的問題，SCADA檢漏法

33、主要應(yīng)用在油氣管道的檢測中，在供水管道的泄漏檢測中的應(yīng)用還很少。 相關(guān)檢漏法：是當(dāng)前最有效的一種管道泄漏檢測和定位方法。在供水管道漏水時(shí)，泄漏點(diǎn)會(huì)撞擊管道產(chǎn)生聲波振動(dòng)信號(hào)，振動(dòng)信號(hào)會(huì)沿著漏點(diǎn)向管道兩端傳播。將傳感器放在供水管道或水栓連接的不同位置以拾取振動(dòng)信號(hào)，采用相關(guān)法提取由漏點(diǎn)產(chǎn)生的振動(dòng)聲波信號(hào)傳播到兩個(gè)傳感器的時(shí)間差，若已知兩個(gè)傳感器間距離和聲波沿管道的傳播速度，根據(jù)公式1.1可計(jì)算漏點(diǎn)與其中一個(gè)傳感器間的距離，實(shí)現(xiàn)對(duì)管道的泄漏檢測和漏點(diǎn)定位16-18。 (1.1) 盲系統(tǒng)辨識(shí)法 在借助管道泄漏產(chǎn)生的聲振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行泄漏檢測和漏點(diǎn)定位時(shí)，通常需要采用相應(yīng)的時(shí)延估計(jì)算法提取泄漏信號(hào)在兩個(gè)傳感

34、節(jié)點(diǎn)間傳播時(shí)的時(shí)延信息，并結(jié)合管道長度和泄漏聲波沿管道的傳播速度才能完成漏點(diǎn)的定位。在實(shí)際的管道檢測中，由于管網(wǎng)規(guī)劃不合理、管道改造等原因造成無法準(zhǔn)確得獲得管線長度；泄漏信號(hào)沿著管道的傳播速度會(huì)因管道條件的變化而不同，需相應(yīng)的方法計(jì)算傳播速度。重慶大學(xué)楊進(jìn)等人采用盲系統(tǒng)辨識(shí)法估計(jì)管道泄漏信號(hào)的傳播信道響應(yīng)函數(shù)，可以提取泄漏信號(hào)在傳播過程中的時(shí)延信息，從而在不依賴管道長度或泄漏信號(hào)傳播速度的情況下完成對(duì)漏點(diǎn)的定位19,20。1.3.2 供水管道檢漏儀器的發(fā)展 電子聽漏儀：是一種利用漏水噪音原理進(jìn)行工作的儀器，通過將聽漏儀貼在地面聽音的方法判斷漏點(diǎn)位置。電子聽漏儀一般由主機(jī)、探頭、耳機(jī)三部分組成。

35、主機(jī)是低噪音、高放大倍數(shù)的放大器，濾除泄漏聲中的干擾聲音，并對(duì)泄漏聲音實(shí)現(xiàn)放大；探頭的作用是用來拾取管道泄漏產(chǎn)生的聲音21。目前的電子聽漏儀多采用數(shù)字顯示方式，探頭的形式多種多樣，如為防止環(huán)境噪音干擾給探頭裝上隔音罩；在探頭上安裝金屬棒可以改裝成電子聽音棒；探頭上安裝磁鐵以便能吸附在管道上等。目前市場上較成熟的聽漏儀有德國賽霸的HL5000專業(yè)型數(shù)字聽漏儀和英國雷迪的Gmic電子聽漏儀如圖1.1所示。電子聽漏儀是在地面捕捉漏水聲音時(shí)，易受聲音傳播媒質(zhì)（土壤和路面）以及各種強(qiáng)烈干擾噪音的影響，使電子聽漏儀無法有效地工作。 圖1.1 電子聽音儀Fig. 1.1 Electronic leak de

36、tecting device 漏水聲自動(dòng)記錄儀：以德國sebalog N泄漏噪聲自動(dòng)記錄儀為例如圖1.2所示，將噪聲記錄儀永久或臨時(shí)安裝在管道上的消火栓、閥門等可接觸點(diǎn)，采集記錄漏水噪聲的強(qiáng)度和頻率并存入記錄儀中，通過無線方式將采集的數(shù)據(jù)傳到主控機(jī)上，并用專用軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，從而確定檢測區(qū)域內(nèi)的管道是否存在泄漏22。圖1.2 管網(wǎng)泄漏巡視儀Fig. 1.2 Pipelines leak patrol device 漏水檢測相關(guān)儀：檢漏相關(guān)儀根據(jù)檢測探頭的數(shù)量分為便攜式23,24和多探頭式25兩種，便攜式相關(guān)儀以英國雷迪公司研制的MC7數(shù)字漏水噪聲相關(guān)儀如圖1.3所示和重慶大學(xué)文玉梅等人自主研

37、發(fā)的便攜式管道泄漏檢測儀如圖1.4所示為代表。以重慶大學(xué)開發(fā)的便攜式管道泄漏檢測儀為例，該檢測儀由上位機(jī)和2個(gè)檢測探頭組成。將帶有磁鐵底座的壓電加速度吸附在管道的管壁或閥門栓上，拾取沿管道傳播的振動(dòng)聲波信號(hào)，并輸入到以C8051F020單片機(jī)為主控單元的檢測節(jié)點(diǎn)中完成對(duì)振動(dòng)信號(hào)的采集與存儲(chǔ)。上位機(jī)采用自適應(yīng)濾波算法對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，提取振動(dòng)信號(hào)在兩個(gè)壓電加速度傳感器間傳播時(shí)的時(shí)延信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)管道的檢測與漏點(diǎn)定位2628。便攜式泄漏檢測儀能夠在復(fù)雜噪聲環(huán)境下實(shí)現(xiàn)對(duì)管道的泄漏檢測，單次檢測的管道長度可達(dá)350米，定位精度在1米以內(nèi)。以埃德爾公司研發(fā)的多探頭相關(guān)儀為代表如圖1.5所示，多探頭相

38、關(guān)儀的探頭最多可配置192個(gè)，通過探頭采集檢測區(qū)域內(nèi)管道上的振動(dòng)信號(hào)，并將所采數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)中。通過對(duì)任意兩個(gè)探頭所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)分析，就可以確定這兩個(gè)探頭所在管道的漏水位置。另外，相關(guān)儀還可以用來普查供水管網(wǎng)區(qū)域的泄漏情況，實(shí)現(xiàn)漏點(diǎn)的預(yù)定位。適用于環(huán)境干擾噪聲大、管道埋設(shè)深以及無法使用聽音儀的管網(wǎng)區(qū)域。圖1.3 MC6相關(guān)檢漏儀Fig. 1.3 MC6 correlator of leak detection圖1.4 便攜式泄漏檢測儀Fig. 1.4 The portable leak detection圖1.5 多探頭相關(guān)檢漏儀Fig. 1.5 The multiprobe corr

39、elator of leak detection1.4 論文主要研究內(nèi)容隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城鎮(zhèn)化建設(shè)的推進(jìn)，對(duì)水資源的需求越來越大，進(jìn)一步加劇了我國淡水資源短缺的狀況；對(duì)于大力提倡節(jié)能減排的今天，減少水資源的浪費(fèi)具有重要的社會(huì)意義和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。目前，我國城鎮(zhèn)供水管網(wǎng)以17.6 %的漏失率遠(yuǎn)高于國外發(fā)達(dá)國家，導(dǎo)致我國每年因管網(wǎng)泄漏而損失了大量的水資源。目前國內(nèi)供水管網(wǎng)的泄漏檢測大多數(shù)仍在使用傳統(tǒng)的檢漏設(shè)備，管網(wǎng)檢漏依賴于工作人員的經(jīng)驗(yàn)，因此檢漏效率不高。從國外引進(jìn)的先進(jìn)的供水管網(wǎng)檢漏儀器不僅價(jià)格高昂，而且其儀器研制參數(shù)是來源于國外的管道，常常發(fā)生定位誤差較大或者漏點(diǎn)誤判的現(xiàn)象，先進(jìn)的儀器設(shè)備并沒

40、達(dá)到應(yīng)有的效果。結(jié)合我國供水管網(wǎng)管型眾多、分布復(fù)雜的實(shí)際特點(diǎn)，研發(fā)適用我國供水管網(wǎng)的檢漏設(shè)備顯得非常必要。本文將設(shè)計(jì)多探頭、低功耗、低噪聲、參數(shù)可調(diào)及具備無線通信功能的管道泄漏信號(hào)采集系統(tǒng)。論文的主要研究內(nèi)容從以下幾個(gè)方面展開： 介紹無線傳感網(wǎng)絡(luò)的功能體系結(jié)構(gòu)，結(jié)合供水管網(wǎng)實(shí)際應(yīng)用條件設(shè)計(jì)抗干擾性好、節(jié)點(diǎn)功耗低的無線傳感網(wǎng)絡(luò)。 根據(jù)供水管網(wǎng)泄漏信號(hào)的實(shí)際特征，選擇傳感器及信號(hào)調(diào)理方案；按照低功耗、高處理速度及可靠性等要求，選擇終端節(jié)點(diǎn)的控制器和外圍功能模塊；完成分布式信息采集系統(tǒng)的硬件與軟件設(shè)計(jì)流程。 分析無線傳感網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步誤差來源，比較現(xiàn)有的無線傳感網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步機(jī)制，制定分布式采集系統(tǒng)節(jié)

41、點(diǎn)間的時(shí)間同步方案。 測試分布式信息采集系統(tǒng)的基本性能參數(shù)；在單跳傳感網(wǎng)絡(luò)中，通過測試節(jié)點(diǎn)間的同步誤差，驗(yàn)證時(shí)間同步算法在供水管網(wǎng)檢測中的有效性。2 無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)2.1 引言無線傳感網(wǎng)絡(luò)（wireless sensor network，WSN）是由部署在檢測區(qū)域內(nèi)的眾多傳感節(jié)點(diǎn)組成，以無線方式完成節(jié)點(diǎn)間的通信，具備感知檢測區(qū)域內(nèi)目標(biāo)對(duì)象的信息，信息的存儲(chǔ)、傳輸和節(jié)點(diǎn)間通信等功能29。傳感器節(jié)點(diǎn)、目標(biāo)檢測對(duì)象和用戶構(gòu)成了無線傳感網(wǎng)絡(luò)的三個(gè)基本要素，與傳統(tǒng)的傳感網(wǎng)絡(luò)相比，無線傳感網(wǎng)絡(luò)在節(jié)點(diǎn)控制和數(shù)據(jù)處理上更強(qiáng)調(diào)分布式，單個(gè)節(jié)點(diǎn)的失效不會(huì)影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的性能。無線傳感網(wǎng)絡(luò)在軍事偵察、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療

42、健康護(hù)理、家居智能化、建筑結(jié)構(gòu)安全監(jiān)控、機(jī)械車間監(jiān)控等領(lǐng)域，具有廣泛的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。2.2 無線傳感網(wǎng)絡(luò)原理體系結(jié)構(gòu)無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由傳感節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)和用戶管理節(jié)點(diǎn)構(gòu)成30，無線傳感網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)如圖2.1所示。部署在檢測區(qū)域內(nèi)的傳感節(jié)點(diǎn)，通過自組方式形成通信網(wǎng)絡(luò)，將所感知的檢測區(qū)域內(nèi)目標(biāo)對(duì)象的信息，沿著其他傳感節(jié)點(diǎn)逐級(jí)傳遞匯聚節(jié)點(diǎn)，最后經(jīng)匯聚節(jié)點(diǎn)傳遞到用戶管理節(jié)點(diǎn)。管理節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)控制網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行，包括配置網(wǎng)絡(luò)、發(fā)送節(jié)點(diǎn)檢測任務(wù)及處理由傳感節(jié)點(diǎn)采集的信息。圖2.1 無線傳感網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)Fig. 2.1 The architecture of wireless sensor network傳感節(jié)

43、點(diǎn)是一個(gè)面向應(yīng)用的微型嵌入式操作系統(tǒng)，負(fù)責(zé)信息采集、處理、存儲(chǔ)和傳輸?shù)热蝿?wù)；以及與網(wǎng)絡(luò)內(nèi)其他節(jié)點(diǎn)通信以協(xié)作完成特定任務(wù)，如時(shí)間同步、節(jié)點(diǎn)休眠及信息傳遞等。匯聚節(jié)點(diǎn)是連接無線傳感網(wǎng)絡(luò)與外部網(wǎng)絡(luò)的橋梁，在信息的處理、存儲(chǔ)和無線通信等功能上相對(duì)較強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換，作為信息傳遞的中繼站，負(fù)責(zé)將用戶管理節(jié)點(diǎn)發(fā)出的任務(wù)轉(zhuǎn)發(fā)給傳感網(wǎng)絡(luò)，以及將傳感節(jié)點(diǎn)發(fā)來的信息通過外部網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)給管理節(jié)點(diǎn)。匯聚節(jié)點(diǎn)既可以是一個(gè)增強(qiáng)型的傳感節(jié)點(diǎn)，具有較強(qiáng)的處理能力、較大的存儲(chǔ)空間及充足的電量；同時(shí)也可以是只具有無線收發(fā)功能的網(wǎng)關(guān)設(shè)備。2.2.1 無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的功能及組成傳感節(jié)點(diǎn)由傳感器、微處理器、無線通信模塊和電源模塊

44、四部分組成30，結(jié)構(gòu)如圖2.2所示。傳感器負(fù)責(zé)采集檢測區(qū)域內(nèi)目標(biāo)對(duì)象的信息；微處理器負(fù)責(zé)控制整個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)的操作，響應(yīng)匯聚節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)來的檢測任務(wù)，進(jìn)行信息的采集、存儲(chǔ)和傳輸。無線通信模塊負(fù)責(zé)節(jié)點(diǎn)間的通信，包括接收、發(fā)送檢測任務(wù)和所采集的數(shù)據(jù)；通常選擇可充電的鋰電池作為電源模塊，負(fù)責(zé)為整個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)供電。圖2.2 傳感節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)Fig. 2.2 Structure of the sensor node2.2.2 無線傳感網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧無線通信是無線傳感網(wǎng)絡(luò)區(qū)別于傳統(tǒng)傳感網(wǎng)絡(luò)的重要特征，但由于無線傳感節(jié)點(diǎn)的通信能力及通信距離有限，要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的通信常常需要借助網(wǎng)絡(luò)內(nèi)其他節(jié)點(diǎn)的中繼來完成。一個(gè)合理的網(wǎng)絡(luò)

45、協(xié)議是保證節(jié)點(diǎn)間穩(wěn)定通信的基礎(chǔ)，和互聯(lián)網(wǎng)采用的TCP/IP五層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議類似，無線傳感網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議也采用分層的體系結(jié)構(gòu)31，如圖 2.3(a)所示為無線傳感網(wǎng)絡(luò)的五層協(xié)議棧，分別為物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層及應(yīng)用層；另外還包括能量管理、移動(dòng)管理和任務(wù)管理三個(gè)平臺(tái)，協(xié)議棧的功能如下。圖2.3 無線傳感網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧29Fig. 2.3 Protocol stack of wireless sensor network 物理層負(fù)責(zé)提供簡單可靠的信號(hào)調(diào)制及無線通信技術(shù)。 數(shù)據(jù)鏈路層負(fù)責(zé)將待發(fā)送數(shù)據(jù)封裝成數(shù)據(jù)幀并進(jìn)行數(shù)據(jù)幀檢測、介質(zhì)訪問控制和差錯(cuò)控制。 網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)提供路由或網(wǎng)關(guān)，控制通信子網(wǎng)的信息

46、量，避免網(wǎng)絡(luò)擁塞。 傳輸層控制數(shù)據(jù)的傳輸，包括數(shù)據(jù)的差錯(cuò)控制和流量控制。 應(yīng)用層提供用戶與網(wǎng)絡(luò)間的接口，通過應(yīng)用層軟件滿足用戶的需求。 能量管理平臺(tái)是對(duì)傳感節(jié)點(diǎn)功耗進(jìn)行管理，在滿足應(yīng)用功能的前提下，降低節(jié)點(diǎn)能耗。 在網(wǎng)絡(luò)傳感節(jié)點(diǎn)移動(dòng)時(shí)，通過移動(dòng)管理平臺(tái)來維護(hù)通信鏈路的路由結(jié)構(gòu)，保證傳感節(jié)點(diǎn)的信息能傳遞到匯聚節(jié)點(diǎn)。 任務(wù)管理平臺(tái)協(xié)調(diào)用戶管理節(jié)點(diǎn)發(fā)出的檢測任務(wù)。隨著無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧在原始協(xié)議棧的基礎(chǔ)上進(jìn)行了細(xì)化和改進(jìn)，如圖2.3 (b)所示。定位和時(shí)間同步子層貫穿于數(shù)據(jù)鏈路層、路由層和傳輸控制層，它們既要依靠信息的傳輸進(jìn)行節(jié)點(diǎn)定位和時(shí)間同步，同時(shí)也為無線傳感網(wǎng)絡(luò)各協(xié)議層提供信息支

47、持。另外，細(xì)化后的協(xié)議棧將拓?fù)淇刂?、QoS管理及網(wǎng)絡(luò)管理獨(dú)立于網(wǎng)絡(luò)協(xié)議外層，拓?fù)淇刂坪蚎oS管理可以優(yōu)化和管理協(xié)議的工作流程，同時(shí)也可以利用生成的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為它們自己提供信息支持，提高協(xié)議執(zhí)行效率，節(jié)約網(wǎng)絡(luò)的能量開銷；網(wǎng)絡(luò)管理通過嵌入在各協(xié)議層的信息端口定時(shí)收集協(xié)議的運(yùn)行狀態(tài)，并根據(jù)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的運(yùn)行情況來控制檢測網(wǎng)絡(luò)。2.2.3 無線傳感網(wǎng)絡(luò)的通信與組網(wǎng)無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的通信涉及路由控制、媒介訪問控制和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂频燃夹g(shù)，路由協(xié)議決定了信息在發(fā)送節(jié)點(diǎn)與接收節(jié)點(diǎn)間的傳遞路徑；媒介訪問控制決定無線信道的使用方式和分配無線通信資源；合理的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以提高路由協(xié)議和媒介訪問控制的效率，為網(wǎng)絡(luò)時(shí)間

48、同步和節(jié)點(diǎn)定位等提供基礎(chǔ)，降低網(wǎng)絡(luò)功耗。無線傳感網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議主要負(fù)責(zé)尋找源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)間信息傳遞的最優(yōu)路徑，并將信息沿著最優(yōu)路徑傳遞，提高網(wǎng)絡(luò)的利用率，均衡網(wǎng)絡(luò)流量以避免通信擁塞。根據(jù)不同應(yīng)用場合可把路由協(xié)議分為四種類型： 能量感知路由協(xié)議，如能量路由和能量多路徑路由32； 基于查詢的路由協(xié)議33，如定向擴(kuò)散路由和謠傳路由； 地理位置路由協(xié)議，如GEAR34(geographical and energy aware routing)路由機(jī)制、GEM35(graph embedding)路由； 可靠的路由協(xié)議，如基于不相交路徑的多路徑路由機(jī)制36和SPEED路由37。無線傳感網(wǎng)絡(luò)中沒有一個(gè)

49、普適的路由協(xié)議，只能根據(jù)不同的使用場合選擇最合適的路由方式。無線傳感網(wǎng)絡(luò)的媒介訪問控制層（medium access control，MAC）協(xié)議決定無線信道的使用方式，在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間分配有限的通信資源。在設(shè)計(jì)MAC協(xié)議時(shí)，應(yīng)綜合考慮節(jié)點(diǎn)能耗、網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性和網(wǎng)絡(luò)的使用效率等方面的問題。目前無線傳感網(wǎng)絡(luò)中已有的MAC協(xié)議有： 基于競爭的MAC協(xié)議，如IEEE 802.11 MAC層協(xié)議、S-MAC（sensor MAC）協(xié)議38、T-MAC(timeout MAC)協(xié)議39和Sift協(xié)議40。 基于時(shí)分復(fù)用的MAC協(xié)議，如基于分簇網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議、分布式能量感知節(jié)點(diǎn)活動(dòng)（DEANA）協(xié)議41、流

50、量自適應(yīng)介質(zhì)訪問（traffic adaptive medium access，TRAMA）協(xié)議42。其他類型的MAC協(xié)議，如 SMACS/EAR(self-organizing medium access control for sensor networks/eavesdrop and register)協(xié)議43和基于CDMA方式的信道分配協(xié)議44。和路由協(xié)議類似，無線傳感網(wǎng)絡(luò)也不存在普適的MAC協(xié)議，只能根據(jù)具體的應(yīng)用選擇不同的協(xié)議類型進(jìn)行設(shè)計(jì)。無線傳感網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)控制與優(yōu)化對(duì)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行有重要的意義，表現(xiàn)在： 延長網(wǎng)絡(luò)的使用時(shí)間； 減小節(jié)點(diǎn)間通信時(shí)的相互干擾，提高通信效率； 確定活動(dòng)節(jié)

51、點(diǎn)，為路由選擇提供基礎(chǔ)； 彌補(bǔ)節(jié)點(diǎn)失效的影響。按照研究方向無線傳感網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)淇刂品譃楣?jié)點(diǎn)功率控制和層次型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)控制。在功率控制方面，提出了基于節(jié)點(diǎn)度的算法45和基于鄰近圖的算法46；在層次型拓?fù)淇刂品矫?，提出了LEACH47(low energy adaptive clustering hierarchy)、GAF48(geographical adaptive fidelity)等分簇算法。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用，無線傳感網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)控制應(yīng)首先保證網(wǎng)絡(luò)的連通性和覆蓋度，同時(shí)盡量提高網(wǎng)絡(luò)的通信效率和延長網(wǎng)絡(luò)的使用時(shí)間。2.2.4 無線傳感網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)融合無線傳感網(wǎng)絡(luò)通常采用以數(shù)據(jù)為中心的方式運(yùn)行，

52、如用戶管理節(jié)點(diǎn)發(fā)送檢測任務(wù)及傳感節(jié)點(diǎn)回傳所采集信息。節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中傳遞信息的能耗遠(yuǎn)高于執(zhí)行程序算法的能耗，因此減少數(shù)據(jù)量的傳輸可以有效地節(jié)約網(wǎng)絡(luò)能耗。傳感節(jié)點(diǎn)借助數(shù)據(jù)融合技術(shù)對(duì)采集的信息或其他傳感節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行網(wǎng)內(nèi)處理，去除數(shù)據(jù)中冗余信息，降低了傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，從而節(jié)約了能耗；數(shù)據(jù)量的減少又可以減輕網(wǎng)絡(luò)擁塞現(xiàn)象49。數(shù)據(jù)融合的示意圖如圖2.4所示。圖2.4 數(shù)據(jù)融合示意圖Fig. 2.4 Schematic plot of data fusion數(shù)據(jù)融合技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)的多個(gè)協(xié)議層間進(jìn)行。應(yīng)用層采用分布式數(shù)據(jù)庫技術(shù)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行逐級(jí)篩選以減少數(shù)據(jù)量，達(dá)到融合的目的。網(wǎng)絡(luò)層根據(jù)路由方式考慮

53、是否采用數(shù)據(jù)融合，可分為兩種情況50： 以地址為中心的路由，每個(gè)節(jié)點(diǎn)選取最短的路徑將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到匯聚節(jié)點(diǎn)； 以數(shù)據(jù)為中心的路由，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)前對(duì)接收的多個(gè)數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，但選取的傳輸路徑并一定是最短的；但路由的選擇是以減少數(shù)據(jù)量，減輕網(wǎng)絡(luò)擁塞，延長網(wǎng)絡(luò)的工作時(shí)間為目的。在設(shè)計(jì)無線傳感網(wǎng)絡(luò)時(shí)，應(yīng)面向?qū)嶋H應(yīng)用需求設(shè)計(jì)具有針對(duì)性的數(shù)據(jù)融合方法，從而取得有效的融合效果。2.2.5 無線傳感網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步無線傳感網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)間的協(xié)同通信、信息采集、數(shù)據(jù)融合、休眠和節(jié)點(diǎn)定位等工作，都需要節(jié)點(diǎn)間具有較好的協(xié)調(diào)性，而節(jié)點(diǎn)間的協(xié)調(diào)性取決于網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)能否擁有一致的時(shí)鐘基準(zhǔn)，即節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘同步。由于無線傳感網(wǎng)

54、絡(luò)自身的特點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)間的同步面臨以下困難： 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)受成本和尺寸的限制往往選用低精度的晶振，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘經(jīng)常發(fā)生較大的時(shí)鐘漂移甚至跳變。 網(wǎng)絡(luò)通信鏈路易受噪聲干擾而造成通信中斷，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)間失去同步。 由于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的失效問題，使難以選擇單一的節(jié)點(diǎn)作為時(shí)鐘基準(zhǔn)，而頻繁的更換時(shí)鐘基準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)又會(huì)提高網(wǎng)絡(luò)功耗及算法復(fù)雜度。參考廣播同步51（reference broadcast synchronization，RBS）、TINI/MINI-SYNC52和傳感網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步協(xié)議53（timing-sync protocol for sensor networks，TPSN）作為無線傳感網(wǎng)絡(luò)中三種基本的同步機(jī)制，

55、具有較強(qiáng)的代表性。針對(duì)不同的應(yīng)用場合，應(yīng)綜合考慮同步精度、算法復(fù)雜度、節(jié)點(diǎn)功耗、算法收斂時(shí)間及擴(kuò)展性等因素，設(shè)計(jì)最有效的時(shí)間同步算法。2.2.6 無線傳感網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)定位無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)所采集的數(shù)據(jù)往往附帶相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)位置信息，沒有節(jié)點(diǎn)位置信息的檢測數(shù)據(jù)是沒有意義的。根據(jù)節(jié)點(diǎn)的位置信息可以控制無線模塊的收發(fā)功率，合理地分配節(jié)點(diǎn)能量，以延長節(jié)點(diǎn)使用時(shí)間；根據(jù)節(jié)點(diǎn)的位置信息選擇最優(yōu)的路由方式，以減少路由的控制開銷。根據(jù)節(jié)點(diǎn)位置確定與否，傳感節(jié)點(diǎn)分為信標(biāo)節(jié)點(diǎn)和未知節(jié)點(diǎn)兩類。信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的位置是已知的，不需要再進(jìn)行定位。位置未知節(jié)點(diǎn)則需要以信標(biāo)節(jié)點(diǎn)為參考點(diǎn)，按照某種定位方法確定自身的位置。定位算法可分為基于測

56、距的定位機(jī)制和非基于測距的定位機(jī)制，基于測距的定位機(jī)制分為測距/測角、定位估計(jì)和位置校正三個(gè)步驟，比較典型的算法有基于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?；跍y距的定位機(jī)制定位結(jié)果的精度一般較高，但對(duì)節(jié)點(diǎn)的硬件要求也比較高。免測距的定位機(jī)制是借助待定位節(jié)點(diǎn)與相鄰節(jié)點(diǎn)的連通信息，利用各節(jié)點(diǎn)間的估計(jì)距離確定節(jié)點(diǎn)的位置。比較典型的算法有質(zhì)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，免測距的定位機(jī)制由于不需要測量節(jié)點(diǎn)間的距離或方位，因而降低了對(duì)節(jié)點(diǎn)硬件的要求且受環(huán)境因素的影響

57、較小，適合規(guī)模較大的無線傳感網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)不同的應(yīng)用，應(yīng)綜合考慮網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的數(shù)量、硬件成本和定位精度等因素，選取合理的節(jié)點(diǎn)定位算法。2.3 小結(jié)本章從功能原理角度介紹了無線傳感網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)體系，包括網(wǎng)絡(luò)整體結(jié)構(gòu)、節(jié)點(diǎn)的功能及網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧。重點(diǎn)介紹了無線傳感網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)通信、數(shù)據(jù)融合、時(shí)間同步及節(jié)點(diǎn)定位等關(guān)鍵技術(shù)，為利用無線傳感網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息獲取與傳輸提供了理論基礎(chǔ)。在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)不同的使用條件應(yīng)綜合考慮節(jié)點(diǎn)的功耗、網(wǎng)絡(luò)連通性、通信效率、網(wǎng)絡(luò)覆蓋度等因素，設(shè)計(jì)合理的傳感網(wǎng)絡(luò)。673 供水管網(wǎng)泄漏檢測信息采集設(shè)計(jì)3.1 引言供水管網(wǎng)與輸油、氣管網(wǎng)在管網(wǎng)構(gòu)成、管網(wǎng)工作環(huán)境等方面存在較大的差異，另外，供水管網(wǎng)由干管、支管和用戶接入管組成且它們各自的管道條件（如管道材質(zhì)、管徑及壁厚）及鋪設(shè)環(huán)境（如地形條件、埋地深度、噪聲環(huán)境）也不盡相同。因此，針對(duì)油氣管網(wǎng)的泄漏檢測方法并不適合供水管網(wǎng)的檢測中。本文根據(jù)供水管網(wǎng)的實(shí)際情況借助無線傳感網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建泄漏檢測的信息采集系統(tǒng)