ZigBee技術(shù)在輸油管泄漏監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

近年來，由于管道老化以及其他自然或人為原因?qū)е螺斢凸艿佬孤┦鹿试趪鴥?nèi)外頻頻發(fā)生。輸油管道的泄漏不僅會(huì)造成經(jīng)濟(jì)上的巨大損失，而且會(huì)污染環(huán)境，甚至引起火災(zāi)，給人們的生命財(cái)產(chǎn)安全帶來了極大的威脅，因此管道泄漏監(jiān)測技術(shù)的研究一直是國內(nèi)外工業(yè)界和學(xué)術(shù)界普遍關(guān)注的問題。ZigBee技術(shù)是當(dāng)前新興的一種近距離、低數(shù)據(jù)速率無線通信技術(shù)，它基于IEEE 802.15.4協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。筆者結(jié)合ZigBee技術(shù)的低成本、低功耗、設(shè)備地址唯一性等優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了適用于野外輸油管泄漏監(jiān)測的控制方案，給出了監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)原理及其在管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用。

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1所示。該監(jiān)測系統(tǒng)采用兩層主從式結(jié)構(gòu)，上層為檢測數(shù)據(jù)分析和管理系統(tǒng)，主要由一臺(tái)配置了泄漏監(jiān)測系統(tǒng)分析軟件的工控機(jī)和打印機(jī)組成，是主控單元；下層為ZigBee傳感器網(wǎng)絡(luò)，主要由監(jiān)測節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)組成，是監(jiān)測單元。管道系統(tǒng)是自平衡系統(tǒng)，管路的流量是泵站的排量，輸油泵的總揚(yáng)程就是管路的總壓力降，所以要準(zhǔn)確監(jiān)測管道的工作狀況必須把泵站和管道系統(tǒng)統(tǒng)一考慮。當(dāng)管道發(fā)生泄漏時(shí)，上一站的出站壓力有所下降，而流量有所升高，下一站的進(jìn)站壓力、流量都有所降低。調(diào)泵使泵轉(zhuǎn)速升高時(shí)，出站壓力上升、流量增大，下一站的進(jìn)站壓力、流量都有所上升；泵轉(zhuǎn)速降低時(shí)，情況相反。這顯然與泄漏時(shí)的壓力、流量變化情況不同。因此，本設(shè)計(jì)采用壓力流量聯(lián)合判斷的方法來監(jiān)測泄漏的發(fā)生。

圖1 輸油管泄漏監(jiān)測系統(tǒng)組成

由于監(jiān)測節(jié)點(diǎn)由電池供電，能量有限，本系統(tǒng)采用定更巡回監(jiān)測的工作方式，即每隔一定的周期時(shí)間啟動(dòng)一次監(jiān)測，以保證監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)具有2年或更長的工作壽命。

監(jiān)測節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì) 
下層監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中包括兩種硬件模塊：監(jiān)測節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)。二者硬件電路基本相同，匯聚節(jié)點(diǎn)只是增加了長距離通信電路（如GSM或者RS485）。根據(jù)ZigBee技術(shù)的原理和特點(diǎn)，本文選用ST的8位低成本單片機(jī)STM8S105C6T6為控制器，以Chipcon公司的CC2420為射頻收發(fā)器，設(shè)計(jì)了監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 監(jiān)測節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)圖

1 射頻收發(fā)芯片選型
射頻收發(fā)芯片是節(jié)點(diǎn)之間可靠通信的關(guān)鍵模塊。由于監(jiān)測節(jié)點(diǎn)安裝在管道內(nèi)部，采用能量有限的鋰電池供電，因此射頻芯片的選型需具有以下特點(diǎn)：

● 功耗低，支持休眠模式，便于根據(jù)具體工作狀態(tài)進(jìn)行功耗管理，以盡可能延長監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的工作壽命；

● 誤碼率低，支持自動(dòng)CRC校驗(yàn)，有較強(qiáng)抗干擾性；

● 支持IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)是構(gòu)建ZigBee網(wǎng)絡(luò)的底層協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，它定義了物理層和介質(zhì)訪問控制層的通信規(guī)范。

根據(jù)以上特點(diǎn)，并經(jīng)過分析比較，我們最終選用了CC2420這款性能卓越的射頻芯片。CC2420是Chipcon公司生產(chǎn)的2.4GHz射頻芯片，符合IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，傳輸速率最大250kb/s，采用具有內(nèi)嵌閃存的0.18μm CMOS標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)，最低功耗不到1μA，體積小，外形尺寸只有7mm×7mm。

CC2420應(yīng)用電路如圖3所示，主要包括電源去耦電路、晶振電路和天線匹配電路。由于RF芯片對電源的噪聲非常敏感，恰當(dāng)有效的電源去耦電路能很好的抑制噪聲，提高可靠性，因而靠近VDD和1.8V電源引腳配置了去耦電容C27～C37。晶振電路給內(nèi)部操作提供必要的時(shí)序，本設(shè)計(jì)配置了16MHz晶振，匹配電容C41和C42的值均為27pF。對于射頻電路，天線的性能直接決定了能否正常進(jìn)行無線通信，根據(jù)CC2420天線選擇指南，綜合考慮成本、性能和適用環(huán)境，本設(shè)計(jì)選用的是2.4GHz差分天線。這種天線直接做在PCB板上，適用于低功耗設(shè)計(jì)，成本低，占空間小，形狀如圖6所示，電感L1和L2用來平衡射頻端口與PCB天線之間的阻抗。CC2420通過SPI接口和STM8S105C6T6單片機(jī)進(jìn)行通信。

圖3 CC2420應(yīng)用電路

2 電路抗干擾設(shè)計(jì)
由于是高頻電路，器件的相互干擾變得尤為敏感，為保證系統(tǒng)長期穩(wěn)定、可靠的運(yùn)行，建議在電路設(shè)計(jì)中采取以下措施：

● 采用四層PCB板，頂層主要走信號(hào)線，頂層下面依次是地平面層、電源平面層和底層，為防止高頻信號(hào)的輻射和串?dāng)_，應(yīng)盡量縮小信號(hào)回路面積，同時(shí)采用多點(diǎn)接地，降低接地阻抗；

● CC2420芯片底部必須采用少量過孔與地相連，保證芯片體可靠接地；

● 去耦電容必須盡可能靠近3V和1.8V電源引腳，并且電容接地端通過過孔就近接地，去耦電容的充放電作用使集成芯片得到的供電電壓比較平穩(wěn)，減少了電壓振蕩現(xiàn)象；

● 芯片外圍器件的體積應(yīng)盡可能的小，建議使用0402規(guī)格的阻容器件；

● 將CC2420和STM8S105C6T6未用的信號(hào)輸入引腳通過一個(gè)10kΩ電阻上拉到高電平或下拉到低電平，因?yàn)殚_路的輸入端有很高的輸入阻抗，很容易受外界的電磁干擾，使懸浮電平有時(shí)處于‘1’，有時(shí)處于‘1’到‘0’的過渡狀態(tài)，易引起邏輯電路的誤導(dǎo)通。

監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)軟件設(shè)計(jì)
由于監(jiān)測節(jié)點(diǎn)供電的有限性，節(jié)能是監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)軟件設(shè)計(jì)時(shí)重點(diǎn)考慮的問題。

1 幀格式定義
為降低功耗，本設(shè)計(jì)沒有采用IEEE 802.15.4規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)幀格式，而是對其進(jìn)行了簡化，降低了數(shù)據(jù)幀的長度，如表1所示。前導(dǎo)碼和幀起始分隔符（Start of Frame Delimiter，SFD）用于標(biāo)志一幀數(shù)據(jù)的開始和結(jié)束。數(shù)據(jù)幀發(fā)送時(shí)，CC2420自動(dòng)在數(shù)據(jù)包的開始處加上前導(dǎo)碼和SFD，在數(shù)據(jù)包末尾自動(dòng)加上CRC校驗(yàn)碼（即幀檢查序列）。接收時(shí)，當(dāng)CC2420檢測到前導(dǎo)碼和SFD時(shí)開始接收幀長度以及后面的數(shù)據(jù)。幀長度為源地址、目的地址、負(fù)載和幀檢查序列的總字節(jié)數(shù)，這里為0x07。在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)備都有唯一的地址，發(fā)送者為源地址，接收者為目的地址。

2 電源管理
為提高監(jiān)測系統(tǒng)的使用壽命，本設(shè)計(jì)采用了一種定更巡回監(jiān)測工作方式，具體過程如下：通過內(nèi)部時(shí)鐘的定時(shí)同步，監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)在工作周期和休眠周期之間循環(huán)輪轉(zhuǎn)。當(dāng)工作周期一到，監(jiān)測節(jié)點(diǎn)先對自己所在位置的壓力和流量進(jìn)行檢測并暫存在緩沖區(qū)中，然后關(guān)閉傳感器電源，接著打開CC2420的電源進(jìn)行數(shù)據(jù)幀的封裝和收發(fā)。若工作周期沒有結(jié)束，監(jiān)測節(jié)點(diǎn)就自動(dòng)進(jìn)行下一次的數(shù)據(jù)檢測和收發(fā)。當(dāng)工作周期結(jié)束，監(jiān)測節(jié)點(diǎn)就關(guān)閉CC2420的電源，進(jìn)入休眠周期，主程序流程圖4所示。

圖4 監(jiān)測節(jié)點(diǎn)主程序流程圖

性能測試
根據(jù)上述方案，我們設(shè)計(jì)了4個(gè)樣品進(jìn)行了模擬實(shí)驗(yàn)。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，由于節(jié)點(diǎn)大部分時(shí)間處于發(fā)送、接收或者休眠狀態(tài)，節(jié)點(diǎn)完成一次數(shù)據(jù)檢測所用時(shí)間比以上3個(gè)狀態(tài)所用的時(shí)間小得多，而且一旦數(shù)據(jù)檢測完成就立即關(guān)閉傳感器電源，因而功耗也相對較小，故測試時(shí)沒有計(jì)入傳感器部分功耗。根據(jù)實(shí)際測試，節(jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)、接受數(shù)據(jù)和休眠時(shí)的平均功耗分別約為23.4mA、20mA和2μA。從整個(gè)數(shù)據(jù)傳遞過程看，節(jié)點(diǎn)處于接收狀態(tài)的時(shí)間遠(yuǎn)大于其發(fā)送數(shù)據(jù)所占用的時(shí)間。單個(gè)節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)間之比R和投入節(jié)點(diǎn)的總量及節(jié)點(diǎn)所處的位置有關(guān)。假設(shè)有100個(gè)監(jiān)測節(jié)點(diǎn)，呈鏈狀分布，按照所設(shè)計(jì)的傳輸協(xié)議分析，R值在1.5左右。通過計(jì)算一天當(dāng)中節(jié)點(diǎn)的平均耗電流IAV，可算出其使用天數(shù)。IAV計(jì)算公式如下：

  （1）
其中，ITX、IRX、ISleep分別表示節(jié)點(diǎn)處于發(fā)送、接收和休眠狀態(tài)的平均功耗，單位mA；α、β、γ分別為24小時(shí)當(dāng)中節(jié)點(diǎn)發(fā)送、接收和休眠所占用的時(shí)間比例。

若采用一節(jié)12V、23A的五號(hào)干電池作電源，節(jié)點(diǎn)一天當(dāng)中接收和發(fā)送時(shí)間總和不超過6小時(shí)，則節(jié)點(diǎn)的使用壽命可達(dá)2年以上。

結(jié)語
依據(jù)ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)要求，本文設(shè)計(jì)開發(fā)了一種用于輸油管泄漏監(jiān)測的傳感器節(jié)點(diǎn)模塊。經(jīng)調(diào)試，該節(jié)點(diǎn)在模擬試驗(yàn)中應(yīng)用良好，可實(shí)現(xiàn)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間的無線通信，能用LED指示接收、發(fā)送和應(yīng)答等信息，功耗低，基本達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。