CC2430芯片在油田安防監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用

引言

油田油庫通常分布于遠(yuǎn)離城市、地廣人稀的區(qū)域，工作人員巡檢的工作量和勞動(dòng)強(qiáng)度都很大。這樣，一方面存在工作效率低下、浪費(fèi)人力的問題，也容易出現(xiàn)人員違規(guī)操作、筆誤、作假等隱患，從而導(dǎo)致信息不能正確的反饋；另一方面，也會(huì)造成異常情況不能及時(shí)得到監(jiān)測(cè)和解決,容易造成不可估計(jì)的經(jīng)濟(jì)損失。另外，各鉆井平臺(tái)之間地域遙遠(yuǎn)且地形復(fù)雜，使得通信十分不便。而架設(shè)一個(gè)龐大的有線通信系統(tǒng)是一個(gè)費(fèi)時(shí)又耗資金的過程，同時(shí)，電纜穿過煉油廠可能存在潛在危險(xiǎn)，所有這些客觀條件使得在油田中搭建無線網(wǎng)絡(luò)成為一種必然趨勢(shì)。

大型油田油庫管理系統(tǒng)中的安防產(chǎn)品主要是視頻監(jiān)控和防盜報(bào)警兩大類，二者的聯(lián)合應(yīng)用已成為保障油田油庫安全的重要手段。但是，遠(yuǎn)距離實(shí)時(shí)視頻傳輸通信的費(fèi)用會(huì)給油田企業(yè)帶來很大的開銷。而事實(shí)上，油田周邊的安全隱患并不是時(shí)時(shí)刻刻都發(fā)生的,所以連續(xù)實(shí)時(shí)的發(fā)送視頻圖像完全是一種資源浪費(fèi)。鑒于此，本文設(shè)計(jì)了一種可在監(jiān)測(cè)前端實(shí)現(xiàn)異常信息識(shí)別,而在通信線路上只傳輸具有安全隱患時(shí)刻的視頻圖像信息的安防系統(tǒng)，該系統(tǒng)可大大減少通信線路上的信息量,降低通信成本

1  系統(tǒng)設(shè)計(jì)1.1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

此監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可對(duì)油井的井場(chǎng)進(jìn)行全天候的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)⑵，系統(tǒng)包括井場(chǎng)區(qū)的監(jiān)測(cè)前端、信息轉(zhuǎn)發(fā)基站和遠(yuǎn)端的監(jiān)控中心，監(jiān)測(cè)前端與基站之間采用無線傳感網(wǎng)絡(luò)，基站與監(jiān)控中心通過GPRS網(wǎng)絡(luò)相連。監(jiān)測(cè)前端可以實(shí)現(xiàn)信息的采集和識(shí)別，以產(chǎn)生所需要的報(bào)警信號(hào);無線網(wǎng)絡(luò)和GPRS網(wǎng)絡(luò)是系統(tǒng)的通信傳輸部分;監(jiān)測(cè)中心的功能相對(duì)簡單，只是接收所傳來的異常信號(hào)，然后啟動(dòng)報(bào)警裝置來通知相關(guān)工作人員，再由工作人員根據(jù)報(bào)警所在地進(jìn)行相關(guān)的遠(yuǎn)程調(diào)度和控制。圖1所示是本系統(tǒng)的總體框圖。

1.2  硬件模塊選擇

本系統(tǒng)中的井區(qū)監(jiān)測(cè)前端分設(shè)了三個(gè)模塊，分別為火災(zāi)監(jiān)測(cè)模塊、溫度監(jiān)測(cè)模塊和入侵監(jiān)測(cè)模塊。當(dāng)然，也可以根據(jù)實(shí)際需要增刪相應(yīng)的模塊，其工作原理都是一樣的。監(jiān)測(cè)前端包括普通攝像頭、電子欄桿、溫度傳感器、圖像處理模塊、無線模塊、GPRS模塊等。

本系統(tǒng)所搭建的無線傳感網(wǎng)絡(luò)的核心部分是具有微控制器和無線通信功能的無線模塊，無線模塊選用的CC2430芯片是美國TI公司推出的全新概念的新一代ZigBee無線單片機(jī)系列器件。

它在單個(gè)芯片上整合了ZigBee（RF）前端、內(nèi)存和8051微控制器，同時(shí)具有128KB可編程閃存和8kB的RAM、一個(gè)DMA控制器、8個(gè)14位ADC、四個(gè)定時(shí)器（可支持典型的定時(shí)/計(jì)數(shù)功能，例如輸入捕捉、比較輸出和PWM功能）、可編程看門狗、AES128協(xié)處理器、上電復(fù)位電路、掉電檢測(cè)電路、兩個(gè)可編程USART（用于主/從SPI或UART操作）以及21個(gè)可編程I/O引腳。該芯片采用0.18MOS工藝生產(chǎn)，在接收和發(fā)射模式下，電流損耗分別低于27mA和25mA,非常適用于低成本、低功耗要求的工控系統(tǒng)。

在監(jiān)測(cè)前端,攝像頭拍攝的井場(chǎng)區(qū)的圖像信息最終要轉(zhuǎn)換成CC2430模塊所能轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)字信號(hào)。目前,基于圖像處理的很多DSP模塊都很成熟，因此，本系統(tǒng)中圖像處理部分的功能由CIS嵌入式高速智能掃描平臺(tái)Wispeed200來完成。該產(chǎn)品采用嵌入式技術(shù)，基于“DSP+FPGA”硬件結(jié)構(gòu)，模塊由CIS接口經(jīng)過AD將獲得的數(shù)字信號(hào)傳送到FPGA,在FPGA內(nèi)部完成圖像的拼接和相關(guān)時(shí)鐘的產(chǎn)生洞時(shí)完成與DSP的接口轉(zhuǎn)換和通信。再由FPGA將最終的圖像傳送到DSP進(jìn)行處理,處理完成后的結(jié)果由DSP的UART口傳送到CC2430無線模塊。

1.3  硬件接口設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)監(jiān)測(cè)前端各部分的硬件框圖如圖2所示。

無線模塊的基本電路主要由電源、復(fù)位電路、串口連接電路和無線收發(fā)電路組成?？蓪?shí)現(xiàn)串口數(shù)據(jù)的無線收發(fā)功能。

溫度傳感器選用DS18B20芯片，該芯片使用單總線方式與處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，其中DQ線接到CC2430的一個(gè)I/O口上用于讀取數(shù)據(jù)，這里選擇P1.0引腳。圖3所示是系統(tǒng)終端電路的連接圖。

由于單總線為開漏，所以需要外接一個(gè)4.7kQ的上拉電阻。系統(tǒng)中的電子欄桿使用的是深圳龍安電子有限公司生產(chǎn)的紅外對(duì)射3光束電子欄桿，它的數(shù)據(jù)傳輸采用SPI連接方式,可使用USART0設(shè)置為SPI方式和位置2,MISO線連接P1.4引腳以進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸;SCK數(shù)據(jù)線連接到P1.3引腳，負(fù)責(zé)處理器和輸入設(shè)備的通訊同步。Wispeed200圖像處理模塊通過UART接口與處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，可使用USART1設(shè)置為UART方式和位置1,其中RXD數(shù)據(jù)線和TXD數(shù)據(jù)線分別接CC2430的P0.5引腳和P0.4引腳。

2  軟件設(shè)計(jì)

2.1  監(jiān)測(cè)終端的程序設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)終端采用CC2430無線模塊還需要對(duì)各串口進(jìn)行配置，包括信息釆集程序、時(shí)鐘信號(hào)的釆集程序、無線模塊控制程序、定時(shí)中斷子程序、數(shù)據(jù)通信子程序、看門狗監(jiān)控定時(shí)處理程序等。

IEEE802.15.4規(guī)定的RF物理層工作頻段為2.4GHz,共有16個(gè)頻道。監(jiān)測(cè)終端和基站中的無線模塊的RF必須工作在相同的頻道上，這樣，才能夠互相收發(fā)數(shù)據(jù)。監(jiān)測(cè)終端CC2430無線模塊完成一次數(shù)據(jù)發(fā)送的程序流程圖如圖4所示，而基站中無線模塊完成一次數(shù)據(jù)接收的程序流程圖如圖5所示。

系統(tǒng)初始化主要是將系統(tǒng)工作頻率設(shè)為

32MHz的晶振頻率，這樣RF才能正常工作。RF初始化時(shí)，先設(shè)置通信頻率，再通過設(shè)置RFPWR.RREG_RADIO_PD位為1給RF供電。此外,RF初始化的過程還包括開啟Rx,清空Rx、Tx的FiFo緩沖區(qū)以及校準(zhǔn)天線等。

數(shù)據(jù)接收過程同樣也需要設(shè)置系統(tǒng)工作頻率為32MHz,且應(yīng)確保Rx工作在與Tx相同的頻道上，并需設(shè)置DMA通道。

CC2430包含了較多的自定義SFR寄存器，如何使用好這些寄存器是很關(guān)鍵的。在對(duì)USART的控制操作中，控制寄存器和狀態(tài)寄存器分別為UxUCR和UxCSR。它們都是8位寄存器，操作時(shí)可通過設(shè)置相應(yīng)的位狀態(tài)來完成對(duì)USART的基本設(shè)置，其代碼如：

SETU1CSR.MODE ；選擇USART1為UART模式

SETU1CSR.RE ；允許USART1接收數(shù)據(jù)

此外,CC2430串口波特率的設(shè)置與一般的80561有些不同，因?yàn)樗鼉?nèi)部集成了一個(gè)波特率發(fā)生器，所以，設(shè)計(jì)時(shí)只需設(shè)置相關(guān)的寄存器UxBAUD的BAUD_M[7：0]位和UxGCR的BAUD_E[4：0]位即可。

其波特率計(jì)算公式為：

其中，f為系統(tǒng)時(shí)鐘頻率,在該系統(tǒng)中為32MHz,執(zhí)行下列語句，就可以得到9600b/s的串口波特率：

MOV U1GCR,#08H

MOV U1BAUD,#3BH ;設(shè)置波特率為9600b/s

2.2  監(jiān)測(cè)中心軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)前端與后臺(tái)中心的通訊可分為定時(shí)通訊和應(yīng)急通訊，即在正常情況下的信號(hào)由基站向監(jiān)測(cè)中心每一、兩個(gè)小時(shí)傳送一次，而遇到緊急情況時(shí)則立即通訊。這樣可極大減少網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)男畔⒘浚档屯ㄐ懦杀?。監(jiān)測(cè)中心使用Windows服務(wù)器來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收、判斷和啟動(dòng)報(bào)警器的功能。中心軟件的設(shè)計(jì)可釆用VC十十編程語言。VC++的MFC類庫提供有CAsyncSocket套接字庫，用它可以很方便地實(shí)現(xiàn)Socket編程。

3  結(jié)語

設(shè)計(jì)該系統(tǒng)的意義在于系統(tǒng)中CC2430無線網(wǎng)絡(luò)模塊成本小，功耗低,且在系統(tǒng)前端就可實(shí)現(xiàn)異常識(shí)別,通信線路上只傳輸簡單的數(shù)字信號(hào)，故可減少網(wǎng)絡(luò)流量，降低通信成本。通過監(jiān)控中心的集中監(jiān)測(cè)，可以實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一部署管理和調(diào)度，及時(shí)發(fā)現(xiàn)油井周邊的異常等情況,從而有效防止設(shè)備被損壞或盜油事件的發(fā)生,減少經(jīng)濟(jì)損失，從而提高了企業(yè)整體效率和競(jìng)爭(zhēng)能力，也提高了預(yù)測(cè)突發(fā)事件的能力和緊急情況下的快速反應(yīng)能力，帶來潛在的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。

另外，由于該系統(tǒng)要在露天野外的環(huán)境下長期工作，使用環(huán)境相對(duì)惡劣（如干旱少雨、風(fēng)沙侵蝕，冬季溫度很低、夏季溫度很高等客觀條件的影響），因而會(huì)對(duì)系統(tǒng)形成一定的干擾，容易發(fā)生誤判。所以，該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)還應(yīng)該在以下方面進(jìn)一步完善：比如前端硬件要選擇高性能、高穩(wěn)定性的成熟器件;傳感器要靈敏，攝像頭要清晰，并應(yīng)對(duì)設(shè)備進(jìn)行有效保護(hù)，防雷防爆O在傳輸報(bào)警信號(hào)時(shí)，可以采用連續(xù)多次發(fā)送同一報(bào)警信號(hào)的方式來降低誤判率。產(chǎn)品安裝及維護(hù)也要盡量做到快速方便,維護(hù)迅速準(zhǔn)確，以降低成本價(jià)格，盡量實(shí)現(xiàn)較高的性價(jià)比。