尚曉新

（河南省開封市技師學(xué)院，開封 475004）

0 引言

天然氣作為一種潔凈度高、熱度高的氣體能源，用途十分廣泛，且具有易燃易爆的特性，因此，其運(yùn)輸載體天然氣管道的安全性受到了廣泛關(guān)注[1,2]。

傳統(tǒng)的對(duì)天然氣管道進(jìn)行檢測(cè)的方式是采用人力巡邏[3]，借助便攜式檢測(cè)器進(jìn)行管道檢測(cè)，但這種方式不能滿足實(shí)時(shí)性的要求，所以不能有效保證天然氣管道的安全。

目前已有的將ZigBee[4]應(yīng)用于天然氣管道監(jiān)控的主要工作有文獻(xiàn)[5～7]。文獻(xiàn)[5]實(shí)現(xiàn)了一種新型的管網(wǎng)安全監(jiān)測(cè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)施工破壞、小泄漏等情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。文獻(xiàn)[6]設(shè)計(jì)了一種基于嵌入式ARM-Linux和LabView的分布式管道泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。文獻(xiàn)[7]基于微控制器MSP430和射頻模塊CC2430設(shè)計(jì)了基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的管道安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

上述工作具有重要的意義，但是無(wú)法對(duì)天然氣管道的各個(gè)指標(biāo)進(jìn)行有效的監(jiān)控，所以本文提出一種基于ZigBee無(wú)線通信技術(shù)的天然氣管道監(jiān)控系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了壓力、溫度、加速度傳感器等對(duì)天然氣管道的各個(gè)引發(fā)事故的參數(shù)進(jìn)行全面的監(jiān)控。

1 天然氣管道監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

天然氣管道監(jiān)控系統(tǒng)主要包含采用ZigBee通信技術(shù)的監(jiān)測(cè)區(qū)域、ZigBee中心節(jié)點(diǎn)、傳輸網(wǎng)絡(luò)以及遠(yuǎn)程控制中心所組成，其組成結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)層次框圖

ZigBee網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)區(qū)域主要負(fù)責(zé)信息的采集和發(fā)送，主要由ZigBee終端節(jié)點(diǎn)和ZigBee中心節(jié)點(diǎn)組成。

ZigBee終端節(jié)點(diǎn)包含傳感器節(jié)點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn)。傳感器節(jié)點(diǎn)用于實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的采集，路由節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和數(shù)據(jù)的路由傳遞，這兩種節(jié)點(diǎn)都是由ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的精簡(jiǎn)功能物理設(shè)備RFD組成，且安裝在天然氣管道的外壁上，實(shí)現(xiàn)對(duì)天然氣各種監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的感知。

ZigBee中心節(jié)點(diǎn)通過串口接收由傳感器和路由節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，并進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換，將融合后的數(shù)據(jù)通過GPRS/CDMA移動(dòng)通信網(wǎng)發(fā)送到遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫(kù)，此時(shí)遠(yuǎn)程控制中心的客戶端可以直接對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取和訪問，ZigBee中心節(jié)點(diǎn)屬于ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的全功能物理設(shè)備，具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理、存儲(chǔ)和通信能力，其作用類似于網(wǎng)關(guān)。

2 ZigBee終端節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

ZigBee終端節(jié)點(diǎn)包含傳感器節(jié)點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn)，均由數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、無(wú)線通信模塊和能源供應(yīng)模塊組成。

2.1 數(shù)據(jù)處理模塊和無(wú)線通信模塊設(shè)計(jì)

采用TI公司的符合IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的ZigBee產(chǎn)品CC2430片上系統(tǒng)芯片作為數(shù)據(jù)處理模塊和無(wú)線通信模塊的解決方案，它含有8051MCU內(nèi)核、高性能的RF收發(fā)機(jī)和14位的ADC，只需要加上少量外圍電路就可以完成數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送，使得各種功能僅需一塊芯片就能完成，降低了節(jié)點(diǎn)的功耗。節(jié)點(diǎn)的硬件框圖如圖2所示。

圖2 ZigBee終端節(jié)點(diǎn)硬件框圖

微控制器采用CC2430集成的8051MCU內(nèi)核，主要負(fù)責(zé)任務(wù)調(diào)度和通信，并通過嵌入式操作系統(tǒng)uC/OSⅡ，對(duì)傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行收集和處理，最終通過射頻模塊發(fā)送給其他ZigBee路由節(jié)點(diǎn)或ZigBee中心節(jié)點(diǎn)。

圖3 CC2430電路圖

射頻模塊采用CC2430集成的CC2420無(wú)線通信模塊，CC2420射頻模塊滿足IEEE802.15.4無(wú)線通信技術(shù)的2.4GHz的RF射頻芯片，工作頻率范圍為2.4GHz-2.4835GHz，它基于SMARTRF03技術(shù)，并采用0.18umCMOS精湛工藝，僅需少量外部電路，易于擴(kuò)展，是一款具有較高集成工藝的產(chǎn)品，采用DSSS直接序列擴(kuò)頻方式，具有很強(qiáng)的抗干擾能力，與射頻模塊約定碼頭片外的同頻率數(shù)據(jù)會(huì)被視為噪聲而被過濾，非常適合天然氣管道監(jiān)控的野外環(huán)境。

CC2430芯片還包含JTAG接口，用于實(shí)現(xiàn)仿真器和其進(jìn)行連接；同時(shí)還有晶振電路接口XTAL2和XTAL2分別用于進(jìn)行組網(wǎng)和使節(jié)點(diǎn)進(jìn)行低功耗休眠。CC2430芯片電路圖如圖3所示：

2.2 數(shù)據(jù)采集模塊

傳感器節(jié)點(diǎn)包含氣體傳感器、加速度傳感器和溫度傳感器。

氣體檢測(cè)采用可燃?xì)怏wMQ-309A傳感器，由于天然氣管道一旦發(fā)生泄漏，附著在天然氣外管壁上的傳感器就能根據(jù)濃度變化進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和檢測(cè)，且其具有電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，方便集成的優(yōu)點(diǎn)。

對(duì)天然氣管道周邊所出現(xiàn)的非法的挖掘、施工、人為破壞能產(chǎn)生的撞擊和振動(dòng)的檢測(cè)采用ADXL202傳感器，它具有低成本、低功耗的優(yōu)點(diǎn)，其內(nèi)置信號(hào)處理電路能將振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)進(jìn)行輸出。

對(duì)天然氣管道周邊溫度的檢測(cè)采用SHT71數(shù)字傳感器，其通過P0.2和P0.3與MCU進(jìn)行通信，能實(shí)現(xiàn)對(duì)天然氣管道周圍溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集。

為了增強(qiáng)擴(kuò)展性，在CC2430芯片上增加了傳感器擴(kuò)展接口，用于根據(jù)應(yīng)用需求增加新的傳感器。

3 ZigBee中心節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

ZigBee中心節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)將收集的數(shù)據(jù)通過GPRS模塊發(fā)送到遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫(kù)，其硬件組成如圖4所示。

圖4 ZigBee中心節(jié)點(diǎn)框圖

微控制器采用ATMEL公司的AVR系列的9位低功耗ATmega128L芯片，具有128KB的FLASH和4KB的SRAM，具有8個(gè)10位的ADC通道以及UART、SPI、I2C和 JTAG等接口，JTAG支持調(diào)試和編程。

射頻模塊采用CC2420芯片。

GPRS模塊采用西門子公司的MC35i芯片。其具支持GSM900/GSM 1800，具有體積小、功耗低，以及能提供數(shù)據(jù)、語(yǔ)音等功能，GPRS與ATmega128L芯片之間通過串行接口進(jìn)行連接。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件采用TI公司的Z-Stack協(xié)議棧，硬件抽象層(HAL)提供各種硬件模塊驅(qū)動(dòng)，包括定時(shí)器Timer，通用I/O接口GPIO, 通用異步收發(fā)傳輸器UART，模數(shù)轉(zhuǎn)換ADC及應(yīng)用程序接口API。操作系統(tǒng)抽象層OSAL則通過時(shí)間片輪轉(zhuǎn)函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)任務(wù)調(diào)度，提供多任務(wù)處理機(jī)制。

Z-Stack協(xié)議棧采用事件輪詢機(jī)制，首先初始化硬件和軟件，然后進(jìn)入休眠低功耗模式，只有當(dāng)有事件發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)才會(huì)被喚醒，并進(jìn)入中斷服務(wù)子程序，進(jìn)行事件處理，當(dāng)多個(gè)事件同時(shí)到達(dá)時(shí)，根據(jù)優(yōu)先級(jí)決定處理的先后順序，軟件流程如圖5所示。

5 系統(tǒng)測(cè)試

圖5 ZigBee協(xié)議棧軟件流程

為了對(duì)文中設(shè)計(jì)的監(jiān)控系統(tǒng)方案進(jìn)行驗(yàn)證，在天然氣管道上放置8個(gè)氣體傳感器、加速度傳感器和溫度傳感器，傳感器在采集了各種氣體、振動(dòng)、溫度信息后，將其發(fā)送給ZigBee中心節(jié)點(diǎn)，ZigBee中心節(jié)點(diǎn)通過串口收集數(shù)據(jù)并通過GPRS傳送到遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫(kù)中，供遠(yuǎn)程控制中心客戶端訪問，客戶端界面如圖6所示。

圖6 客戶端監(jiān)控界面

當(dāng)選擇查詢的時(shí)間段后，再點(diǎn)擊“確定”按鈕，則各傳感器節(jié)點(diǎn)的相應(yīng)數(shù)值可以從數(shù)據(jù)庫(kù)中讀出，如圖6所示，可以看出文中方法能實(shí)現(xiàn)天然氣管道的氣體濃度、振動(dòng)和溫度等信息的有效采集，當(dāng)數(shù)據(jù)超過閥值時(shí)，使用“藍(lán)色高亮顯示”，并提示采取應(yīng)急措施，避免事故發(fā)生。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種基于ZigBee無(wú)線通信技術(shù)的天然氣監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)天然氣管道的實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)控。首先，設(shè)計(jì)了ZigBee終端節(jié)點(diǎn)和中心節(jié)點(diǎn)的硬件框圖，然后對(duì)ZigBee協(xié)議棧的軟件流程進(jìn)行了描述。最后，通過運(yùn)行遠(yuǎn)程客戶端監(jiān)控系統(tǒng)程序?qū)ξ闹蟹椒ㄟM(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明系統(tǒng)能實(shí)時(shí)采集氣體濃度、振動(dòng)以及溫度信息，有效地克服了傳統(tǒng)方法的不足，具有重大的意義。

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