徐功文，張志軍，楊磊，杜向華

(山東建筑大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東 濟(jì)南 250101)

0 引言

熱力管道通常分為供暖熱力管道和工業(yè)熱力管道兩類(lèi)，是社會(huì)經(jīng)濟(jì)建設(shè)和人民生活的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，在經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活中發(fā)揮著不可替代的作用;隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)，人民生活水平的不斷提高，城市人口密度的不斷增大，對(duì)城市熱力管道建設(shè)的要求也越來(lái)越高。

與此同時(shí)，熱力管道存在著安全隱患，國(guó)內(nèi)外發(fā)生過(guò)不同程度的熱力管道爆炸事件。2007年7月20的紐約熱力管道爆炸，造成多人傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，交通癱瘓，同時(shí)居民誤以為是恐怖襲擊而造成很大心理影響;國(guó)內(nèi)也發(fā)生過(guò)多起熱力管道爆炸事件。熱力管道爆炸，大多是因?yàn)楣艿览匣l(fā)生漏氣、漏水，或者因?yàn)橛旰蠓e水或大量污水聚在熱力管道周?chē)?，不斷氣化形成大量蒸汽聚集難以疏散，壓力過(guò)高而引起;同時(shí)，管道內(nèi)部壓力過(guò)大而造成的管道爆炸也時(shí)有發(fā)生。管道爆炸一方面會(huì)對(duì)交通、公共設(shè)施或路人的生命安全等造成很大的威脅，另一方面也造成水資源和熱力資源的浪費(fèi)。

在德國(guó)、瑞典等國(guó)家，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制下的管道狀態(tài)檢測(cè)作業(yè)，管道內(nèi)檢測(cè)技術(shù)包括測(cè)徑器檢測(cè)法、超聲波檢測(cè)法、漏磁檢測(cè)法等;這些管道內(nèi)檢測(cè)技術(shù)在石油管道、給排水管道中得到了普遍的應(yīng)用，但在熱力管道中應(yīng)用較少。主要因?yàn)檫@些方法都需要停止供熱并冷卻后進(jìn)行檢測(cè)，只能間斷進(jìn)行，易發(fā)生停運(yùn)的事故，并且設(shè)備造價(jià)較高[1]。

陳書(shū)旺，等人根據(jù)地下管道的紅外成像來(lái)檢測(cè)，這種方法由于其測(cè)量的是地表溫度，因此受環(huán)境影響相當(dāng)大。另外，當(dāng)目標(biāo)與環(huán)境的溫度差很小的時(shí)候，測(cè)量極為困難，這也是此方法的局限性[2]。袁朝慶等研究人員根據(jù)光纖光柵溫度傳感技術(shù)來(lái)檢測(cè)熱力管道泄漏，該方法需要布設(shè)光纖，購(gòu)置光纖光柵網(wǎng)絡(luò)分析儀，成本較高[3]。

論文設(shè)計(jì)的城市熱力管道檢測(cè)系統(tǒng)，不存在布線(xiàn)問(wèn)題，節(jié)省成本，測(cè)量信息精確度高，而且具有安全性、靈活性、可靠性、可管理等優(yōu)點(diǎn)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

熱力管道檢測(cè)系統(tǒng)主要完成管道內(nèi)流體的實(shí)時(shí)信息檢測(cè)、故障報(bào)警等任務(wù)，防止意外事故的發(fā)生，保障居民的生活和生產(chǎn)安全，同時(shí)也避免熱力資源的浪費(fèi)。本論文基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、ZigBee協(xié)議構(gòu)建城市熱力管道檢測(cè)系統(tǒng)，在熱力管道的關(guān)鍵部位部署傳感器節(jié)點(diǎn)，并通過(guò)無(wú)線(xiàn)信號(hào)傳輸所采集的信息，對(duì)城市、大型工業(yè)公司或居民小區(qū)的主供熱管道及其重要分支進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，以達(dá)到檢測(cè)熱力管道的目的。

論文設(shè)計(jì)的檢測(cè)系統(tǒng)主要包括傳感器節(jié)點(diǎn)、無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)和檢測(cè)平臺(tái)三部分，如圖1所示。

本系統(tǒng)所研發(fā)的傳感器節(jié)點(diǎn)就是一種可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)組網(wǎng)、自動(dòng)通訊的智能物聯(lián)網(wǎng)ZigBee無(wú)線(xiàn)數(shù)傳模塊，它們能夠耐高溫、高壓，實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)。傳感器節(jié)點(diǎn)在管道接口處置放于管道內(nèi)，熱力管道一般長(zhǎng)度在6m，每隔5根熱力管道布置一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，傳感器節(jié)點(diǎn)間距離為30m左右。傳感器采集的數(shù)據(jù)由采用ZigBee技術(shù)的無(wú)線(xiàn)通信芯片發(fā)送出去。這些傳感器只需要很低的功耗，以接力的方式通過(guò)無(wú)線(xiàn)電波將數(shù)據(jù)從一個(gè)傳感器傳到另一個(gè)傳感器，它們的通信效率非常高。數(shù)據(jù)最后由ZigBee路由節(jié)點(diǎn)融合匯聚、通過(guò) ZigBee協(xié)調(diào)器收集到上位機(jī)[4]。

圖1 熱力管道檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，根據(jù)距離的遠(yuǎn)近和障礙物情況布設(shè)ZigBee主協(xié)調(diào)器和路由器。整個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)還可以與現(xiàn)有的其它的各種網(wǎng)絡(luò)連接。例如可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控某個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)。

檢測(cè)平臺(tái)接收、顯示、存儲(chǔ)傳感器網(wǎng)絡(luò)送來(lái)的溫度、流量、壓力等數(shù)據(jù);然后進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，防止意外事故的出現(xiàn)。

2 傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

傳感器節(jié)點(diǎn)主要完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?，通過(guò)傳感器采集環(huán)境數(shù)據(jù)，包括溫度、流量、壓力等，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，經(jīng)由處理器處理，最后由射頻模塊把采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到相鄰的傳感器節(jié)點(diǎn)。

節(jié)點(diǎn)需要集成PIC18F4620控制器、CC2420無(wú)線(xiàn)通信芯片、以及壓力傳感器、流量傳感器、溫度傳感器三種類(lèi)型的傳感器。

PIC18F4620是Microchip公司推出的8位微處理器，具有多種省電模式可供選擇，降低功耗，具有13個(gè)10位A/D轉(zhuǎn)換器、4個(gè)定時(shí)器、36個(gè)I/O接口。CC2420是Chipcon公司推出的2.4GHz ISM公用頻道的射頻收發(fā)器，具有功耗低、抗干擾能力強(qiáng)等特定，可以滿(mǎn)足10到100m的通信距離;主要實(shí)現(xiàn)物理層的數(shù)據(jù)收發(fā)和底層控制[5]。

微處理器PIC18F4620和CC2420之間通過(guò)SPI(Serial Peripheral Interface)接口相連，進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和命令傳遞;傳感器采用具有I2C總線(xiàn)接口的耐高溫、高壓的數(shù)字智能傳感器;微處理器通過(guò)I2C總線(xiàn)與傳感器模塊連接[6]。

CC2420采用低電壓供電并具有休眠模式，從休眠模式到激活模式時(shí)延短，功耗大大降低;PIC18F4620也是一款點(diǎn)電壓供電的設(shè)備，具有運(yùn)行、空閑、休眠等三種功耗管理模式。PIC處理器和CC2420芯片搭建的平臺(tái)體積小、功耗低，采用兩節(jié)五號(hào)電池供電，休眠待機(jī)電流在0.2mA左右[7]。

傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)

2.2 ZigBee協(xié)議棧

圖3 ZigBee協(xié)議棧架構(gòu)

ZigBee技術(shù)的核心是其協(xié)議棧代碼，這些代碼與硬件平臺(tái)配合，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)以及路由計(jì)算等功能。本設(shè)計(jì)采用Microchip公司的ZigBee協(xié)議棧，該協(xié)議棧是針對(duì)該公司的PIC18F系列單片機(jī)加CC2420的節(jié)點(diǎn)平臺(tái)架構(gòu)而設(shè)計(jì)的，主要用于低功耗、低成本設(shè)備的連接，這些功能特點(diǎn)符合熱力管道數(shù)據(jù)采集的需求。協(xié)議開(kāi)發(fā)采用MPLAB ICD2仿真器，該仿真器是Microchip公司為PIC18系列單片機(jī)設(shè)計(jì)的一種在線(xiàn)調(diào)試開(kāi)發(fā)工具。用C語(yǔ)言來(lái)開(kāi)發(fā)，C語(yǔ)言代碼效率高、軟件調(diào)試直觀、系統(tǒng)維護(hù)升級(jí)方便、代碼的重復(fù)利用率高、便于跨平臺(tái)移植。

圖3為 ZigBee協(xié)議棧架構(gòu)，IEEE 802.15.4滿(mǎn)足OSI定義的最下面兩層:物理層和 MAC層;ZigBee聯(lián)盟設(shè)計(jì)了網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。每一個(gè)層次有相關(guān)代碼，在獨(dú)立的源文件里。服務(wù)和API接口在頭文件中定義。為了實(shí)現(xiàn)模塊化，上一層協(xié)議會(huì)定義完善的API接口，同下一層進(jìn)行交互。用戶(hù)應(yīng)用程序和應(yīng)用支持子層以及應(yīng)用層交互;應(yīng)用層模塊提供協(xié)議棧管理功能，用戶(hù)的應(yīng)用程序通過(guò)該模塊實(shí)現(xiàn)協(xié)議棧的管理。應(yīng)用支持子層提供ZigBee端點(diǎn)設(shè)備的接口，通過(guò)該層打開(kāi)或關(guān)閉端點(diǎn)，并收發(fā)數(shù)據(jù);應(yīng)用支持子層同時(shí)還提供間接發(fā)送緩沖器，以存儲(chǔ)間接幀，直到接收方索取這些數(shù)據(jù)幀。ZigBee設(shè)備對(duì)象層負(fù)責(zé)對(duì)遠(yuǎn)程設(shè)備的請(qǐng)求進(jìn)行接收、處理等工作。

網(wǎng)絡(luò)層完成網(wǎng)絡(luò)連接的建立、維護(hù)等功能，處理輸入、輸出的數(shù)據(jù);MAC(介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)層)完成IEEE 802.15.4 規(guī)范，同時(shí)與物理層進(jìn)行交互[8]。

3 ZigBee組網(wǎng)過(guò)程設(shè)計(jì)

在無(wú)線(xiàn)傳輸過(guò)程中，需要ZigBee協(xié)調(diào)器配置網(wǎng)絡(luò)參數(shù)、啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)、維護(hù)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的收發(fā)。

首先 ZigBee協(xié)調(diào)器進(jìn)行初始化工作，調(diào)用aplFormNetwork()函數(shù)組建網(wǎng)絡(luò);然后協(xié)調(diào)器發(fā)送廣播信息給相同信道內(nèi)的節(jié)點(diǎn)，聲明自己為協(xié)調(diào)器，隨機(jī)選擇一個(gè)沒(méi)有沖突的PAN ID(Personal Area Network Identity)廣播出去，開(kāi)始偵聽(tīng)該信道，看有無(wú)網(wǎng)絡(luò)連接請(qǐng)求;傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)aplJoinNetwork()函數(shù)加入ZigBee網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)加電后掃描信道找到協(xié)調(diào)器，申請(qǐng)加入網(wǎng)絡(luò)，把自己的64位物理地址發(fā)送給協(xié)調(diào)器;如果協(xié)調(diào)器在判斷后允許節(jié)點(diǎn)加入，會(huì)分配16位地址發(fā)送給傳感器節(jié)點(diǎn)，該地址為節(jié)點(diǎn)的唯一標(biāo)識(shí)。至此傳感器節(jié)點(diǎn)成功地加入到ZigBee網(wǎng)絡(luò)中[9]。

網(wǎng)絡(luò)搭建成功后，協(xié)調(diào)器還要負(fù)責(zé)和節(jié)點(diǎn)之間協(xié)調(diào)、維護(hù)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行，發(fā)送控制命令。傳感器節(jié)點(diǎn)把采集的數(shù)據(jù)放在TxBuffer數(shù)據(jù)幀中，通過(guò)CC2420發(fā)送數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)包經(jīng)由ZigBee路由節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)到協(xié)調(diào)器，在APSDE.DATA.indication原語(yǔ)中，協(xié)調(diào)器定義BYTE類(lèi)型的數(shù)組，該數(shù)組存放收到的數(shù)據(jù)，最終把這些數(shù)據(jù)送到上位機(jī)[10]。

4 上位機(jī)程序

ZigBee協(xié)調(diào)器和上位機(jī)通過(guò)RS232相連，協(xié)調(diào)器接收傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的采集數(shù)據(jù)，通過(guò)RS232串行總線(xiàn)實(shí)時(shí)發(fā)給上位機(jī);上位機(jī)程序收集熱力管道的溫度、壓力、流量等信息，存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)。根據(jù)歷史數(shù)據(jù)和其他實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在上位機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)置基準(zhǔn)線(xiàn)，對(duì)熱力管道的布控位置進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，不同的傳感器節(jié)點(diǎn)配置有不同的網(wǎng)絡(luò)地址。一旦有數(shù)據(jù)超出閾值，系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警，并以短信等方式通知管理人員，管理員根據(jù)地址信息對(duì)熱力管道故障點(diǎn)進(jìn)行定位，以及時(shí)排除故障，防止意外事故出現(xiàn)[11]。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的城市熱力管道檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)首先基于ZigBee協(xié)議開(kāi)發(fā)了傳感器節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)集成了流量、溫度、壓力傳感器，傳感器采集數(shù)據(jù)，通過(guò)ZigBee芯片發(fā)送出去;通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)，最終發(fā)送到上位機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)，檢測(cè)系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)并在意外時(shí)發(fā)出報(bào)警。

實(shí)現(xiàn)熱力管道的檢測(cè)，既能有效、方便地供應(yīng)熱力資源，減少額外的浪費(fèi);又能夠保障熱力供應(yīng)的安全實(shí)施。該系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與實(shí)現(xiàn)，對(duì)推廣節(jié)能減排理念、提倡低碳生活，對(duì)促進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展和社會(huì)意識(shí)形態(tài)的建設(shè)，都具有積極的作用。

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