ZigBee在輸油管泄漏監測系統中的研究 - 全文

前言：由于管道老化以及其他自然或人為原因導致輸油管道泄漏事故在國內外頻頻發生。輸油管道的泄漏不僅會造成經濟上的巨大損失，而且會污染環境，甚至引起火災，給人們的生命財產安全帶來了極大的威脅，

系統總體設計
系統總體設計如圖1所示。該監測系統采用兩層主從式結構，上層為檢測數據分析和管理系統，主要由一臺配置了泄漏監測系統分析軟件的工控機和打印機組成，是主控單元；下層為 ZigBee 傳感器網絡，主要由監測節點和匯聚節點組成，是監測單元。管道系統是自平衡系統，管路的流量是泵站的排量，輸油泵的總揚程就是管路的總壓力降，所以要準確監測管道的工作狀況必須把泵站和管道系統統一考慮。當管道發生泄漏時，上一站的出站壓力有所下降，而流量有所升高，下一站的進站壓力、流量都有所降低。調泵使泵轉速升高時，出站壓力上升、流量增大，下一站的進站壓力、流量都有所上升；泵轉速降低時，情況相反。這顯然與泄漏時的壓力、流量變化情況不同。因此，本設計采用壓力流量聯合判斷的方法來監測泄漏的發生。

圖1 輸油管泄漏監測系統組成

由于監測節點由電池供電，能量有限，本系統采用定更巡回監測的工作方式，即每隔一定的周期時間啟動一次監測，以保證監測網絡具有2年或更長的工作壽命。

監測節點硬件設計?
下層監測網絡中包括兩種硬件模塊：監測節點和匯聚節點。二者硬件電路基本相同，匯聚節點只是增加了長距離通信電路（如GSM或者RS485）。根據ZigBee技術的原理和特點，本文選用ST的8位低成本單片機 STM8S105C6T6為控制器，以Chipcon公司的CC2420為射頻收發器，設計了監測節點的硬件結構，如圖2所示。

圖2 監測節點硬件結構圖

1 射頻收發芯片選型
射頻收發芯片是節點之間可靠通信的關鍵模塊。由于監測節點安裝在管道內部，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：

● 功耗低，支持休眠模式，便于根據具體工作狀態進行功耗管理，以盡可能延長監測網絡的工作壽命；

● 誤碼率低，支持自動CRC校驗，有較強抗干擾性；

● 支持IEEE 802.15.4標準，該標準是構建ZigBee網絡的底層協議標準，它定義了物理層和介質訪問控制層的通信規范。

根據以上特點，并經過分析比較，我們最終選用了CC2420這款性能卓越的射頻芯片。CC2420是Chipcon公司生產的2.4GHz射頻芯片，符合IEEE 802.15.4標準，傳輸速率最大250kb/s，采用具有內嵌閃存的0.18μm CMOS標準技術，最低功耗不到1μA，體積小，外形尺寸只有7mm×7mm。

CC2420應用電路如圖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。晶振電路給內部操作提供必要的時序，本設計配置了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行無線通信，根據CC2420天線選擇指南，綜合考慮成本、性能和適用環境，本設計選用的是2.4GHz差分天線。這種天線直接做在PCB板上，適用于低功耗設計，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單片機進行通信。

圖3 CC2420應用電路

2 電路抗干擾設計
由于是高頻電路，器件的相互干擾變得尤為敏感，為保證系統長期穩定、可靠的運行，建議在電路設計中采取以下措施：

● 采用四層PCB板，頂層主要走信號線，頂層下面依次是地平面層、電源平面層和底層，為防止高頻信號的輻射和串擾，應盡量縮小信號回路面積，同時采用多點接地，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，減少了電壓振蕩現象；

● 芯片外圍器件的體積應盡可能的小，建議使用0402規格的阻容器件；

● 將CC2420和STM8S105C6T6未用的信號輸入引腳通過一個10kΩ電阻上拉到高電平或下拉到低電平，因為開路的輸入端有很高的輸入阻抗，很容易受外界的電磁干擾，使懸浮電平有時處于‘1’，有時處于‘1’到‘0’的過渡狀態，易引起邏輯電路的誤導通。

監測網絡軟件設計
由于監測節點供電的有限性，節能是監測網絡軟件設計時重點考慮的問題。

1 幀格式定義
為降低功耗，本設計沒有采用IEEE 802.15.4規定的標準幀格式，而是對其進行了簡化，降低了數據幀的長度，如表1所示。前導碼和幀起始分隔符（Start of Frame Delimiter，SFD）用于標志一幀數據的開始和結束。數據幀發送時，CC2420自動在數據包的開始處加上前導碼和SFD，在數據包末尾自動加上CRC校驗碼（即幀檢查序列）。接收時，當CC2420檢測到前導碼和SFD時開始接收幀長度以及后面的數據。幀長度為源地址、目的地址、負載和幀檢查序列的總字節數，這里為0x07。在ZigBee網絡中，每個節點設備都有唯一的地址，發送者為源地址，接收者為目的地址。

2 電源管理
為提高監測系統的使用壽命，本設計采用了一種定更巡回監測工作方式，具體過程如下：通過內部時鐘的定時同步，監測網絡中的所有節點在工作周期和休眠周期之間循環輪轉。當工作周期一到，監測節點先對自己所在位置的壓力和流量進行檢測并暫存在緩沖區中，然后關閉傳感器電源，接著打開CC2420的電源進行數據幀的封裝和收發。若工作周期沒有結束，監測節點就自動進行下一次的數據檢測和收發。當工作周期結束，監測節點就關閉CC2420的電源，進入休眠周期，主程序流程圖4所示。

圖4 監測節點主程序流程圖

性能測試
根據上述方案，我們設計了4個樣品進行了模擬實驗。實際應用時，由于節點大部分時間處于發送、接收或者休眠狀態，節點完成一次數據檢測所用時間比以上3個狀態所用的時間小得多，而且一旦數據檢測完成就立即關閉傳感器電源，因而功耗也相對較小，故測試時沒有計入傳感器部分功耗。根據實際測試，節點在發送數據、接受數據和休眠時的平均功耗分別約為23.4mA、20mA和2μA。從整個數據傳遞過程看，節點處于接收狀態的時間遠大于其發送數據所占用的時間。單個節點接收數據和發送數據的時間之比R和投入節點的總量及節點所處的位置有關。假設有100個監測節點，呈鏈狀分布，按照所設計的傳輸協議分析，R值在1.5左右。通過計算一天當中節點的平均耗電流IAV，可算出其使用天數。IAV計算公式如下：

? （1）
其中，ITX、IRX、ISleep分別表示節點處于發送、接收和休眠狀態的平均功耗，單位mA；α、β、γ分別為24小時當中節點發送、接收和休眠所占用的時間比例。