去年墨西哥灣漏油事件帶來的各種危害依然歷歷在目。由此加深了人們對石油運輸方面的重視。近年來，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(fā)生。我國在去年也發(fā)生了重大的大連漏油事件對環(huán)境的危害漸漸被我們了解。輸油管道的泄漏不僅會造成經(jīng)濟上的巨大損失，而且會污染環(huán)境，甚至引起火災，給人們的生命財產(chǎn)安全帶來了極大的威脅，因此管道泄漏監(jiān)測技術的研究一直是國內外工業(yè)界和學術界普遍關注的問題。本文結合ZigBee技術的低成本、低功耗、設備地址性等優(yōu)點，設計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)點的設計原理及其在管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)中的應用。

　　ZigBee簡介

　　ZigBee是基于IEEE802.15.4無線標準研制開發(fā)的有關組網(wǎng)、安全和應用軟件方面的技術標準。其特點是近距離、低復雜度、自組織、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本。ZigBee的技術特性決定它將是無線傳感器網(wǎng)絡的選擇，廣泛用于物聯(lián)網(wǎng)，自動控制和監(jiān)視等諸多領域。以美國Ti公司CC2430/CC2530芯片為代表的 Zigbee SOC解決方案在國內高校企業(yè)掀起了一股Zigbee技術應用的熱潮。CC2430/CC2530集成了51單片機內核，相比于眾多的Zigbee芯片，CC2430/CC2530頗受青睞。Zigbee技術是一種具有統(tǒng)一技術標準的短距離無線通信技術，具有如下幾個特點：

　　（1） 低功耗： 由于ZigBee的傳輸速率低，發(fā)射功率僅為1mW,而且采用了休眠模式，功耗低，因此ZigBee設備非常省電。據(jù)估算，ZigBee設備僅靠兩節(jié)5號電池就可以維持長達6個月到2年左右的使用時間，這是其它無線設備望塵莫及的。

　?。?） 成本低： ZigBee模塊的初始成本在6美元左右，估計很快就能降到1.5—2.5美元， 并且ZigBee協(xié)議是的。低成本對于ZigBee也是一個關鍵的因素。

　?。?） 時延短： 通信時延和從休眠狀態(tài)激活的時延都非常短，典型的搜索設備時延30ms,休眠激活的時延是15ms, 活動設備信道接入的時延為15ms。因此ZigBee技術適用于對時延要求苛刻的無線控制（如工業(yè)控制場合等）應用。

　　（4） 網(wǎng)絡容量大： 一個星型結構的Zigbee網(wǎng)絡多可以容納254個從設備和一個主設備， 一個區(qū)域內可以同時存在多100個ZigBee網(wǎng)絡， 而且網(wǎng)絡組成靈活。

　?。?） 可靠： 采取了碰撞避免策略，同時為需要固定帶寬的通信業(yè)務預留了專用時隙，避開了發(fā)送數(shù)據(jù)的競爭和沖突。MAC層采用了完全確認的數(shù)據(jù)傳輸模式， 每個發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認信息。如果傳輸過程中出現(xiàn)問題可以進行重發(fā)。

　?。?） 安全： ZigBee提供了基于循環(huán)冗余校驗（CRC）的數(shù)據(jù)包完整性檢查功能，支持鑒權和， 采用了AES-128的加密算法，各個應用可以靈活確定其安全屬性

　　以上幾個優(yōu)點剛好可以滿足井下無線通信系統(tǒng)的要求。

　　系統(tǒng)總體設計

　　系統(tǒng)總體設計如圖1所示。該監(jiān)測系統(tǒng)采用兩層主從式結構，上層為檢測數(shù)據(jù)分析和管理系統(tǒng)，主要由一臺配置了泄漏監(jiān)測系統(tǒng)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(wǎng)絡，主要由監(jiān)測節(jié)點和匯聚節(jié)點組成，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，輸油泵的總揚程就是管路的總壓力降，所以要準確監(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。當管道發(fā)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(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間啟動監(jiān)測，以保證監(jiān)測網(wǎng)絡具有2年或更長的工作壽命。

　　監(jiān)測節(jié)點硬件設計

　　下層監(jiān)測網(wǎng)絡中包括兩種硬件模塊：監(jiān)測節(jié)點和匯聚節(jié)點。二者硬件電路基本相同，匯聚節(jié)點只是增加了長距離通信電路。根據(jù)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(fā)器，設計了監(jiān)測節(jié)點的硬件結構，如圖2所示。

　　圖2 監(jiān)測節(jié)點硬件結構圖

　　1 射頻收發(fā)芯片選型

　　射頻收發(fā)芯片是節(jié)點之間可靠通信的關鍵模塊。由于監(jiān)測節(jié)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(jù)具體工作狀態(tài)進行功耗管理，以盡可能延長監(jiān)測網(wǎng)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(wǎng)絡的底層協(xié)議標準，它定義了物理層和介質訪問控制層的通信規(guī)范。

　　根據(jù)以上特點，并經(jīng)過分析比較，我們終選用了CC2420這款性能卓越的射頻芯片。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(jù)CC2420天線選擇指南，綜合考慮成本、性能和適用環(huán)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(tǒng)長期穩(wěn)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(wěn)，減少了電壓振蕩現(xiàn)象；

　　● 芯片外圍器件的體積應盡可能的小，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(tài)，易引起邏輯電路的誤導通。

　　監(jiān)測網(wǎng)絡軟件設計

　　由于監(jiān)測節(jié)點供電的有限性，節(jié)能是監(jiān)測網(wǎng)絡軟件設計時重點考慮的問題。

　　1 幀格式定義

　　本設計沒有采用IEEE 802.15.4規(guī)定的標準幀格式，而是對其進行了簡化，降低了數(shù)據(jù)幀的長度，可以大大降低能耗如表1所示。前導碼和幀起始分隔符用于標志一幀數(shù)據(jù)的開始和結束。數(shù)據(jù)幀發(fā)送時，CC2420自動在數(shù)據(jù)包的開始處加上前導碼和SFD，在數(shù)據(jù)包末尾自動加上CRC校驗碼。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(shù)據(jù)。幀長度為源地址、目的地址、負載和幀檢查序列的總字節(jié)數(shù)，這里為0x07。在ZigBee網(wǎng)絡中，每個節(jié)點設備都有的地址，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，本設計采用了一種定更巡回監(jiān)測工作方式，具體過程如下：通過內部時鐘的定時同步，監(jiān)測網(wǎng)絡中的所有節(jié)點在工作周期和休眠周期之間循環(huán)輪轉。當工作周期一到，監(jiān)測節(jié)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(qū)中，然后關閉傳感器電源，接著打開CC2420的電源進行數(shù)據(jù)幀的封裝和收發(fā)。若工作周期沒有結束，監(jiān)測節(jié)點就自動進行下的數(shù)據(jù)檢測和收發(fā)。當工作周期結束，監(jiān)測節(jié)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(jiān)測節(jié)點主程序流程圖

　　性能測試

　　根據(jù)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(jié)點大部分時間處于發(fā)送、接收或者休眠狀態(tài)，節(jié)點完成數(shù)據(jù)檢測所用時間比以上3個狀態(tài)所用的時間小得多，而且一旦數(shù)據(jù)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(jù)實際測試，節(jié)點在發(fā)送數(shù)據(jù)、接受數(shù)據(jù)和休眠時的平均功耗分別約為23.4mA、20mA和2μA。從整個數(shù)據(jù)傳遞過程看，節(jié)點處于接收狀態(tài)的時間遠大于其發(fā)送數(shù)據(jù)所占用的時間。單個節(jié)點接收數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)的時間之比R和投入節(jié)點的總量及節(jié)點所處的位置有關。假設有100個監(jiān)測節(jié)點，呈鏈狀分布，按照所設計的傳輸協(xié)議分析，R值在1.5左右。通過計算一天當中節(jié)點的平均耗電流IAV，可算出其使用天數(shù)。IAV計算公式如下：

　　其中，ITX、IRX、ISleep分別表示節(jié)點處于發(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小時當中節(jié)點發(fā)送、接收和休眠所占用的時間比例。

　　若采用一節(jié)12V、23A的五號干電池作電源，節(jié)點一天當中接收和發(fā)送時間總和不超過6小時，則節(jié)點的使用壽命可達2年以上。

　　結語

　　近年來，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(fā)生。輸油管道的泄漏不僅會造成經(jīng)濟上的巨大損失，而且會污染環(huán)境，甚至引起火災，給人們的生命財產(chǎn)安全帶來了極大的威脅，因此管道泄漏監(jiān)測技術的研究一直是國內外工業(yè)界和學術界普遍關注的問題。本文依據(jù)ZigBee網(wǎng)絡節(jié)點的設計要求，本文設計開發(fā)了一種用于輸油管泄漏監(jiān)測的傳感器節(jié)點模塊。經(jīng)調試，該節(jié)點在模擬試驗中應用良好，可實現(xiàn)兩個節(jié)點間的無線通信，能用LED指示接收、發(fā)送和應答等信息，功耗低，基本達到了設計要求。