ZigBee技术在输油管泄漏监测系统中的应用研究

近年来，由于管道老化以及其他自然或人为原因导致输油管道泄漏事故在国内外频频发生。输油管道的泄漏不仅会造成经济上的巨大损失，而且会污染环境，甚至引起火灾，给人们的生命财产安全带来了极大的威胁，因此管道泄漏监测技术的研究一直是国内外工业界和学术界普遍关注的问题。ZigBee技术是当前新兴的一种近距离、低数据速率无线通信技术，它基于IEEE 802.15.4协议标准。笔者结合ZigBee技术的低成本、低功耗、设备地址唯一性等优点，设计了适用于野外输油管泄漏监测的控制方案，给出了监测节点的设计原理及其在管道泄漏监测系统中的应用。

系统总体设计
系统总体设计如图1所示。该监测系统采用两层主从式结构，上层为检测数据分析和管理系统，主要由一台配置了泄漏监测系统分析软件的工控机和打印机组成，是主控单元；下层为ZigBee传感器网络，主要由监测节点和汇聚节点组成，是监测单元。管道系统是自平衡系统，管路的流量是泵站的排量，输油泵的总扬程就是管路的总压力降，所以要准确监测管道的工作状况必须把泵站和管道系统统一考虑。当管道发生泄漏时，上一站的出站压力有所下降，而流量有所升高，下一站的进站压力、流量都有所降低。调泵使泵转速升高时，出站压力上升、流量增大，下一站的进站压力、流量都有所上升；泵转速降低时，情况相反。这显然与泄漏时的压力、流量变化情况不同。因此，本设计采用压力流量联合判断的方法来监测泄漏的发生。

图1 输油管泄漏监测系统组成

由于监测节点由电池供电，能量有限，本系统采用定更巡回监测的工作方式，即每隔一定的周期时间启动一次监测，以保证监测网络具有2年或更长的工作寿命。

监测节点硬件设计 
下层监测网络中包括两种硬件模块：监测节点和汇聚节点。二者硬件电路基本相同，汇聚节点只是增加了长距离通信电路（如GSM或者RS485）。根据ZigBee技术的原理和特点，本文选用ST的8位低成本单片机STM8S105C6T6为控制器，以Chipcon公司的CC2420为射频收发器，设计了监测节点的硬件结构，如图2所示。

图2 监测节点硬件结构图

1 射频收发芯片选型
射频收发芯片是节点之间可靠通信的关键模块。由于监测节点安装在管道内部，采用能量有限的锂电池供电，因此射频芯片的选型需具有以下特点：

● 功耗低，支持休眠模式，便于根据具体工作状态进行功耗管理，以尽可能延长监测网络的工作寿命；

● 误码率低，支持自动CRC校验，有较强抗干扰性；

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● 支持IEEE 802.15.4标准，该标准是构建ZigBee网络的底层协议标准，它定义了物理层和介质访问控制层的通信规范。

根据以上特点，并经过分析比较，我们最终选用了CC2420这款性能卓越的射频芯片。CC2420是Chipcon公司生产的2.4GHz射频芯片，符合IEEE 802.15.4标准，传输速率最大250kb/s，采用具有内嵌闪存的0.18μm CMOS标准技术，最低功耗不到1μA，体积小，外形尺寸只有7mm×7mm。

CC2420应用电路如图3所示，主要包括电源去耦电路、晶振电路和天线匹配电路。由于RF芯片对电源的噪声非常敏感，恰当有效的电源去耦电路能很好的抑制噪声，提高可靠性，因而靠近VDD和1.8V电源引脚配置了去耦电容C27～C37。晶振电路给内部操作提供必要的时序，本设计配置了16MHz晶振，匹配电容C41和C42的值均为27pF。对于射频电路，天线的性能直接决定了能否正常进行无线通信，根据CC2420天线选择指南，综合考虑成本、性能和适用环境，本设计选用的是2.4GHz差分天线。这种天线直接做在PCB板上，适用于低功耗设计，成本低，占空间小，形状如图6所示，电感L1和L2用来平衡射频端口与PCB天线之间的阻抗。CC2420通过SPI接口和STM8S105C6T6单片机进行通信。

图3 CC2420应用电路

2 电路抗干扰设计
由于是高频电路，器件的相互干扰变得尤为敏感，为保证系统长期稳定、可靠的运行，建议在电路设计中采取以下措施：

● 采用四层PCB板，顶层主要走信号线，顶层下面依次是地平面层、电源平面层和底层，为防止高频信号的辐射和串扰，应尽量缩小信号回路面积，同时采用多点接地，降低接地阻抗；

● CC2420芯片底部必须采用少量过孔与地相连，保证芯片体可靠接地；

● 去耦电容必须尽可能靠近3V和1.8V电源引脚，并且电容接地端通过过孔就近接地，去耦电容的充放电作用使集成芯片得到的供电电压比较平稳，减少了电压振荡现象；

● 芯片外围器件的体积应尽可能的小，建议使用0402规格的阻容器件；

● 将CC2420和STM8S105C6T6未用的信号输入引脚通过一个10kΩ电阻上拉到高电平或下拉到低电平，因为开路的输入端有很高的输入阻抗，很容易受外界的电磁干扰，使悬浮电平有时处于‘1’，有时处于‘1’到‘0’的过渡状态，易引起逻辑电路的误导通。

监测网络软件设计
由于监测节点供电的有限性，节能是监测网络软件设计时重点考虑的问题。

1 帧格式定义
为降低功耗，本设计没有采用IEEE 802.15.4规定的标准帧格式，而是对其进行了简化，降低了数据帧的长度，如表1所示。前导码和帧起始分隔符（Start of Frame Delimiter，SFD）用于标志一帧数据的开始和结束。数据帧发送时，CC2420自动在数据包的开始处加上前导码和SFD，在数据包末尾自动加上CRC校验码（即帧检查序列）。接收时，当CC2420检测到前导码和SFD时开始接收帧长度以及后面的数据。帧长度为源地址、目的地址、负载和帧检查序列的总字节数，这里为0x07。在ZigBee网络中，每个节点设备都有唯一的地址，发送者为源地址，接收者为目的地址。

2 电源管理
为提高监测系统的使用寿命，本设计采用了一种定更巡回监测工作方式，具体过程如下：通过内部时钟的定时同步，监测网络中的所有节点在工作周期和休眠周期之间循环轮转。当工作周期一到，监测节点先对自己所在位置的压力和流量进行检测并暂存在缓冲区中，然后关闭传感器电源，接着打开CC2420的电源进行数据帧的封装和收发。若工作周期没有结束，监测节点就自动进行下一次的数据检测和收发。当工作周期结束，监测节点就关闭CC2420的电源，进入休眠周期，主程序流程图4所示。[!--empirenews.page--]

图4 监测节点主程序流程图

性能测试
根据上述方案，我们设计了4个样品进行了模拟实验。实际应用时，由于节点大部分时间处于发送、接收或者休眠状态，节点完成一次数据检测所用时间比以上3个状态所用的时间小得多，而且一旦数据检测完成就立即关闭传感器电源，因而功耗也相对较小，故测试时没有计入传感器部分功耗。根据实际测试，节点在发送数据、接受数据和休眠时的平均功耗分别约为23.4mA、20mA和2μA。从整个数据传递过程看，节点处于接收状态的时间远大于其发送数据所占用的时间。单个节点接收数据和发送数据的时间之比R和投入节点的总量及节点所处的位置有关。假设有100个监测节点，呈链状分布，按照所设计的传输协议分析，R值在1.5左右。通过计算一天当中节点的平均耗电流IAV，可算出其使用天数。IAV计算公式如下：

  （1）
其中，ITX、IRX、ISleep分别表示节点处于发送、接收和休眠状态的平均功耗，单位mA；α、β、γ分别为24小时当中节点发送、接收和休眠所占用的时间比例。

若采用一节12V、23A的五号干电池作电源，节点一天当中接收和发送时间总和不超过6小时，则节点的使用寿命可达2年以上。

结语
依据ZigBee网络节点的设计要求，本文设计开发了一种用于输油管泄漏监测的传感器节点模块。经调试，该节点在模拟试验中应用良好，可实现两个节点间的无线通信，能用LED指示接收、发送和应答等信息，功耗低，基本达到了设计要求。