2021-4-9 | 通信技术
0引言
天然气作为一种洁净度高、热度高的气体能源，用途十分广泛，且具有易燃易爆的特性，因此，其运输载体天然气管道的安全性受到了广泛关注[1,2]。传统的对天然气管道进行检测的方式是采用人力巡逻[3]，借助便携式检测器进行管道检测，但这种方式不能满足实时性的要求，所以不能有效保证天然气管道的安全。目前已有的将ZigBee[4]应用于天然气管道监控的主要工作有文献[5~7]。文献[5]实现了一种新型的管网安全监测无线传感器网络节点，实现对施工破坏、小泄漏等情况进行监测。文献[6]设计了一种基于嵌入式ARM-Linux和LabView的分布式管道泄漏监测系统。文献[7]基于微控制器MSP430和射频模块CC2430设计了基于无线传感器网络技术的管道安全监测系统。上述工作具有重要的意义，但是无法对天然气管道的各个指标进行有效的监控，所以本文提出一种基于ZigBee无线通信技术的天然气管道监控系统，设计了压力、温度、加速度传感器等对天然气管道的各个引发事故的参数进行全面的监控。
1天然气管道监控系统结构
天然气管道监控系统主要包含采用ZigBee通信技术的监测区域、ZigBee中心节点、传输网络以及远程控制中心所组成，其组成结构示意图如图1所示。ZigBee网络监测区域主要负责信息的采集和发送，主要由ZigBee终端节点和ZigBee中心节点组成。ZigBee终端节点包含传感器节点和路由节点。传感器节点用于实现对数据的采集，路由节点实现数据的采集和数据的路由传递，这两种节点都是由ZigBee网络中的精简功能物理设备RFD组成，且安装在天然气管道的外壁上，实现对天然气各种监控数据的感知。ZigBee中心节点通过串口接收由传感器和路由节点发送的数据，并对数据进行融合处理，并进行协议转换，将融合后的数据通过GPRS/CDMA移动通信网发送到远程数据库，此时远程控制中心的客户端可以直接对数据库中的数据进行读取和访问，ZigBee中心节点属于ZigBee网络中的全功能物理设备，具有较强的数据处理、存储和通信能力，其作用类似于网关。
2ZigBee终端节点硬件设计
ZigBee终端节点包含传感器节点和路由节点，均由数据处理模块、数据采集模块、无线通信模块和能源供应模块组成。
2.1数据处理模块和无线通信模块设计
采用TI公司的符合IEEE802.15.4标准的ZigBee产品CC2430片上系统芯片作为数据处理模块和无线通信模块的解决方案，它含有8051MCU内核、高性能的RF收发机和14位的ADC，只需要加上少量外围电路就可以完成数据的采集和发送，使得各种功能仅需一块芯片就能完成，降低了节点的功耗。节点的硬件框图如图2所示。微控制器采用CC2430集成的8051MCU内核，主要负责任务调度和通信，并通过嵌入式操作系统uC/OSⅡ，对传感器采集的数据进行收集和处理，最终通过射频模块发送给其他ZigBee路由节点或ZigBee中心节点。射频模块采用CC2430集成的CC2420无线通信模块，CC2420射频模块满足IEEE802.15.4无线通信技术的2.4GHz的RF射频芯片，工作频率范围为2.4GHz-2.4835GHz，它基于SMARTRF03技术，并采用0.18umCMOS精湛工艺，仅需少量外部电路，易于扩展，是一款具有较高集成工艺的产品，采用DSSS直接序列扩频方式，具有很强的抗干扰能力，与射频模块约定码头片外的同频率数据会被视为噪声而被过滤，非常适合天然气管道监控的野外环境。CC2430芯片还包含JTAG接口，用于实现仿真器和其进行连接；同时还有晶振电路接口XTAL2和XTAL2分别用于进行组网和使节点进行低功耗休眠。CC2430芯片电路图如图3所示：
2.2数据采集模块
传感器节点包含气体传感器、加速度传感器和温度传感器。气体检测采用可燃气体MQ-309A传感器，由于天然气管道一旦发生泄漏，附着在天然气外管壁上的传感器就能根据浓度变化进行数据的采集和检测，且其具有电路设计简单，方便集成的优点。对天然气管道周边所出现的非法的挖掘、施工、人为破坏能产生的撞击和振动的检测采用ADXL202传感器，它具有低成本、低功耗的优点，其内置信号处理电路能将振动信号转换为数字信号进行输出。对天然气管道周边温度的检测采用SHT71数字传感器，其通过P0.2和P0.3与MCU进行通信，能实现对天然气管道周围温度进行实时数据采集。为了增强扩展性，在CC2430芯片上增加了传感器扩展接口，用于根据应用需求增加新的传感器。
3ZigBee中心节点硬件设计
ZigBee中心节点负责将收集的数据通过GPRS模块发送到远程数据库，其硬件组成如图4所示。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个10位的ADC通道以及UART、SPI、I2C和JTAG等接口，JTAG支持调试和编程。射频模块采用CC2420芯片。GPRS模块采用西门子公司的MC35i芯片。其具支持GSM900/GSM1800，具有体积小、功耗低，以及能提供数据、语音等功能，GPRS与ATmega128L芯片之间通过串行接口进行连接。
4系统软件设计
系统软件采用TI公司的Z-Stack协议栈，硬件抽象层(HAL)提供各种硬件模块驱动，包括定时器Timer，通用I/O接口GPIO,通用异步收发传输器UART，模数转换ADC及应用程序接口API。操作系统抽象层OSAL则通过时间片轮转函数来实现任务调度，提供多任务处理机制。Z-Stack协议栈采用事件轮询机制，首先初始化硬件和软件，然后进入休眠低功耗模式，只有当有事件发生时，系统才会被唤醒，并进入中断服务子程序，进行事件处理，当多个事件同时到达时，根据优先级决定处理的先后顺序，软件流程如图5所示。
5系统测试
为了对文中设计的监控系统方案进行验证，在天然气管道上放置8个气体传感器、加速度传感器和温度传感器，传感器在采集了各种气体、振动、温度信息后，将其发送给ZigBee中心节点，ZigBee中心节点通过串口收集数据并通过GPRS传送到远程数据库中，供远程控制中心客户端访问，客户端界面如图6所示。当选择查询的时间段后，再点击“确定”按钮，则各传感器节点的相应数值可以从数据库中读出，如图6所示，可以看出文中方法能实现天然气管道的气体浓度、振动和温度等信息的有效采集，当数据超过阀值时，使用“蓝色高亮显示”，并提示采取应急措施，避免事故发生。