基于ZigBee無線通信技術的天然氣管道監控系統設計

尚曉新

（河南省開封市技師學院，開封 475004）

0 引言

天然氣作為一種潔凈度高、熱度高的氣體能源，用途十分廣泛，且具有易燃易爆的特性，因此，其運輸載體天然氣管道的安全性受到了廣泛關注[1,2]。

傳統的對天然氣管道進行檢測的方式是采用人力巡邏[3]，借助便攜式檢測器進行管道檢測，但這種方式不能滿足實時性的要求，所以不能有效保證天然氣管道的安全。

目前已有的將ZigBee[4]應用于天然氣管道監控的主要工作有文獻[5～7]。文獻[5]實現了一種新型的管網安全監測無線傳感器網絡節點，實現對施工破壞、小泄漏等情況進行監測。文獻[6]設計了一種基于嵌入式ARM-Linux和LabView的分布式管道泄漏監測系統。文獻[7]基于微控制器MSP430和射頻模塊CC2430設計了基于無線傳感器網絡技術的管道安全監測系統。

上述工作具有重要的意義，但是無法對天然氣管道的各個指標進行有效的監控，所以本文提出一種基于ZigBee無線通信技術的天然氣管道監控系統，設計了壓力、溫度、加速度傳感器等對天然氣管道的各個引發事故的參數進行全面的監控。

1 天然氣管道監控系統結構

天然氣管道監控系統主要包含采用ZigBee通信技術的監測區域、ZigBee中心節點、傳輸網絡以及遠程控制中心所組成，其組成結構示意圖如圖1所示。

圖1 系統層次框圖

ZigBee網絡監測區域主要負責信息的采集和發送，主要由ZigBee終端節點和ZigBee中心節點組成。

ZigBee終端節點包含傳感器節點和路由節點。傳感器節點用于實現對數據的采集，路由節點實現數據的采集和數據的路由傳遞，這兩種節點都是由ZigBee網絡中的精簡功能物理設備RFD組成，且安裝在天然氣管道的外壁上，實現對天然氣各種監控數據的感知。

ZigBee中心節點通過串口接收由傳感器和路由節點發送的數據，并對數據進行融合處理，并進行協議轉換，將融合后的數據通過GPRS/CDMA移動通信網發送到遠程數據庫，此時遠程控制中心的客戶端可以直接對數據庫中的數據進行讀取和訪問，ZigBee中心節點屬于ZigBee網絡中的全功能物理設備，具有較強的數據處理、存儲和通信能力，其作用類似于網關。

2 ZigBee終端節點硬件設計

ZigBee終端節點包含傳感器節點和路由節點，均由數據處理模塊、數據采集模塊、無線通信模塊和能源供應模塊組成。

2.1 數據處理模塊和無線通信模塊設計

采用TI公司的符合IEEE802.15.4標準的ZigBee產品CC2430片上系統芯片作為數據處理模塊和無線通信模塊的解決方案，它含有8051MCU內核、高性能的RF收發機和14位的ADC，只需要加上少量外圍電路就可以完成數據的采集和發送，使得各種功能僅需一塊芯片就能完成，降低了節點的功耗。節點的硬件框圖如圖2所示。

圖2 ZigBee終端節點硬件框圖

微控制器采用CC2430集成的8051MCU內核，主要負責任務調度和通信，并通過嵌入式操作系統uC/OSⅡ，對傳感器采集的數據進行收集和處理，最終通過射頻模塊發送給其他ZigBee路由節點或ZigBee中心節點。

圖3 CC2430電路圖

射頻模塊采用CC2430集成的CC2420無線通信模塊，CC2420射頻模塊滿足IEEE802.15.4無線通信技術的2.4GHz的RF射頻芯片，工作頻率范圍為2.4GHz-2.4835GHz，它基于SMARTRF03技術，并采用0.18umCMOS精湛工藝，僅需少量外部電路，易于擴展，是一款具有較高集成工藝的產品，采用DSSS直接序列擴頻方式，具有很強的抗干擾能力，與射頻模塊約定碼頭片外的同頻率數據會被視為噪聲而被過濾，非常適合天然氣管道監控的野外環境。

CC2430芯片還包含JTAG接口，用于實現仿真器和其進行連接；同時還有晶振電路接口XTAL2和XTAL2分別用于進行組網和使節點進行低功耗休眠。CC2430芯片電路圖如圖3所示：

2.2 數據采集模塊

傳感器節點包含氣體傳感器、加速度傳感器和溫度傳感器。

氣體檢測采用可燃氣體MQ-309A傳感器，由于天然氣管道一旦發生泄漏，附著在天然氣外管壁上的傳感器就能根據濃度變化進行數據的采集和檢測，且其具有電路設計簡單，方便集成的優點。

對天然氣管道周邊所出現的非法的挖掘、施工、人為破壞能產生的撞擊和振動的檢測采用ADXL202傳感器，它具有低成本、低功耗的優點，其內置信號處理電路能將振動信號轉換為數字信號進行輸出。

對天然氣管道周邊溫度的檢測采用SHT71數字傳感器，其通過P0.2和P0.3與MCU進行通信，能實現對天然氣管道周圍溫度進行實時數據采集。

為了增強擴展性，在CC2430芯片上增加了傳感器擴展接口，用于根據應用需求增加新的傳感器。

3 ZigBee中心節點硬件設計

ZigBee中心節點負責將收集的數據通過GPRS模塊發送到遠程數據庫，其硬件組成如圖4所示。

圖4 ZigBee中心節點框圖

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個10位的ADC通道以及UART、SPI、I2C和 JTAG等接口，JTAG支持調試和編程。

射頻模塊采用CC2420芯片。

GPRS模塊采用西門子公司的MC35i芯片。其具支持GSM900/GSM 1800，具有體積小、功耗低，以及能提供數據、語音等功能，GPRS與ATmega128L芯片之間通過串行接口進行連接。

4 系統軟件設計

系統軟件采用TI公司的Z-Stack協議棧，硬件抽象層(HAL)提供各種硬件模塊驅動，包括定時器Timer，通用I/O接口GPIO, 通用異步收發傳輸器UART，模數轉換ADC及應用程序接口API。操作系統抽象層OSAL則通過時間片輪轉函數來實現任務調度，提供多任務處理機制。

Z-Stack協議棧采用事件輪詢機制，首先初始化硬件和軟件，然后進入休眠低功耗模式，只有當有事件發生時，系統才會被喚醒，并進入中斷服務子程序，進行事件處理，當多個事件同時到達時，根據優先級決定處理的先后順序，軟件流程如圖5所示。

5 系統測試

圖5 ZigBee協議棧軟件流程

為了對文中設計的監控系統方案進行驗證，在天然氣管道上放置8個氣體傳感器、加速度傳感器和溫度傳感器，傳感器在采集了各種氣體、振動、溫度信息后，將其發送給ZigBee中心節點，ZigBee中心節點通過串口收集數據并通過GPRS傳送到遠程數據庫中，供遠程控制中心客戶端訪問，客戶端界面如圖6所示。

圖6 客戶端監控界面

當選擇查詢的時間段后，再點擊“確定”按鈕，則各傳感器節點的相應數值可以從數據庫中讀出，如圖6所示，可以看出文中方法能實現天然氣管道的氣體濃度、振動和溫度等信息的有效采集，當數據超過閥值時，使用“藍色高亮顯示”，并提示采取應急措施，避免事故發生。

6 結束語

本文設計了一種基于ZigBee無線通信技術的天然氣監控系統，實現對天然氣管道的實時自動監控。首先，設計了ZigBee終端節點和中心節點的硬件框圖，然后對ZigBee協議棧的軟件流程進行了描述。最后，通過運行遠程客戶端監控系統程序對文中方法進行驗證，結果表明系統能實時采集氣體濃度、振動以及溫度信息，有效地克服了傳統方法的不足，具有重大的意義。

[1] 劉虎.天然氣管道無線監控系統的研究與實現[J].中國環境監測, 2011.

[2] 崔紅升, 魏政.無聯網技術在油氣管道中的應用展望[J].油氣儲運, 2011, 30(8): 603-607.

[3] 馬小強, 張春業, 張波, 楊士強.基于ZigBee和GPRS的管道監測網絡設計[J].計算機工程, 2010, 36(5): 128-130.

[4] Lee Jin-Shyan, Huang Yang-Chih.ITRI ZBnode: A ZigBee/IEEE802.15.4 Platform for Wireless Sensor Networks[C]//Proc.of 2006.IEEE International Conference on Systems, Man and Cybernetics.Taipei, Taiwan, China: IEEE Press, 2006.

[5] 馮仁劍, 張帥鋒, 于寧, 萬江文.應用于天然氣管網安全監測的無線傳感器網絡節點設計與實現[J].傳感技術學報, 2009, 22(10): 1492-1497.

[6] 陳世利, 譚皓予, 李健, 王偉魁.一種基于ARM-Linux的分布式管道泄漏監測系統[J].電子技術應用, 2011,37(10): 73-76.

[7] 王飛, 王黎明, 韓焱.基于ZigBee無線傳感器網絡技術的管道監測系統[J].傳感器與微系統, 2011, 30(12): 85-90.