基于CC1310的供水管道泄露檢測定位系統設計

賀帆 李玲 辛云宏

摘要：基于TI公司的無線通信芯片CC1310，設計和實現了一個低成本的供水管道無線泄露檢測定位系統。該系統由傳感器節點？集中器以及無線網關組成。其中傳感器與集中器節點采用CC1310芯片實現，網關由ESP8266模塊實現。檢測數據由ESP8266模塊傳輸到PC上位機，最后上位機對傳感器節點與集中器的測量數據進行互相關性計算，并由此進行泄漏的判定與定位。初步的實驗測試表明，該系統能夠發現供水管道的泄漏狀況，同時其定位能力也滿足實際需求。

關鍵詞：泄漏檢測;CC1310模塊;ESP8266模塊;互相關計算

中圖分類號：TP274

文獻標識碼：A

水是生物生存的日常生活主要必需品，在現代世界，水的問題被認為是最大和最嚴重的挑戰，生活中由于管道基礎設施老化，管道泄漏是不可避免的，因此對管道漏泄檢測具有深遠的意義。 傳統的泄漏檢測方法主要是音聽檢漏法[1]，這種方法主要依賴于人工判斷，效率比較低，可靠性差。現較多的方法是無線系統檢測法，如基于Zig-Bee的建筑排水系統立管壓力監測方案設計檢測方法[2-3]，它的頻段為2.4 GHz，通信距離較短，通過實際測試，空曠地段通信距離為100 m，埋藏地底下通信距離小于20 m。Michael Allen等提出了一種基于無線傳感網絡的管道檢測系統[4-5]，采用3G網絡通信技術，但成本較高。綜合以上方法均不適合作為埋藏地底下的管線泄漏檢測。本文設計了一種基于CC1310遠距離的無線網絡系統，部署于地下供水管道網絡中，用于檢測與定位漏水點位置。

1 泄漏檢測定位原理

圖1給出了一個通用的泄漏信號模型。

3 供水管道泄露檢測定位系統架構

圖2所示為供水管道泄露檢測系統架構框圖。圖2a為無線傳感器網絡系統結構圖，整個檢測系統由傳感器節點、集中器節點、無線Wi-Fi、PC上位機組成;圖2b為節點整體框圖，由圖可知節點主要由加速度傳感器，信號調理模塊，CC1310模塊組成。由于管道漏水信號頻率處于2000 Hz之內[11]因此系統采用朗斯公司的LC0134TB加速度傳感器實現對泄漏信號采集，LC0134TB特性：頻率范圍為0.5-2500 Hz，靈敏度為10.13 V/g。

系統主要工作過程如下：壓電加速度傳感器對漏水信號進行采集，信號調理模塊為加速度傳感器提供恒流源，并對壓電加速度傳感器采集的信號進行調理。通過濾波電路過濾掉高頻噪聲干擾信號，輸出低頻漏水信號，然后經過放大電路進行放大，節點和集中器分別對泄漏信號進行AD采樣，最后通過無線傳輸網絡系統發送到PC上位機進行處理，上位機對傳感器節點與集中器泄漏信號進行互相關運算，計算出泄露點的位置。

3 硬件設計

3.1 節點模塊硬件設計

節點模塊硬件實物圖如圖3所示，由CC1310模塊、信號調理模塊、加速度傳感器、電源組成。

CC1310模塊由CC1310芯片、天線、JTAG調試口、電源端口，usb串行口構成，CC1310芯片是TI公司生產的一款超低功耗、868MHz的無線通信MCU，基于強大的ARM⑧Cortex⑩-M3，搭載嵌入式RTOS系統，搭載天線最大傳輸距離可達2km。CC1310模塊實現對信號調理模塊傳輸的泄漏信號AD采樣、處理以及無線通信。

信號調理模塊由恒流源、放大器、濾波器組成。恒流源為加速度傳感器提供（4mA）激勵電流，放大器采用24V單電源供電，濾波器采用帶通濾波器將信號輸出在1-2000Hz帶寬內。

3.2無線Wi-Fi模塊硬件設計

系統中無線傳感網絡與上位機之間的通信由無線Wi-Fi模塊ESP8266實現，其實物如圖4所示。該模塊由天線、Flash和ESP8266芯片組成，是一個超低功耗的UART-WiFi透傳模塊，內置TCP/IP協議棧，可使用兩節5號干電池3.3V電源供電。

4 軟件系統的實現

系統使用的軟件平臺為Code Composer Studio6.1.3，并采用了RTOS實時系統。RTOS系統是TI公司開發的嵌入式實時操作系統，其主要特征：1）高精度計時系統，2）實時調度機制，3）多級中斷機制。

無線數據的發送與接收主要通過EasyLink層實現，EasyLink是TI公司開發的基于Sub IGhz無線通信層。

集中器的功能有以下幾個方面：

1）組建檢測網絡;

2）啟動一個測試過程;

3）收集傳感器節點的測試數據，并對數據進行處理：

4）通過Wi-Fi網關與上位機進行信息交互。

在RTOS框架下，集中器的功能對應以下4個任務實現：

任務 1：CreatDectionNetworkTask。 通過EasyLink_init與SetFrequency函數設置物理層類型與通信頻段分別為802.15.4g GFSK和868MHz，隨后函數GenerateAddr開始查找地址列表并分配源地址，最后通過NetworkStartEvt函數啟動建立網絡后切換任務2執行。

任務2：BootTestTask。使用定時器回調機制，集中器固定周期30s輪詢控制傳感器節點與自身進行數據采集， 并通過EasyLink_transmit（ &txAdcPacket）啟動測試后切換任務3執行。txAdcPacket為數據采集啟動數據包。

任務3：DataReceiveProcessTask。通過EasyLink_receiveAsync函數設置異步無阻塞接收模式偵聽數據，進入掛起等待狀態，并通過RxDoneCallback接收回調函數機制接收傳感器節點泄漏信號數據包，然后對數據包進行處理并提取泄漏數據后切換任務4執行。