ZigBee技術(shù)在輸油管泄漏監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

近年來，由于管道老化以及其他自然或人為原因?qū)е螺斢凸艿佬孤┦鹿试趪鴥?nèi)外頻頻發(fā)生。輸油管道的泄漏不僅會造成經(jīng)濟(jì)上的巨大損失，而且會污染環(huán)境，甚至引起火災(zāi)，給人們的生命財(cái)產(chǎn)安全帶來了極大的威脅，因此管道泄漏監(jiān)測技術(shù)的研究一直是國內(nèi)外工業(yè)界和學(xué)術(shù)界普遍關(guān)注的問題。ZigBee技術(shù)是當(dāng)前新興的一種近距離、低數(shù)據(jù)速率無線通信技術(shù)，它基于IEEE 802.15.4協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。筆者結(jié)合ZigBee技術(shù)的低成本、低功耗、設(shè)備地址唯一性等優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)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(diǎn)的設(shè)計(jì)原理及其在管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用。

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1所示。該監(jiān)測系統(tǒng)采用兩層主從式結(jié)構(gòu)，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(jī)和打印機(jī)組成，是主控單元；下層為ZigBee傳感器網(wǎng)絡(luò)，主要由監(jiān)測節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)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(yáng)程就是管路的總壓力降，所以要準(zhǔn)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(dāng)管道發(fā)生泄漏時(shí)，上一站的出站壓力有所下降，而流量有所升高，下一站的進(jìn)站壓力、流量都有所降低。調(diào)泵使泵轉(zhuǎn)速升高時(shí)，出站壓力上升、流量增大，下一站的進(jìn)站壓力、流量都有所上升；泵轉(zhuǎn)速降低時(shí)，情況相反。這顯然與泄漏時(shí)的壓力、流量變化情況不同。因此，本設(shè)計(jì)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(diǎn)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(shí)間啟動(dòng)一次監(jiān)測，以保證監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)具有2年或更長的工作壽命。

監(jiān)測節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)
下層監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中包括兩種硬件模塊：監(jiān)測節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)。二者硬件電路基本相同，匯聚節(jié)點(diǎn)只是增加了長距離通信電路（如GSM或者RS485）。根據(jù)ZigBee技術(shù)的原理和特點(diǎn)，本文選用ST的8位低成本單片機(jī)STM8S105C6T6為控制器，以Chipcon公司的CC2420為射頻收發(fā)器，設(shè)計(jì)了監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 監(jiān)測節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)圖

1 射頻收發(fā)芯片選型
射頻收發(fā)芯片是節(jié)點(diǎn)之間可靠通信的關(guān)鍵模塊。由于監(jiān)測節(jié)點(diǎn)安裝在管道內(nèi)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(diǎn)：

● 功耗低，支持休眠模式，便于根據(jù)具體工作狀態(tài)進(jìn)行功耗管理，以盡可能延長監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的工作壽命；

● 誤碼率低，支持自動(dòng)CRC校驗(yàn)，有較強(qiáng)抗干擾性；