基于物聯(lián)網(wǎng)的城市熱力管道檢測系統(tǒng)的設(shè)計

徐功文，張志軍，楊磊，杜向華

(山東建筑大學(xué)計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東 濟南 250101)

0 引言

熱力管道通常分為供暖熱力管道和工業(yè)熱力管道兩類，是社會經(jīng)濟建設(shè)和人民生活的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，在經(jīng)濟發(fā)展和人民生活中發(fā)揮著不可替代的作用;隨著我國經(jīng)濟的快速增長，人民生活水平的不斷提高，城市人口密度的不斷增大，對城市熱力管道建設(shè)的要求也越來越高。

與此同時，熱力管道存在著安全隱患，國內(nèi)外發(fā)生過不同程度的熱力管道爆炸事件。2007年7月20的紐約熱力管道爆炸，造成多人傷亡和財產(chǎn)損失，交通癱瘓，同時居民誤以為是恐怖襲擊而造成很大心理影響;國內(nèi)也發(fā)生過多起熱力管道爆炸事件。熱力管道爆炸，大多是因為管道老化發(fā)生漏氣、漏水，或者因為雨后積水或大量污水聚在熱力管道周圍，不斷氣化形成大量蒸汽聚集難以疏散，壓力過高而引起;同時，管道內(nèi)部壓力過大而造成的管道爆炸也時有發(fā)生。管道爆炸一方面會對交通、公共設(shè)施或路人的生命安全等造成很大的威脅，另一方面也造成水資源和熱力資源的浪費。

在德國、瑞典等國家，已經(jīng)實現(xiàn)遠距離控制下的管道狀態(tài)檢測作業(yè)，管道內(nèi)檢測技術(shù)包括測徑器檢測法、超聲波檢測法、漏磁檢測法等;這些管道內(nèi)檢測技術(shù)在石油管道、給排水管道中得到了普遍的應(yīng)用，但在熱力管道中應(yīng)用較少。主要因為這些方法都需要停止供熱并冷卻后進行檢測，只能間斷進行，易發(fā)生停運的事故，并且設(shè)備造價較高[1]。

陳書旺，等人根據(jù)地下管道的紅外成像來檢測，這種方法由于其測量的是地表溫度，因此受環(huán)境影響相當(dāng)大。另外，當(dāng)目標與環(huán)境的溫度差很小的時候，測量極為困難，這也是此方法的局限性[2]。袁朝慶等研究人員根據(jù)光纖光柵溫度傳感技術(shù)來檢測熱力管道泄漏，該方法需要布設(shè)光纖，購置光纖光柵網(wǎng)絡(luò)分析儀，成本較高[3]。

論文設(shè)計的城市熱力管道檢測系統(tǒng)，不存在布線問題，節(jié)省成本，測量信息精確度高，而且具有安全性、靈活性、可靠性、可管理等優(yōu)點。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

熱力管道檢測系統(tǒng)主要完成管道內(nèi)流體的實時信息檢測、故障報警等任務(wù)，防止意外事故的發(fā)生，保障居民的生活和生產(chǎn)安全，同時也避免熱力資源的浪費。本論文基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、ZigBee協(xié)議構(gòu)建城市熱力管道檢測系統(tǒng)，在熱力管道的關(guān)鍵部位部署傳感器節(jié)點，并通過無線信號傳輸所采集的信息，對城市、大型工業(yè)公司或居民小區(qū)的主供熱管道及其重要分支進行實時監(jiān)控，以達到檢測熱力管道的目的。

論文設(shè)計的檢測系統(tǒng)主要包括傳感器節(jié)點、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和檢測平臺三部分，如圖1所示。

本系統(tǒng)所研發(fā)的傳感器節(jié)點就是一種可以實現(xiàn)自動組網(wǎng)、自動通訊的智能物聯(lián)網(wǎng)ZigBee無線數(shù)傳模塊，它們能夠耐高溫、高壓，實時采集數(shù)據(jù)。傳感器節(jié)點在管道接口處置放于管道內(nèi)，熱力管道一般長度在6m，每隔5根熱力管道布置一個傳感器節(jié)點，傳感器節(jié)點間距離為30m左右。傳感器采集的數(shù)據(jù)由采用ZigBee技術(shù)的無線通信芯片發(fā)送出去。這些傳感器只需要很低的功耗，以接力的方式通過無線電波將數(shù)據(jù)從一個傳感器傳到另一個傳感器，它們的通信效率非常高。數(shù)據(jù)最后由ZigBee路由節(jié)點融合匯聚、通過 ZigBee協(xié)調(diào)器收集到上位機[4]。

圖1 熱力管道檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，根據(jù)距離的遠近和障礙物情況布設(shè)ZigBee主協(xié)調(diào)器和路由器。整個ZigBee網(wǎng)絡(luò)還可以與現(xiàn)有的其它的各種網(wǎng)絡(luò)連接。例如可以通過互聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控某個ZigBee網(wǎng)絡(luò)。

檢測平臺接收、顯示、存儲傳感器網(wǎng)絡(luò)送來的溫度、流量、壓力等數(shù)據(jù);然后進行數(shù)據(jù)分析，防止意外事故的出現(xiàn)。

2 傳感器節(jié)點設(shè)計

2.1 硬件設(shè)計

傳感器節(jié)點主要完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ埽ㄟ^傳感器采集環(huán)境數(shù)據(jù)，包括溫度、流量、壓力等，進行A/D轉(zhuǎn)換，經(jīng)由處理器處理，最后由射頻模塊把采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到相鄰的傳感器節(jié)點。

節(jié)點需要集成PIC18F4620控制器、CC2420無線通信芯片、以及壓力傳感器、流量傳感器、溫度傳感器三種類型的傳感器。

PIC18F4620是Microchip公司推出的8位微處理器，具有多種省電模式可供選擇，降低功耗，具有13個10位A/D轉(zhuǎn)換器、4個定時器、36個I/O接口。CC2420是Chipcon公司推出的2.4GHz ISM公用頻道的射頻收發(fā)器，具有功耗低、抗干擾能力強等特定，可以滿足10到100m的通信距離;主要實現(xiàn)物理層的數(shù)據(jù)收發(fā)和底層控制[5]。

微處理器PIC18F4620和CC2420之間通過SPI(Serial Peripheral Interface)接口相連，進行數(shù)據(jù)交換和命令傳遞;傳感器采用具有I2C總線接口的耐高溫、高壓的數(shù)字智能傳感器;微處理器通過I2C總線與傳感器模塊連接[6]。

CC2420采用低電壓供電并具有休眠模式，從休眠模式到激活模式時延短，功耗大大降低;PIC18F4620也是一款點電壓供電的設(shè)備，具有運行、空閑、休眠等三種功耗管理模式。PIC處理器和CC2420芯片搭建的平臺體積小、功耗低，采用兩節(jié)五號電池供電，休眠待機電流在0.2mA左右[7]。

傳感器節(jié)點結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 傳感器節(jié)點結(jié)構(gòu)

2.2 ZigBee協(xié)議棧

圖3 ZigBee協(xié)議棧架構(gòu)

ZigBee技術(shù)的核心是其協(xié)議棧代碼，這些代碼與硬件平臺配合，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)以及路由計算等功能。本設(shè)計采用Microchip公司的ZigBee協(xié)議棧，該協(xié)議棧是針對該公司的PIC18F系列單片機加CC2420的節(jié)點平臺架構(gòu)而設(shè)計的，主要用于低功耗、低成本設(shè)備的連接，這些功能特點符合熱力管道數(shù)據(jù)采集的需求。協(xié)議開發(fā)采用MPLAB ICD2仿真器，該仿真器是Microchip公司為PIC18系列單片機設(shè)計的一種在線調(diào)試開發(fā)工具。用C語言來開發(fā)，C語言代碼效率高、軟件調(diào)試直觀、系統(tǒng)維護升級方便、代碼的重復(fù)利用率高、便于跨平臺移植。

圖3為 ZigBee協(xié)議棧架構(gòu)，IEEE 802.15.4滿足OSI定義的最下面兩層:物理層和 MAC層;ZigBee聯(lián)盟設(shè)計了網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。每一個層次有相關(guān)代碼，在獨立的源文件里。服務(wù)和API接口在頭文件中定義。為了實現(xiàn)模塊化，上一層協(xié)議會定義完善的API接口，同下一層進行交互。用戶應(yīng)用程序和應(yīng)用支持子層以及應(yīng)用層交互;應(yīng)用層模塊提供協(xié)議棧管理功能，用戶的應(yīng)用程序通過該模塊實現(xiàn)協(xié)議棧的管理。應(yīng)用支持子層提供ZigBee端點設(shè)備的接口，通過該層打開或關(guān)閉端點，并收發(fā)數(shù)據(jù);應(yīng)用支持子層同時還提供間接發(fā)送緩沖器，以存儲間接幀，直到接收方索取這些數(shù)據(jù)幀。ZigBee設(shè)備對象層負責(zé)對遠程設(shè)備的請求進行接收、處理等工作。

網(wǎng)絡(luò)層完成網(wǎng)絡(luò)連接的建立、維護等功能，處理輸入、輸出的數(shù)據(jù);MAC(介質(zhì)訪問層)完成IEEE 802.15.4 規(guī)范，同時與物理層進行交互[8]。

3 ZigBee組網(wǎng)過程設(shè)計

在無線傳輸過程中，需要ZigBee協(xié)調(diào)器配置網(wǎng)絡(luò)參數(shù)、啟動網(wǎng)絡(luò)、維護網(wǎng)絡(luò)運行，實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的收發(fā)。

首先 ZigBee協(xié)調(diào)器進行初始化工作，調(diào)用aplFormNetwork()函數(shù)組建網(wǎng)絡(luò);然后協(xié)調(diào)器發(fā)送廣播信息給相同信道內(nèi)的節(jié)點，聲明自己為協(xié)調(diào)器，隨機選擇一個沒有沖突的PAN ID(Personal Area Network Identity)廣播出去，開始偵聽該信道，看有無網(wǎng)絡(luò)連接請求;傳感器節(jié)點通過aplJoinNetwork()函數(shù)加入ZigBee網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點加電后掃描信道找到協(xié)調(diào)器，申請加入網(wǎng)絡(luò)，把自己的64位物理地址發(fā)送給協(xié)調(diào)器;如果協(xié)調(diào)器在判斷后允許節(jié)點加入，會分配16位地址發(fā)送給傳感器節(jié)點，該地址為節(jié)點的唯一標識。至此傳感器節(jié)點成功地加入到ZigBee網(wǎng)絡(luò)中[9]。

網(wǎng)絡(luò)搭建成功后，協(xié)調(diào)器還要負責(zé)和節(jié)點之間協(xié)調(diào)、維護網(wǎng)絡(luò)運行，發(fā)送控制命令。傳感器節(jié)點把采集的數(shù)據(jù)放在TxBuffer數(shù)據(jù)幀中，通過CC2420發(fā)送數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)包經(jīng)由ZigBee路由節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)到協(xié)調(diào)器，在APSDE.DATA.indication原語中，協(xié)調(diào)器定義BYTE類型的數(shù)組，該數(shù)組存放收到的數(shù)據(jù)，最終把這些數(shù)據(jù)送到上位機[10]。

4 上位機程序

ZigBee協(xié)調(diào)器和上位機通過RS232相連，協(xié)調(diào)器接收傳感器節(jié)點發(fā)來的采集數(shù)據(jù)，通過RS232串行總線實時發(fā)給上位機;上位機程序收集熱力管道的溫度、壓力、流量等信息，存儲于數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。根據(jù)歷史數(shù)據(jù)和其他實踐經(jīng)驗，在上位機檢測系統(tǒng)設(shè)置基準線，對熱力管道的布控位置進行實時監(jiān)控，不同的傳感器節(jié)點配置有不同的網(wǎng)絡(luò)地址。一旦有數(shù)據(jù)超出閾值，系統(tǒng)發(fā)出報警，并以短信等方式通知管理人員，管理員根據(jù)地址信息對熱力管道故障點進行定位，以及時排除故障，防止意外事故出現(xiàn)[11]。

5 結(jié)論

本文設(shè)計、開發(fā)了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的城市熱力管道檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)首先基于ZigBee協(xié)議開發(fā)了傳感器節(jié)點，該節(jié)點集成了流量、溫度、壓力傳感器，傳感器采集數(shù)據(jù)，通過ZigBee芯片發(fā)送出去;通過無線傳感網(wǎng)，最終發(fā)送到上位機檢測系統(tǒng)，檢測系統(tǒng)可以實時監(jiān)控數(shù)據(jù)并在意外時發(fā)出報警。

實現(xiàn)熱力管道的檢測，既能有效、方便地供應(yīng)熱力資源，減少額外的浪費;又能夠保障熱力供應(yīng)的安全實施。該系統(tǒng)的開發(fā)與實現(xiàn)，對推廣節(jié)能減排理念、提倡低碳生活，對促進國民經(jīng)濟建設(shè)的發(fā)展和社會意識形態(tài)的建設(shè)，都具有積極的作用。

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