CN104794862A - 基于ZigBee无线通信技术的天然气管道实时监控系统 - Google Patents

Abstract

本发明是一种基于ZigBee无线通信技术的天然气管道实时监控系统，其特点是，通过实时采集天然气管道的关键性参数并通过无线通信技术实时传输，对天然气管道关键性参数异常报警，同时对管道异常点进行有效的定位，具有实时性好、自动化程度高、可靠性好、信息处理能力强的优点，在一定程度上预防危险事故的发生。一旦有天然气管道泄漏、环境温湿度异常、施工破坏及腐蚀事故发生，系统能够及时发出警报，能够真实地反映事故发生时管道气体泄漏，温湿度、震动，腐蚀等各种参数的变化，为管理人员采取必要措施提供可靠、有效的信息，以减少危险燃气泄漏、爆炸造成的破坏及损失，解决了传统天然气管道检测的诸多不足，具有广泛的应用价值。

Description

基于ZigBee无线通信技术的天然气管道实时监控系统

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，是一种基于ZigBee无线通信技术的天然气管道实时监控系统，用于天然气管道的然气泄漏、管道环境温度、施工破坏及管道腐蚀等的监测。

背景技术

随着我国的经济发展和科技进步，天然气的需求日趋增加，同时天然气发生泄漏事件也频繁发生，给人们的生命和财产造成严重威胁。因此天然气的安全运输和管道的检漏成为了重点问题。截止到2011年底，我国天然气管道铺设已经长达5万公里，预计在2015年我国天然气管道将达到10万公里。这么庞大的管道网络一旦出现腐蚀、损坏或者不同程度的老化，就会发生天然气泄漏事件，从而引起重大爆炸，其后果不堪设想。分析近年来天然气泄漏发现不及时导致爆炸发生的原因，主要有管道设备老化、腐蚀、变形严重；运输载体设备上的泄压装置、防爆片、防爆膜等不起作用；安全责任和管理措施不落实，安全组织和规章制度不落实，违章操作等；管道防腐缺陷；管道材料、防腐层等质量问题的因素；焊接质量问题；设备安装问题等。

现有检测天然气泄漏技术有超声波检测技术、漏磁检测技术、涡流检测技术、次声波法技术、实时瞬态模型法技术、分布式光纤预警技术、智能防腐层预警技术、负压波法技术，在无人区、郊区旷野、荒漠、重污染区等特殊的地理环境特点，不适于人工巡护，对管道监控系统的技术要求较高地方，以上技术存在一定的缺陷，不能满足要求，因此本发明提出了一种基于ZigBee无线通信技术天然气管道实时监测系统，实现对天然气管道的燃气泄漏、温湿度、震动、腐蚀等参数信息的自动采集和传输，在管道监测中的应用有更大的实际应用价值和商业价值。

发明内容

本发明的目的是提供一种实时性好、自动化程度高、可靠性好、精度高、信息处理能力强的基于ZigBee无线通信技术的天然气管道实时监控系统。

本发明的目的是以下技术方案实现的：一种基于ZigBee无线通信技术的天然气管道实时监控系统，其特征是，它包括：数据采集模块、传感器与ZigBee模块组合成数据采集及无线传感器终端节点、GPRS/WIFI/4G通信模块和远程监控模块，所述的数据采集模块是针对天然气管道的腐蚀、气体泄漏、环境温度、施工破坏的相关参数进行实时采集；所述的传感器与ZigBee模块组合成数据采集及无线传感器终端节点由采集模块、定位模块、处理模块、电源模块和无线通信模块，采集模块包括气体传感器、温度传感器、压力传感器、流量传感器和振动传感器，采集模块的气体传感器、温度传感器、压力传感器、流量传感器和振动传感器把采集到的天然气管道的信息通过连接器发送给处理模块；处理模块的处理器需要采用嵌入式CPU控制整个传感器节点协调工作，对采集模块获取的信息进行必要的处理、保存，控制采集模块和电源的工作模式，存储器对采集的数据及其它邻近节点发来的数据进行存储；无线通信模块的射频天线单元负责与采集模块传感器或观察者的通信和信息的接收与发射；电源模块为采集模块的传感器提供正常工作所必需的能量，电源模块利用CPU的通用I/O口控制开关管的通断，进而控制采集模块的传感器工作，当节点进入深度休眠时，断开开关，使采集模块的整个传感器处于几乎不耗电的状态，电源模块由电源、电源检测电路和充电接口电路三部分组成，电源采用可充电锂电池，由电源检测电路测到的电量值通过CPU的模数转换通道ADC后经无线方式发送到监测中心进行实时显示，当电源电量不足时，通过充电接口电路部分实现锂电池充电；采集模块的每个传感器节点兼顾传统网络节点的终端和路由器双重功能，除了进行本地信息收集和数据处理之外，还要对其他节点转发来的数据进行存储、管理和融合等处理，汇聚节点的处理能力，连接传感器网络与Internet外部网络，实现两种协议的通信转换，同时发布管理节点的监测任务，并把收集的数据转发到外部网络上，汇聚节点既能够是一个具有增强功能的传感器节点，有足够的能量供给和更多的内存与计算资源，亦可是没有监测功能仅带有无线通信接口的网关设备；所述的GPRS/WIFI/4G通信模块用于GPRS模块的数据收发、ZigBee模块传感器节点的数据采集及发送、路由节点与GPRS模块之间的数据通信；所述的远程监控模块用于用户数据传送至远程数据库，监控中心客户端对数据进行实时访问，通过人机交互界面清晰地显示出各种参数信息及定位信息，在监控中心实现实时报警功能。

本发明的基于ZigBee无线通信技术的天然气管道实时监控系统能够实现对天然气管道的燃气泄漏、温湿度、震动、腐蚀等参数信息的自动采集和传输，在管道监测中的应用有更大的实际应用价值和商业价值。具有实时性好、自动化程度高、可靠性好、精度高、信息处理能力强等优点。

附图说明

图1为CC2530模块引脚图；

图2为AD8572信号调理电路原理图；

图3为管道腐蚀检测示意图；

图4为气体浓度检测电路原理框图；

图5为天然气浓度检测图；

图6为管道振动检测图；

图7为GPS模块电路原理图；

图8为射频收发模块框图；

图9为ZigBee协调器电路原理框图；

图10为ZigBee协调器电路的CC2530模块电路原理图；

图11为ZigBee协调器电路的GPRS模块电路原理图；

图12为ZigBee协调器电路的GPRS无线终端程序图；

图13为网关节点主流程图；

图14为监控系统软件结构图；

图15天然气管道无线实时监控系统网络流程图；

图16为本发明程序流程图。

具体实施方式

下面利用附图和实施例对本发明作进一步说明。

参考图1，本发明基于ZigBee无线通信技术的天然气管道实时监控系统的主控芯片采用CC2530，它能够以非常低的总的材料成本建立强大的网络节点，并结合由采集、定位、处理、电源和无线通信模块五部分组成的无线传感器网络实现感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给监控中心进行信息分析与处理，CC2530具有不同的运行模式，使得它尤其适应超低功耗要求的系统，运行模式之间的转换时间短进一步确保了低能源消耗，CC2530F256结合了ZigBee协议栈(Z-Stack)，提供了一个强大和完整的ZigBee解决方案。

参考图2～图3，目前管道阴极保护电位的实时监测是可靠的方法，阴极保护电位一般在-0.85V～-1.5V之间，而单片机能采集的满度电压为3.3V，所以必须把它转化成正信号，单片机才能拾取，图2调理电路采用了ADI公司的双路、零漂移、单电源、输入/输出运算放大器AD8572，此系列放大器具有超低失调、漂移和偏置电流特性，采用扩频、自稳零，可消除交流应用中斩波函数与信号频率相互作用所引起的交调效应，而且AD8572的失调电压仅为1pv，失调电压漂移为0.005v/℃，因而非常适合不允许存在误差源的应用。

参考图4～图5，天然气中的主要成分是甲烷，根据系统检测气体种类的要求，一般选用接触燃烧式气敏传感器和半导体气敏传感器，经过对比上述两种气敏传感器的应用特性，发现半导体气敏传感器具有灵敏度高，响应快，体积小，结构简单，使用方便，价格便宜等优点，因此，本设计采用半导体气敏传感器作为气体信息采集部分的核心，选用MQ-4型气体传感器，当传感器所处环境中存在可燃气体时，传感器的电导率随空气中可燃气体浓度的增加而增大，使用简单的匹配电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号，输出信号经过A/D转换电路将模拟信号变成数字信号输送给CC2530主控芯片。

为了实现对天然气管道周围温度进行实时数据采集，本系统设计的节点采用美瑞士Sensirion公司推出的两线串行接口的数字温度计芯片SHTxx，它将-40℃～123.8℃范围内的温度值按8bit、12bit、14bit的分辨率进行量化，超高分辨率，工作电压范围为2.4V～5.5V，两线制串行接口和内部基准电压，使系统集成变得简易快捷，超小的体积、极低的功耗，使其成为各类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选择。

参考图6，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ADXL345传感器，它具有低成本、低功耗的优点，其内置A/D处理电路能将振动信号转换为数字信号进行输出给CC2530。

参考图7，GPS全球定位系统，为了实时监测燃气泄漏点的位置，本系统设计采用GPS定位技术对静态节点进行定位，其具有定位精度高，成本低的特点。图中TPEX是外接天线接口；MAX2659是低噪声运放模块，用于放大接收信号；24C32储存器用于存放定位信息；RT9193-33稳压器模块将VCC稳压成3.3V。

参考图8，射频收发模块的功能是对传感器节点的数据进行无线发送和接收，表1是对几种常见无线传输方式的主要性能比较，通过对比可以得出，ZigBee技术具有电池寿命长、网络节点多、物理范围大、系统开销小的优势，所以本系统采用ZigBee技术，射频收发模块主芯片采用TI公司的CC2530，该芯片工作的频率范围是2,400～2,483.6MHz，支持数据传输率高达250Kbit/s，射频收发模块集成了ZigBee天线、天线与芯片收发管脚之间的匹配电路、射频主芯片CC2530、外围电路以及接口电路。

表1 无线传输方式的比较

参考图9，ZigBee协调器负责将接收到的数据通过GPRS模块发送到远程数据库，实现无线远程监控系统，它包括处理模块的微控制器分别与无线通信模块和GPRS模块电连接，由供电模块为处理模块、无线通信模块和GPRS模块供电。

参考图10，ZigBee协调器电路CC2530模块就是图9中的处理模块。CC2530模块的4号管脚连接GPRS模块的信号接收端，5号管脚连接GPRS模块的信号发送端。

参考图11，ZigBee协调器电路的GPRS模块电路包括稳压模块、去噪模块以及按键1、TTL转化芯片2、SIM卡接口芯片3和GPRS核心芯片4。其功能是将接收到的数据信息发送到远程数据库，GPRS系统在无线资源分配上采用动态信道分配方式，仅在有效数据通信时占用物理信道资源，因此可以长时间保持在线，又没有独占信道，可以大大提高频率资源的利用率。当一则消息含有大量的数据时，它可以被分成多个分组，不同的分组可以通过不同的信道发送，这些分组都到达目的地以后，它们被重新组合起来，恢复成原来的消息，GPRS技术在传输突发数据方面有着较大的优势，而且其具有网络接入费用低廉、接入范围广、传输速度高、高速接入、自如切换的优势。

参考图12，ZigBee协调器电路的GPRS无线终端程序主要实现了GPRS模块的数据收发、ZigBee模块传感器节点的数据采集及发送、路由节点与GPRS模块之间的数据通信，GPRS模块软件设计主要是对GPRS模块进行编程，Wavecom的OpenAT开发环境是人们熟悉的VC++6.0开发环境，使用C语言开发，程序中要注意的是对共享数据缓冲区的并发访问问题，对于无线传感器网络中的各个节点，本系统采用了IAR编译环境进行开发，对于传感器节点，程序中主要实现传感数据的定时采集、A/D运算、定时发送、定时休眠，对于路由节点及中心节点，主要实现了数据的转发及路由功能，根据需要，路由节点及协调器节点亦可以进行传感数据的采集，因此，其可以实现传感器节点的功能，在中心节点与GPRS的数据交互中，双方都应该遵循约定好的报文格式，以便监控中心系统更好地解析报文。

参考图13，网关的主要功能就是实现串口数据和网络数据的转发，应用程序主要包括串口数据收发程序和数据转发处理程序，软件采用模块化的设计方案，各功能子程序分开编写，以库的形式给出供主程序调用，网关模块内置TCP/IP协议栈，提供了连接网络的API接口,可通过AT指令直接对其进行网络配置，降低了设计的复杂度，系统上电后，初始化应用程序，选定一个PANID作为协调器的网络标识，创建路由表，建立ZigBee网络并通知其他节点加入，初始化完毕后监听网络，等候外部事件中断的产生，并通过判断响应的类型进行相应的数据转发动作，无线定位网络协调器节点工作过程如下：首先建立ZigBee网络，协调器通过扫描空信道尝试建立一个新的网络，协调器首先进行信道扫描，采用一个其他网络没有使用的一个随机的个人区域网络(Personal Area Network，PANID)空闲信道；同时规定Cluster-Tree的拓扑参数，如最大的子节点数(Cm)、最大层数(Lm)、路由算法、路由表生存期等，此时就建立了网络。

协调器启动后，其它普通节点加入网络时，只要将自己的信道设置成与现有的协调器使用的信道相同，并提供正确的认证信息，即可请求加入(Join)网络，一个节点加入网络后，可以从其父节点得到自己的短MAC地址，ZigBee网络地址以及协调器规定的拓扑参数，同理，一个节点要离开(Leave)网络，只须向其父节点提出请求即可，一个父节点若成功地接收一个子节点，或者其子节点成功脱离网络，都必须向协调器汇报，因此，协调器可以即时掌握网络的所有节点信息，维护网络信息库(PIB，PAN Information Base)。

协调器节点接收所有节点的数据均显示在自己的LCD上，并将接收到的数据全部上传至监控主机以便于数据的分析和保存，在此期间，也可以向下发送命令，若有多个设备节点同时向协调器节点发送请求，协调器节点来不及响应处理会丢掉一些请求,发现自己的请求未得到响应的设备节点过几秒钟再次发出请求,直到得到协调器节点的响应为止，协调器不休眠，它会一直处于正常工作状态。它的事件主要有接收子节点发来的数据，将数据显示，上传至监控主机，按键命令等。

当协调器将网络建立好之后，协调器在网络中的作用与路由器相同，如果断掉协调器，网络还可以维持，即可以继续进行数据传输等，但是不能有新的节点加入，由于在设计中所有数据都发往协调器，如果协调器失效，会导致所有数据不断重发，影响网络运行。

参考图14～图16，监控中心后台管理软件架构采用基于面向TCP/IP协议的Socket通信机制的C/S结构，结合SQL server数据库，采用C编写后台管理系统，监控中心后台管理系统建立在微软的.Net平台上，借助.Net实现了监控软件的平台无关性，使该系统具有极大的伸缩性。

整个监控系统主要由数据库管理服务器、数据处理服务器及系统管理服务器三个部分组成，数据库管理服务器包括数据库服务器和数据库，数据库服务器负责各个模块与数据库的交互，使数据库对其他模块透明，数据库用于存储数据，数据处理服务器负责解析接收的数据，然后将其送往统一管理服务器，系统管理服务器主要负责与用户交互，使用户能够根据需要配置整个系统，按需求显示监控数据，查询历史数据等。

远程监控中心监管软件平台实时监控ZigBee节点传来会对传来的信息进行处理分析，当出现气体浓度异常、管道环境温湿度异常、管道震动异常、管道腐蚀异常等危险信息时，平台会及时发出警报，提示管理人员采取必要措施，尽可能减少危险燃气泄漏、爆炸造成的破坏及损失。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于ZigBee无线通信技术的天然气管道实时监控系统，其特征是，它包括：数据采集模块、传感器与ZigBee模块组合成数据采集及无线传感器终端节点、GPRS/WIFI/4G通信模块和远程监控模块相连接。

2.根据权利要求1所述的基于ZigBee无线通信技术的天然气管道实时监控系统，其特征是，所述的数据采集模块是针对天然气管道的腐蚀、气体泄漏、环境温度、施工破坏的相关参数进行实时采集。

3.根据权利要求1所述的基于ZigBee无线通信技术的天然气管道实时监控系统，其特征是，所述的传感器与ZigBee模块组合成数据采集及无线传感器终端节点包括：采集模块、定位模块、处理模块、电源模块和无线通信模块，采集模块的气体传感器、温度传感器、压力传感器、流量传感器和振动传感器把采集到的天然气管道的信息通过连接器发送给处理模块；处理模块的处理器需要采用嵌入式CPU控制整个传感器节点协调工作，对采集模块获取的信息进行必要的处理、保存，控制采集模块和电源的工作模式，存储器对采集的数据及其它邻近节点发来的数据进行存储；无线通信模块的射频天线单元负责与采集模块传感器或观察者的通信和信息的接收与发射；电源模块为采集模块的传感器提供正常工作所必需的能量，电源模块利用CPU的通用I/O口控制开关管的通断，进而控制采集模块的传感器工作，当节点进入深度休眠时，断开开关，使采集模块的整个传感器处于几乎不耗电的状态，电源模块由电源、电源检测电路和充电接口电路三部分组成，电源采用可充电锂电池，由电源检测电路测到的电量值通过CPU的模数转换通道ADC后经无线方式发送到监测中心进行实时显示，当电源电量不足时，通过充电接口电路部分实现锂电池充电；采集模块的每个传感器节点兼顾传统网络节点的终端和路由器双重功能，除了进行本地信息收集和数据处理之外，还要对其他节点转发来的数据进行存储、管理和融合等处理，汇聚节点的处理能力，连接传感器网络与Internet外部网络，实现两种协议的通信转换，同时发布管理节点的监测任务，并把收集的数据转发到外部网络上，汇聚节点既能够是一个具有增强功能的传感器节点，有足够的能量供给和更多的内存与计算资源，亦可是没有监测功能仅带有无线通信接口的网关设备。

4.根据权利要求1所述的基于ZigBee无线通信技术的天然气管道实时监控系统，其特征是，所述的GPRS/WIFI/4G通信模块用于GPRS模块的数据收发、ZigBee模块传感器节点的数据采集及发送、路由节点与GPRS模块之间的数据通信。

5.根据权利要求1所述的基于ZigBee无线通信技术的天然气管道实时监控系统，其特征是，所述的远程监控模块用于用户数据传送至远程数据库，监控中心客户端对数据进行实时访问，通过人机交互界面清晰地显示出各种参数信息及定位信息，在监控中心实现实时报警 功能。