ZigBee技術在輸油管泄漏監測系統中的應用研究

近年來，由于管道老化以及其他自然或人為原因導致輸油管道泄漏事故在國內外頻頻發生。輸油管道的泄漏不僅會造成經濟上的巨大損失，而且會污染環境，甚至引起火災，給人們的生命財產安全帶來了極大的威脅，因此管道泄漏監測技術的研究一直是國內外工業界和學術界普遍關注的問題。ZigBee技術是當前新興的一種近距離、低數據速率無線通信技術，它基于IEEE 802.15.4協議標準。筆者結合ZigBee技術的低成本、低功耗、設備地址唯一性等優點，設計了適用于野外輸油管泄漏監測的控制方案，給出了監測節點的設計原理及其在管道泄漏監測系統中的應用。

系統總體設計
系統總體設計如圖1所示。該監測系統采用兩層主從式結構，上層為檢測數據分析和管理系統，主要由一臺配置了泄漏監測系統分析軟件的工控機和打印機組成，是主控單元；下層為ZigBee傳感器網絡，主要由監測節點和匯聚節點組成，是監測單元。管道系統是自平衡系統，管路的流量是泵站的排量，輸油泵的總揚程就是管路的總壓力降，所以要準確監測管道的工作狀況必須把泵站和管道系統統一考慮。當管道發生泄漏時，上一站的出站壓力有所下降，而流量有所升高，下一站的進站壓力、流量都有所降低。調泵使泵轉速升高時，出站壓力上升、流量增大，下一站的進站壓力、流量都有所上升；泵轉速降低時，情況相反。這顯然與泄漏時的壓力、流量變化情況不同。因此，本設計采用壓力流量聯合判斷的方法來監測泄漏的發生。

圖1 輸油管泄漏監測系統組成

由于監測節點由電池供電，能量有限，本系統采用定更巡回監測的工作方式，即每隔一定的周期時間啟動一次監測，以保證監測網絡具有2年或更長的工作壽命。

監測節點硬件設計
下層監測網絡中包括兩種硬件模塊：監測節點和匯聚節點。二者硬件電路基本相同，匯聚節點只是增加了長距離通信電路（如GSM或者RS485）。根據ZigBee技術的原理和特點，本文選用ST的8位低成本單片機STM8S105C6T6為控制器，以Chipcon公司的CC2420為射頻收發器，設計了監測節點的硬件結構，如圖2所示。

圖2 監測節點硬件結構圖

1 射頻收發芯片選型
射頻收發芯片是節點之間可靠通信的關鍵模塊。由于監測節點安裝在管道內部，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：

● 功耗低，支持休眠模式，便于根據具體工作狀態進行功耗管理，以盡可能延長監測網絡的工作壽命；

● 誤碼率低，支持自動CRC校驗，有較強抗干擾性；