基于物聯網的城市熱力管道檢測系統的設計

徐功文，張志軍，楊磊，杜向華

(山東建筑大學計算機科學與技術學院，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熱力管道兩類，是社會經濟建設和人民生活的重要物質基礎，在經濟發展和人民生活中發揮著不可替代的作用;隨著我國經濟的快速增長，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，國內外發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;國內也發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，管道內部壓力過大而造成的管道爆炸也時有發生。管道爆炸一方面會對交通、公共設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，已經實現遠距離控制下的管道狀態檢測作業，管道內檢測技術包括測徑器檢測法、超聲波檢測法、漏磁檢測法等;這些管道內檢測技術在石油管道、給排水管道中得到了普遍的應用，但在熱力管道中應用較少。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，易發生停運的事故，并且設備造價較高[1]。

陳書旺，等人根據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，因此受環境影響相當大。另外，當目標與環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光纖光柵溫度傳感技術來檢測熱力管道泄漏，該方法需要布設光纖，購置光纖光柵網絡分析儀，成本較高[3]。

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

1 系統總體設計方案

熱力管道檢測系統主要完成管道內流體的實時信息檢測、故障報警等任務，防止意外事故的發生，保障居民的生活和生產安全，同時也避免熱力資源的浪費。本論文基于物聯網技術、ZigBee協議構建城市熱力管道檢測系統，在熱力管道的關鍵部位部署傳感器節點，并通過無線信號傳輸所采集的信息，對城市、大型工業公司或居民小區的主供熱管道及其重要分支進行實時監控，以達到檢測熱力管道的目的。

論文設計的檢測系統主要包括傳感器節點、無線傳感器網絡和檢測平臺三部分，如圖1所示。

本系統所研發的傳感器節點就是一種可以實現自動組網、自動通訊的智能物聯網ZigBee無線數傳模塊，它們能夠耐高溫、高壓，實時采集數據。傳感器節點在管道接口處置放于管道內，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點，傳感器節點間距離為30m左右。傳感器采集的數據由采用ZigBee技術的無線通信芯片發送出去。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據從一個傳感器傳到另一個傳感器，它們的通信效率非常高。數據最后由ZigBee路由節點融合匯聚、通過 ZigBee協調器收集到上位機[4]。

圖1 熱力管道檢測系統結構

在ZigBee網絡中，根據距離的遠近和障礙物情況布設ZigBee主協調器和路由器。整個ZigBee網絡還可以與現有的其它的各種網絡連接。例如可以通過互聯網監控某個ZigBee網絡。

檢測平臺接收、顯示、存儲傳感器網絡送來的溫度、流量、壓力等數據;然后進行數據分析，防止意外事故的出現。

2 傳感器節點設計

2.1 硬件設計

傳感器節點主要完成數據采集、數據接收、數據傳輸等功能，通過傳感器采集環境數據，包括溫度、流量、壓力等，進行A/D轉換，經由處理器處理，最后由射頻模塊把采集到的數據發送到相鄰的傳感器節點。

節點需要集成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;主要實現物理層的數據收發和底層控制[5]。

微處理器PIC18F4620和CC2420之間通過SPI(Serial Peripheral Interface)接口相連，進行數據交換和命令傳遞;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，采用兩節五號電池供電，休眠待機電流在0.2mA左右[7]。

傳感器節點結構如圖2所示。

圖2 傳感器節點結構

2.2 ZigBee協議棧

圖3 ZigBee協議棧架構

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

圖3為 ZigBee協議棧架構，IEEE 802.15.4滿足OSI定義的最下面兩層:物理層和 MAC層;ZigBee聯盟設計了網絡層和應用層。每一個層次有相關代碼，在獨立的源文件里。服務和API接口在頭文件中定義。為了實現模塊化，上一層協議會定義完善的API接口，同下一層進行交互。用戶應用程序和應用支持子層以及應用層交互;應用層模塊提供協議棧管理功能，用戶的應用程序通過該模塊實現協議棧的管理。應用支持子層提供ZigBee端點設備的接口，通過該層打開或關閉端點，并收發數據;應用支持子層同時還提供間接發送緩沖器，以存儲間接幀，直到接收方索取這些數據幀。ZigBee設備對象層負責對遠程設備的請求進行接收、處理等工作。

網絡層完成網絡連接的建立、維護等功能，處理輸入、輸出的數據;MAC(介質訪問層)完成IEEE 802.15.4 規范，同時與物理層進行交互[8]。

3 ZigBee組網過程設計

在無線傳輸過程中，需要ZigBee協調器配置網絡參數、啟動網絡、維護網絡運行，實現采集數據的收發。

首先 ZigBee協調器進行初始化工作，調用aplFormNetwork()函數組建網絡;然后協調器發送廣播信息給相同信道內的節點，聲明自己為協調器，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，看有無網絡連接請求;傳感器節點通過aplJoinNetwork()函數加入ZigBee網絡，節點加電后掃描信道找到協調器，申請加入網絡，把自己的64位物理地址發送給協調器;如果協調器在判斷后允許節點加入，會分配16位地址發送給傳感器節點，該地址為節點的唯一標識。至此傳感器節點成功地加入到ZigBee網絡中[9]。

網絡搭建成功后，協調器還要負責和節點之間協調、維護網絡運行，發送控制命令。傳感器節點把采集的數據放在TxBuffer數據幀中，通過CC2420發送數據包，數據包經由ZigBee路由節點轉發到協調器，在APSDE.DATA.indication原語中，協調器定義BYTE類型的數組，該數組存放收到的數據，最終把這些數據送到上位機[10]。

4 上位機程序

ZigBee協調器和上位機通過RS232相連，協調器接收傳感器節點發來的采集數據，通過RS232串行總線實時發給上位機;上位機程序收集熱力管道的溫度、壓力、流量等信息，存儲于數據庫系統。根據歷史數據和其他實踐經驗，在上位機檢測系統設置基準線，對熱力管道的布控位置進行實時監控，不同的傳感器節點配置有不同的網絡地址。一旦有數據超出閾值，系統發出報警，并以短信等方式通知管理人員，管理員根據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[11]。

5 結論

本文設計、開發了基于物聯網技術的城市熱力管道檢測系統，該系統首先基于ZigBee協議開發了傳感器節點，該節點集成了流量、溫度、壓力傳感器，傳感器采集數據，通過ZigBee芯片發送出去;通過無線傳感網，最終發送到上位機檢測系統，檢測系統可以實時監控數據并在意外時發出報警。

實現熱力管道的檢測，既能有效、方便地供應熱力資源，減少額外的浪費;又能夠保障熱力供應的安全實施。該系統的開發與實現，對推廣節能減排理念、提倡低碳生活，對促進國民經濟建設的發展和社會意識形態的建設，都具有積極的作用。

[1]劉榮，李孝萍，馬孝春.熱力管道狀態檢測技術研究[M].煤氣與熱力，2011，31(2):A24 －A28.

[2]陳書旺，王明時.地下管道的紅外成像檢測法[C].中國光學學會2004年學術大會，2004:41－44.

[3]袁朝慶.熱力管道泄漏光纖光柵檢測技術研究[D].北京:中國地震局工程力學研究所，2007:9－15.

[4]龐娜，程德福.基于ZigBee無線傳感器網絡的溫室監測系統設計[J].吉林大學學報(信息科學版)，2010，28(1):55 －60.

[5]Xu Gongwen;Zhang Zhijun;Ma Hongwei，et al.Design of wireless sensor network nodes of thermal pipeline based on ZigBee[C].MIM 2012.Switzerland:Trans Tech Publications:248 －251.

[6]林少鋒，何一.基于CC2420的ZigBee無線網絡節點設計[J].電子設計工程，2009.17(3):66－68.

[7]李文仲，，段朝玉.PIC單片機與ZigBee無線網絡實戰[M].北京:北京航空航天大學出版社，2007.

[8]趙琦，姚慶梅.基于ARM及嵌入式操作系統的通信管理機[J].山東建筑大學學報，2009，24(1):54 －58.

[9]朱博，戴先中，李新德.一種基于物聯網的場所感知系統初探[J].計算機科學，2012，39(2):216 －221.

[10]唐靜，李淼，張建，等.基于ZigBee網絡的經濟林無線信息監控系統設計[J].儀表技術，2011(3):22 －24.

[11]陳萍，高騰，劉兆峰，等.基于GPRS的熱力管網監測軟件設計[J].山東建筑大學學報，2011，26(4):403－410.