徐功文，张志军，杨磊，杜向华

(山东建筑大学计算机科学与技术学院，山东 济南 250101)

0 引言

热力管道通常分为供暖热力管道和工业热力管道两类，是社会经济建设和人民生活的重要物质基础，在经济发展和人民生活中发挥着不可替代的作用;随着我国经济的快速增长，人民生活水平的不断提高，城市人口密度的不断增大，对城市热力管道建设的要求也越来越高。

与此同时，热力管道存在着安全隐患，国内外发生过不同程度的热力管道爆炸事件。2007年7月20的纽约热力管道爆炸，造成多人伤亡和财产损失，交通瘫痪，同时居民误以为是恐怖袭击而造成很大心理影响;国内也发生过多起热力管道爆炸事件。热力管道爆炸，大多是因为管道老化发生漏气、漏水，或者因为雨后积水或大量污水聚在热力管道周围，不断气化形成大量蒸汽聚集难以疏散，压力过高而引起;同时，管道内部压力过大而造成的管道爆炸也时有发生。管道爆炸一方面会对交通、公共设施或路人的生命安全等造成很大的威胁，另一方面也造成水资源和热力资源的浪费。

在德国、瑞典等国家，已经实现远距离控制下的管道状态检测作业，管道内检测技术包括测径器检测法、超声波检测法、漏磁检测法等;这些管道内检测技术在石油管道、给排水管道中得到了普遍的应用，但在热力管道中应用较少。主要因为这些方法都需要停止供热并冷却后进行检测，只能间断进行，易发生停运的事故，并且设备造价较高[1]。

陈书旺，等人根据地下管道的红外成像来检测，这种方法由于其测量的是地表温度，因此受环境影响相当大。另外，当目标与环境的温度差很小的时候，测量极为困难，这也是此方法的局限性[2]。袁朝庆等研究人员根据光纤光栅温度传感技术来检测热力管道泄漏，该方法需要布设光纤，购置光纤光栅网络分析仪，成本较高[3]。

论文设计的城市热力管道检测系统，不存在布线问题，节省成本，测量信息精确度高，而且具有安全性、灵活性、可靠性、可管理等优点。

1 系统总体设计方案

热力管道检测系统主要完成管道内流体的实时信息检测、故障报警等任务，防止意外事故的发生，保障居民的生活和生产安全，同时也避免热力资源的浪费。本论文基于物联网技术、ZigBee协议构建城市热力管道检测系统，在热力管道的关键部位部署传感器节点，并通过无线信号传输所采集的信息，对城市、大型工业公司或居民小区的主供热管道及其重要分支进行实时监控，以达到检测热力管道的目的。

论文设计的检测系统主要包括传感器节点、无线传感器网络和检测平台三部分，如图1所示。

本系统所研发的传感器节点就是一种可以实现自动组网、自动通讯的智能物联网ZigBee无线数传模块，它们能够耐高温、高压，实时采集数据。传感器节点在管道接口处置放于管道内，热力管道一般长度在6m，每隔5根热力管道布置一个传感器节点，传感器节点间距离为30m左右。传感器采集的数据由采用ZigBee技术的无线通信芯片发送出去。这些传感器只需要很低的功耗，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，它们的通信效率非常高。数据最后由ZigBee路由节点融合汇聚、通过 ZigBee协调器收集到上位机[4]。

图1 热力管道检测系统结构

在ZigBee网络中，根据距离的远近和障碍物情况布设ZigBee主协调器和路由器。整个ZigBee网络还可以与现有的其它的各种网络连接。例如可以通过互联网监控某个ZigBee网络。

检测平台接收、显示、存储传感器网络送来的温度、流量、压力等数据;然后进行数据分析，防止意外事故的出现。

2 传感器节点设计

2.1 硬件设计

传感器节点主要完成数据采集、数据接收、数据传输等功能，通过传感器采集环境数据，包括温度、流量、压力等，进行A/D转换，经由处理器处理，最后由射频模块把采集到的数据发送到相邻的传感器节点。

节点需要集成PIC18F4620控制器、CC2420无线通信芯片、以及压力传感器、流量传感器、温度传感器三种类型的传感器。

PIC18F4620是Microchip公司推出的8位微处理器，具有多种省电模式可供选择，降低功耗，具有13个10位A/D转换器、4个定时器、36个I/O接口。CC2420是Chipcon公司推出的2.4GHz ISM公用频道的射频收发器，具有功耗低、抗干扰能力强等特定，可以满足10到100m的通信距离;主要实现物理层的数据收发和底层控制[5]。

微处理器PIC18F4620和CC2420之间通过SPI(Serial Peripheral Interface)接口相连，进行数据交换和命令传递;传感器采用具有I2C总线接口的耐高温、高压的数字智能传感器;微处理器通过I2C总线与传感器模块连接[6]。

CC2420采用低电压供电并具有休眠模式，从休眠模式到激活模式时延短，功耗大大降低;PIC18F4620也是一款点电压供电的设备，具有运行、空闲、休眠等三种功耗管理模式。PIC处理器和CC2420芯片搭建的平台体积小、功耗低，采用两节五号电池供电，休眠待机电流在0.2mA左右[7]。

传感器节点结构如图2所示。

图2 传感器节点结构

2.2 ZigBee协议栈

图3 ZigBee协议栈架构

ZigBee技术的核心是其协议栈代码，这些代码与硬件平台配合，可以实现数据的收发以及路由计算等功能。本设计采用Microchip公司的ZigBee协议栈，该协议栈是针对该公司的PIC18F系列单片机加CC2420的节点平台架构而设计的，主要用于低功耗、低成本设备的连接，这些功能特点符合热力管道数据采集的需求。协议开发采用MPLAB ICD2仿真器，该仿真器是Microchip公司为PIC18系列单片机设计的一种在线调试开发工具。用C语言来开发，C语言代码效率高、软件调试直观、系统维护升级方便、代码的重复利用率高、便于跨平台移植。

图3为 ZigBee协议栈架构，IEEE 802.15.4满足OSI定义的最下面两层:物理层和 MAC层;ZigBee联盟设计了网络层和应用层。每一个层次有相关代码，在独立的源文件里。服务和API接口在头文件中定义。为了实现模块化，上一层协议会定义完善的API接口，同下一层进行交互。用户应用程序和应用支持子层以及应用层交互;应用层模块提供协议栈管理功能，用户的应用程序通过该模块实现协议栈的管理。应用支持子层提供ZigBee端点设备的接口，通过该层打开或关闭端点，并收发数据;应用支持子层同时还提供间接发送缓冲器，以存储间接帧，直到接收方索取这些数据帧。ZigBee设备对象层负责对远程设备的请求进行接收、处理等工作。

网络层完成网络连接的建立、维护等功能，处理输入、输出的数据;MAC(介质访问层)完成IEEE 802.15.4 规范，同时与物理层进行交互[8]。

3 ZigBee组网过程设计

在无线传输过程中，需要ZigBee协调器配置网络参数、启动网络、维护网络运行，实现采集数据的收发。

首先 ZigBee协调器进行初始化工作，调用aplFormNetwork()函数组建网络;然后协调器发送广播信息给相同信道内的节点，声明自己为协调器，随机选择一个没有冲突的PAN ID(Personal Area Network Identity)广播出去，开始侦听该信道，看有无网络连接请求;传感器节点通过aplJoinNetwork()函数加入ZigBee网络，节点加电后扫描信道找到协调器，申请加入网络，把自己的64位物理地址发送给协调器;如果协调器在判断后允许节点加入，会分配16位地址发送给传感器节点，该地址为节点的唯一标识。至此传感器节点成功地加入到ZigBee网络中[9]。

网络搭建成功后，协调器还要负责和节点之间协调、维护网络运行，发送控制命令。传感器节点把采集的数据放在TxBuffer数据帧中，通过CC2420发送数据包，数据包经由ZigBee路由节点转发到协调器，在APSDE.DATA.indication原语中，协调器定义BYTE类型的数组，该数组存放收到的数据，最终把这些数据送到上位机[10]。

4 上位机程序

ZigBee协调器和上位机通过RS232相连，协调器接收传感器节点发来的采集数据，通过RS232串行总线实时发给上位机;上位机程序收集热力管道的温度、压力、流量等信息，存储于数据库系统。根据历史数据和其他实践经验，在上位机检测系统设置基准线，对热力管道的布控位置进行实时监控，不同的传感器节点配置有不同的网络地址。一旦有数据超出阈值，系统发出报警，并以短信等方式通知管理人员，管理员根据地址信息对热力管道故障点进行定位，以及时排除故障，防止意外事故出现[11]。

5 结论

本文设计、开发了基于物联网技术的城市热力管道检测系统，该系统首先基于ZigBee协议开发了传感器节点，该节点集成了流量、温度、压力传感器，传感器采集数据，通过ZigBee芯片发送出去;通过无线传感网，最终发送到上位机检测系统，检测系统可以实时监控数据并在意外时发出报警。

实现热力管道的检测，既能有效、方便地供应热力资源，减少额外的浪费;又能够保障热力供应的安全实施。该系统的开发与实现，对推广节能减排理念、提倡低碳生活，对促进国民经济建设的发展和社会意识形态的建设，都具有积极的作用。

[1]刘荣，李孝萍，马孝春.热力管道状态检测技术研究[M].煤气与热力，2011，31(2):A24 －A28.

[2]陈书旺，王明时.地下管道的红外成像检测法[C].中国光学学会2004年学术大会，2004:41－44.

[3]袁朝庆.热力管道泄漏光纤光栅检测技术研究[D].北京:中国地震局工程力学研究所，2007:9－15.

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[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]林少锋，何一.基于CC2420的ZigBee无线网络节点设计[J].电子设计工程，2009.17(3):66－68.

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