摘　要：針對(duì)管道泄漏監(jiān)測(cè)的應(yīng)用場(chǎng)景，提出了一種管道泄漏遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)檢測(cè)的方案，其特點(diǎn)是結(jié)合GPRS網(wǎng)絡(luò)和分簇結(jié)構(gòu)的WSN實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)傳輸。設(shè)計(jì)了一種由傳感器節(jié)點(diǎn)、集中節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)協(xié)同工作的無(wú)線傳感器監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，并提出了適用于管道泄漏監(jiān)測(cè)的多層次分簇路由協(xié)議、MAC層防數(shù)據(jù)碰撞機(jī)制和基于RTC時(shí)間的數(shù)據(jù)同步采集機(jī)制。該系統(tǒng)能夠正確、穩(wěn)定地完成數(shù)據(jù)采集，并達(dá)到了低功耗的設(shè)計(jì)目標(biāo)，滿足實(shí)際檢則需要。

關(guān)鍵詞：GPRS；WSN；數(shù)據(jù)采集；時(shí)間同步

燃?xì)夤艿朗蔷哂斜ㄎｋU(xiǎn)的特種承壓設(shè)備(特種輸送設(shè)備)，承裝著易燃、易爆介質(zhì)，一旦發(fā)生爆炸或泄漏，后果往往非常嚴(yán)重，會(huì)帶來(lái)巨大損失和危害。因此，加強(qiáng)檢驗(yàn)工作、保障壓力管道長(zhǎng)期安全運(yùn)行具有巨大的經(jīng)濟(jì)意義和社會(huì)意義。

由于現(xiàn)有許多管網(wǎng)檢測(cè)方法都存在成本高、精度不足、無(wú)法廣泛應(yīng)用的問題，嚴(yán)重制約了市政管網(wǎng)檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用。而且現(xiàn)有方法往往是針對(duì)點(diǎn)、線進(jìn)行檢測(cè)的方法，其檢測(cè)結(jié)果的可靠度有限。具有快速部署、自組織成網(wǎng)和分布式協(xié)同工作能力的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)能夠有效解決現(xiàn)有管道輸送監(jiān)控系統(tǒng)的固有缺陷、滿足其多點(diǎn)、高效、高性能的監(jiān)測(cè)需求^[1]。因此，采用基于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的在線監(jiān)測(cè)技術(shù)，不但有利于同步檢測(cè)范圍擴(kuò)展到管網(wǎng)的面，甚至擴(kuò)展到全方位同步立體檢測(cè)網(wǎng)，還可以大大提高檢測(cè)可信度，也解決了被測(cè)對(duì)象地緣覆蓋廣、監(jiān)測(cè)位置動(dòng)態(tài)變化大和監(jiān)測(cè)儀表地下安裝成本高等問題。

目前，國(guó)內(nèi)針對(duì)市政管網(wǎng)監(jiān)測(cè)應(yīng)用場(chǎng)合的研究還處于探索和起步階段，特別是管網(wǎng)監(jiān)測(cè)和管理側(cè)重于泄漏、爆管等事故發(fā)生后的維修和補(bǔ)救，尚沒有形成動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)性診斷集成系統(tǒng)，不具備管網(wǎng)的災(zāi)害預(yù)警功能。筆者提出的基于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的燃?xì)夤艿佬孤z測(cè)系統(tǒng)，主要研究和實(shí)現(xiàn)有效的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、分布式協(xié)同管理方法和網(wǎng)絡(luò)同步機(jī)制等關(guān)鍵問題，通過(guò)測(cè)量輸送管道溫度、壓力和流量等參數(shù)，間接地實(shí)現(xiàn)對(duì)管道泄漏情況的檢測(cè)。

1 天然氣管道泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)的天然氣管道泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，由無(wú)線傳感器監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)管理中心兩部分組成，如圖1所示。其中，無(wú)線傳感器監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)是由大量部署在城市天然氣管網(wǎng)上的具有感知、計(jì)算和通信能力的智能傳感器節(jié)點(diǎn)組成，負(fù)責(zé)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)采集天然氣管道的壓力、流量、溫度等參數(shù)，并基于ZigBee無(wú)線通信協(xié)議組建網(wǎng)絡(luò)，所有節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)最終路由到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，由網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)將全部數(shù)據(jù)通過(guò)通用無(wú)線分組業(yè)務(wù)(GPRS)或有線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心；遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)管理中心負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的接收、存儲(chǔ)和時(shí)空分析，根據(jù)需要發(fā)布預(yù)警信息和采取進(jìn)一步的補(bǔ)救措施。

為了滿足管網(wǎng)監(jiān)測(cè)應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)需求，并考慮IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)(包括用于低速無(wú)線個(gè)人域網(wǎng)(LR-WPAN)的物理層和媒體接入控制層兩個(gè)規(guī)范)和ZigBee規(guī)范在網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)方面的支持，提出了面向管網(wǎng)監(jiān)測(cè)應(yīng)用的多層次分簇的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，如圖2所示。為提高網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性，同時(shí)降低網(wǎng)絡(luò)管理的復(fù)雜度，采用分簇的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，即將監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)劃分為若干個(gè)簇，每個(gè)簇由一個(gè)簇首和若干個(gè)簇內(nèi)成員組成；低一級(jí)的簇首是高一級(jí)簇的簇內(nèi)成員，簇內(nèi)成員只與簇首節(jié)點(diǎn)進(jìn)行直接的通信，而簇首節(jié)點(diǎn)則負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)在更大范圍內(nèi)的路由與轉(zhuǎn)發(fā)；最高層的簇首為集中節(jié)點(diǎn)與匯聚節(jié)點(diǎn)直接通訊。

2 無(wú)線傳感器監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)架構(gòu)

無(wú)線傳感器監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，主要包括傳感器節(jié)點(diǎn)、集中節(jié)點(diǎn)(擔(dān)當(dāng)最高層的簇首)和匯聚節(jié)點(diǎn)三類節(jié)點(diǎn)，下面分別介紹它們的特點(diǎn)及主要功能。

2.1 傳感器節(jié)點(diǎn)特點(diǎn)及主要功能

傳感器節(jié)點(diǎn)由傳感器模塊、處理器模塊、無(wú)線通信模塊和能量供應(yīng)模塊四部分組成，如圖3所示。傳感器模塊負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)信息的采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換.由電阻應(yīng)變?cè)?、溫度傳感器和信?hào)調(diào)理電路等組成^[2]。處理器模塊采用了美國(guó)德州儀器(Tl)的16位超低功耗的MSP430處理器。CC2420射頻模塊實(shí)現(xiàn)WSN的數(shù)據(jù)通信，CC2420采用2.4GHz頻帶，2.4GHz頻段是全球通用的ISM頻段。

    傳感器節(jié)點(diǎn)采用電池供電方式，它的計(jì)算和存儲(chǔ)能力相對(duì)弱些，沿天然氣管道定間隔部署，節(jié)點(diǎn)間可靈活的采用管內(nèi)無(wú)線或管外無(wú)線的通信方式，其基本功能包括：①實(shí)時(shí)采集各類泄漏信號(hào)，如溫度、震動(dòng)和壓力等。②對(duì)提取的信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，并對(duì)管道的當(dāng)前狀態(tài)作出初始診斷。③將檢測(cè)的結(jié)果多跳發(fā)送到匯聚節(jié)點(diǎn)。④轉(zhuǎn)發(fā)其它臨節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)^[3]。

2.2 集中節(jié)點(diǎn)特點(diǎn)及主要功能

集中節(jié)點(diǎn)的計(jì)算和存儲(chǔ)能力均相對(duì)較強(qiáng)，擔(dān)當(dāng)簇頭，一般攜帶有GPS接收模塊，可安裝在地面建筑物等設(shè)施上，并通過(guò)有線方式供電，其部署的密度要遠(yuǎn)小于普通節(jié)點(diǎn)，基本功能包括： ①管理和維護(hù)一定范圍內(nèi)的傳感器節(jié)點(diǎn)。②通過(guò)GPS定位管網(wǎng)檢測(cè)系統(tǒng)的位置。③對(duì)簇內(nèi)成員節(jié)點(diǎn)的檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，最終判斷管道是否發(fā)生泄漏、腐蝕以及有無(wú)施工破壞等。④通過(guò)無(wú)線或有線通信方式將診斷結(jié)果發(fā)送至遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)管理中心。⑤接收來(lái)自匯聚節(jié)點(diǎn)的各種控制指令。

2.3 匯聚節(jié)點(diǎn)特點(diǎn)及主要功能

匯聚節(jié)點(diǎn)主要通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)建立集中節(jié)點(diǎn)與后臺(tái)監(jiān)控主機(jī)間的交互式通訊，將簇頭節(jié)點(diǎn)的各類診斷信息(位置、溫度、流量、泄漏狀況、節(jié)點(diǎn)自身狀態(tài)等)轉(zhuǎn)發(fā)給后臺(tái)監(jiān)控計(jì)算機(jī)，圖形化顯示整個(gè)管網(wǎng)的運(yùn)行狀況，對(duì)可能出現(xiàn)的問題采取及時(shí)的處理措施，保障管網(wǎng)安全。系統(tǒng)的GPRS模塊采用SIM900A，該模塊采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口，工作頻率為GSM/GPRS850/900/1800/1900MHz，可以低功耗實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音、SMS、數(shù)據(jù)和傳真信息的傳輸。網(wǎng)絡(luò)匯聚節(jié)點(diǎn)的供電系統(tǒng)盡量要采用穩(wěn)定的有線電源和外加電池供電，保證掉電后還能正常工作一段時(shí)間。

3 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 路由協(xié)議

考慮到系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和應(yīng)用到管道監(jiān)測(cè)中實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌酚蓞f(xié)議采用了多層次分簇的協(xié)議^[4]，具體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和工作過(guò)程見章節(jié)1。

整個(gè)路由協(xié)議由固定配置路由和動(dòng)態(tài)路由兩部分組成。其中，匯聚節(jié)點(diǎn)與集中節(jié)點(diǎn)采用單跳上行和下行路由傳輸，并由此組成固定的星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。而每個(gè)簇內(nèi)的路由拓?fù)鋭t按以下規(guī)則動(dòng)態(tài)生成：系統(tǒng)上電以后，匯聚節(jié)點(diǎn)以無(wú)線方式發(fā)起一個(gè)廣播成簇消息，集中節(jié)點(diǎn)收到該指令以后向簇內(nèi)成員節(jié)點(diǎn)進(jìn)行廣播，各節(jié)點(diǎn)通過(guò)轉(zhuǎn)發(fā)以及應(yīng)答查詢信息(包括轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)自身固有的位置、ID號(hào)等信息)，建立穩(wěn)定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及基于臨節(jié)點(diǎn)位置信息的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)路徑^[5]。

3.2 MAC協(xié)議

該系統(tǒng)采用了IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的MAC層機(jī)制，即一種以調(diào)度為主、兼含競(jìng)爭(zhēng)的混合型介質(zhì)訪問控制機(jī)制。在802.15.4MAC協(xié)議中同時(shí)包含了兩種信道介入方式?；诟?jìng)爭(zhēng)的信道介入采用CSMA/CA信道競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制，而對(duì)于一些有特殊要求的數(shù)據(jù)傳輸，則采用分配固定有保證時(shí)隙(GTS)的方式接入^[6]。

在IEEE802.15.4 MAC協(xié)議定義了超幀結(jié)構(gòu)，如圖4所示。在幀群中存在兩個(gè)部分：活躍期與不活躍期(休眠期)，在活躍期開放信道接入，休眠期關(guān)閉信道，進(jìn)入休眠狀態(tài)以減少能耗。

4 數(shù)據(jù)同步采集機(jī)制與低功耗設(shè)計(jì)

與通常的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用不同，用于管道監(jiān)測(cè)的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)是以數(shù)據(jù)為中心的分布式監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，需要精確的時(shí)間同步以達(dá)到監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制和正確的數(shù)據(jù)融合。該系統(tǒng)關(guān)注兩個(gè)問題：節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘漂移對(duì)網(wǎng)絡(luò)通信可靠性的影響和如何實(shí)現(xiàn)管道監(jiān)測(cè)應(yīng)用中數(shù)據(jù)同步采集^[7]。

該系統(tǒng)中每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)使用實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)維護(hù)一個(gè)本地絕對(duì)時(shí)間，各節(jié)點(diǎn)采用絕對(duì)時(shí)間來(lái)達(dá)到與系統(tǒng)時(shí)間同步。即以絕對(duì)時(shí)間為基準(zhǔn)的時(shí)間同步策略，具體采用簇頭廣播和簇內(nèi)偵聽相結(jié)合的方法。首先，由遠(yuǎn)程服務(wù)器向各匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)同步消息包，其中包括絕對(duì)時(shí)間信息。然后，匯聚節(jié)點(diǎn)廣播一個(gè)同步信息，各集中節(jié)點(diǎn)收到后將絕對(duì)時(shí)間寫入本地RTC，完成各簇頭的同步。接著，簇頭廣播同步消息，簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)接收廣播并完成簇內(nèi)的時(shí)間同步。由于此初始同步是在網(wǎng)絡(luò)建立起開始廣播的，后加入網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)無(wú)法收到廣播。此類節(jié)點(diǎn)向其他所有節(jié)點(diǎn)那里請(qǐng)求當(dāng)前最新的時(shí)鐘值，并采用中值來(lái)決定本地時(shí)鐘值。為解決由于時(shí)鐘漂移等因素導(dǎo)致的時(shí)鐘偏差問題，系統(tǒng)采用周期時(shí)鐘自校準(zhǔn)策略，基本思想是：每個(gè)校準(zhǔn)周期，從簇頭節(jié)點(diǎn)開始，依次向簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)RTC校準(zhǔn)，直到簇內(nèi)末節(jié)點(diǎn)，以達(dá)到網(wǎng)絡(luò)的時(shí)鐘同步。

同步數(shù)據(jù)采集以絕對(duì)的RTC時(shí)間為基礎(chǔ)，傳感器節(jié)點(diǎn)在完成一次采集任務(wù)后設(shè)定一個(gè)定時(shí)時(shí)間，然后節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠模式，休眠模式下節(jié)點(diǎn)休眠電流可達(dá)10μA以下。當(dāng)定時(shí)時(shí)間到達(dá)時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)定時(shí)中斷，從而使網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點(diǎn)同步采集監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

　　為了實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期的管網(wǎng)監(jiān)測(cè)，系統(tǒng)主要考慮了軟件設(shè)計(jì)的低功耗功能實(shí)現(xiàn)，具體的設(shè)計(jì)過(guò)程如下：①采用休眠/喚醒工作方式減少節(jié)點(diǎn)的功耗。以無(wú)線匯聚節(jié)點(diǎn)的采集命令作為網(wǎng)絡(luò)采集數(shù)據(jù)的開始，否則網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)處于低功耗狀態(tài)。②采用數(shù)據(jù)融合/發(fā)送方式降低數(shù)據(jù)通信量。由于節(jié)點(diǎn)的發(fā)送能耗大于接收等其他能耗，無(wú)線應(yīng)變節(jié)點(diǎn)將采集到的數(shù)據(jù)作多次平均后再發(fā)送(3-10次平均)。③采用短距離多跳方式調(diào)整發(fā)送功率、降低能耗。因?yàn)闊o(wú)線通信等能耗和傳輸距離的2次方成正比，所以采用多跳轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的方式節(jié)省能耗^[8]。

5 結(jié)論

針對(duì)管道泄漏監(jiān)測(cè)的應(yīng)用場(chǎng)景，文章提出了一種管道泄漏遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)檢測(cè)的方案，其特點(diǎn)是結(jié)合GPRS網(wǎng)絡(luò)和分簇結(jié)構(gòu)的WSN實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)傳輸。設(shè)計(jì)了一種由傳感器節(jié)點(diǎn)、集中節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)協(xié)同組成的無(wú)線傳感器監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)。介紹了系統(tǒng)

中無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)所采用的多層次分簇路由協(xié)議和MAC層防數(shù)據(jù)碰撞機(jī)制。詳細(xì)闡述了節(jié)點(diǎn)基于RTC時(shí)間的數(shù)據(jù)同步采集機(jī)制和低功耗設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)能夠正確、穩(wěn)定地完成數(shù)據(jù)采集，并達(dá)到了低功耗的設(shè)計(jì)目標(biāo)，能夠適用于同類數(shù)據(jù)檢測(cè)的應(yīng)用場(chǎng)合。但是，若要實(shí)現(xiàn)工程化，仍然存在許多問題值得進(jìn)一步深入研究、探索和完善，如泄漏點(diǎn)的定位技術(shù)、路由協(xié)議及MAC機(jī)制的優(yōu)化等問題。

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(本文作者：王平¹ 金辰捷¹ 田貴云^{1 2} 彭國(guó)華¹ 1.南京航空航天大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，南京 2.Newcastle大學(xué)電力電子與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，紐卡斯?fàn)?/span>)