摘　要：針對管道泄漏監(jiān)測的應(yīng)用場景，提出了一種管道泄漏遠程實時檢測的方案，其特點是結(jié)合GPRS網(wǎng)絡(luò)和分簇結(jié)構(gòu)的WSN實現(xiàn)遠距離的數(shù)據(jù)傳輸。設(shè)計了一種由傳感器節(jié)點、集中節(jié)點和匯聚節(jié)點協(xié)同工作的無線傳感器監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，并提出了適用于管道泄漏監(jiān)測的多層次分簇路由協(xié)議、MAC層防數(shù)據(jù)碰撞機制和基于RTC時間的數(shù)據(jù)同步采集機制。該系統(tǒng)能夠正確、穩(wěn)定地完成數(shù)據(jù)采集，并達到了低功耗的設(shè)計目標，滿足實際檢則需要。

關(guān)鍵詞：GPRS；WSN；數(shù)據(jù)采集；時間同步

燃氣管道是具有爆炸危險的特種承壓設(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，后果往往非常嚴重，會帶來巨大損失和危害。因此，加強檢驗工作、保障壓力管道長期安全運行具有巨大的經(jīng)濟意義和社會意義。

由于現(xiàn)有許多管網(wǎng)檢測方法都存在成本高、精度不足、無法廣泛應(yīng)用的問題，嚴重制約了市政管網(wǎng)檢測技術(shù)的應(yīng)用。而且現(xiàn)有方法往往是針對點、線進行檢測的方法，其檢測結(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、高效、高性能的監(jiān)測需求^[1]。因此，采用基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的在線監(jiān)測技術(shù)，不但有利于同步檢測范圍擴展到管網(wǎng)的面，甚至擴展到全方位同步立體檢測網(wǎng)，還可以大大提高檢測可信度，也解決了被測對象地緣覆蓋廣、監(jiān)測位置動態(tài)變化大和監(jiān)測儀表地下安裝成本高等問題。

目前，國內(nèi)針對市政管網(wǎng)監(jiān)測應(yīng)用場合的研究還處于探索和起步階段，特別是管網(wǎng)監(jiān)測和管理側(cè)重于泄漏、爆管等事故發(fā)生后的維修和補救，尚沒有形成動態(tài)實時監(jiān)測和預(yù)測性診斷集成系統(tǒng)，不具備管網(wǎng)的災(zāi)害預(yù)警功能。筆者提出的基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的燃氣管道泄漏檢測系統(tǒng)，主要研究和實現(xiàn)有效的無線傳感網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、分布式協(xié)同管理方法和網(wǎng)絡(luò)同步機制等關(guān)鍵問題，通過測量輸送管道溫度、壓力和流量等參數(shù)，間接地實現(xiàn)對管道泄漏情況的檢測。

1 天然氣管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)的總體設(shè)計

基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)的天然氣管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)，由無線傳感器監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)和遠程數(shù)據(jù)管理中心兩部分組成，如圖1所示。其中，無線傳感器監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)是由大量部署在城市天然氣管網(wǎng)上的具有感知、計算和通信能力的智能傳感器節(jié)點組成，負責(zé)遠程實時采集天然氣管道的壓力、流量、溫度等參數(shù)，并基于ZigBee無線通信協(xié)議組建網(wǎng)絡(luò)，所有節(jié)點的數(shù)據(jù)最終路由到網(wǎng)關(guān)節(jié)點，由網(wǎng)關(guān)節(jié)點將全部數(shù)據(jù)通過通用無線分組業(yè)務(wù)(GPRS)或有線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到遠程數(shù)據(jù)中心；遠程數(shù)據(jù)管理中心負責(zé)數(shù)據(jù)的接收、存儲和時空分析，根據(jù)需要發(fā)布預(yù)警信息和采取進一步的補救措施。

為了滿足管網(wǎng)監(jiān)測應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計需求，并考慮IEEE802.15.4標準(包括用于低速無線個人域網(wǎng)(LR-WPAN)的物理層和媒體接入控制層兩個規(guī)范)和ZigBee規(guī)范在網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)方面的支持，提出了面向管網(wǎng)監(jiān)測應(yīng)用的多層次分簇的無線傳感網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，如圖2所示。為提高網(wǎng)絡(luò)的可擴展性，同時降低網(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，即將監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)劃分為若干個簇，每個簇由一個簇首和若干個簇內(nèi)成員組成；低一級的簇首是高一級簇的簇內(nèi)成員，簇內(nèi)成員只與簇首節(jié)點進行直接的通信，而簇首節(jié)點則負責(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)點與匯聚節(jié)點直接通訊。

2 無線傳感器監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)架構(gòu)

無線傳感器監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，主要包括傳感器節(jié)點、集中節(jié)點(擔(dān)當(dāng)最高層的簇首)和匯聚節(jié)點三類節(jié)點，下面分別介紹它們的特點及主要功能。

2.1 傳感器節(jié)點特點及主要功能

傳感器節(jié)點由傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和能量供應(yīng)模塊四部分組成，如圖3所示。傳感器模塊負責(zé)監(jiān)測區(qū)域內(nèi)信息的采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換.由電阻應(yīng)變元件、溫度傳感器和信號調(diào)理電路等組成^[2]。處理器模塊采用了美國德州儀器(Tl)的16位超低功耗的MSP430處理器。CC2420射頻模塊實現(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)點采用電池供電方式，它的計算和存儲能力相對弱些，沿天然氣管道定間隔部署，節(jié)點間可靈活的采用管內(nèi)無線或管外無線的通信方式，其基本功能包括：①實時采集各類泄漏信號，如溫度、震動和壓力等。②對提取的信號進行預(yù)處理，并對管道的當(dāng)前狀態(tài)作出初始診斷。③將檢測的結(jié)果多跳發(fā)送到匯聚節(jié)點。④轉(zhuǎn)發(fā)其它臨節(jié)點的數(shù)據(jù)^[3]。

2.2 集中節(jié)點特點及主要功能

集中節(jié)點的計算和存儲能力均相對較強，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，并通過有線方式供電，其部署的密度要遠小于普通節(jié)點，基本功能包括： ①管理和維護一定范圍內(nèi)的傳感器節(jié)點。②通過GPS定位管網(wǎng)檢測系統(tǒng)的位置。③對簇內(nèi)成員節(jié)點的檢測數(shù)據(jù)進行融合處理，最終判斷管道是否發(fā)生泄漏、腐蝕以及有無施工破壞等。④通過無線或有線通信方式將診斷結(jié)果發(fā)送至遠程數(shù)據(jù)管理中心。⑤接收來自匯聚節(jié)點的各種控制指令。

2.3 匯聚節(jié)點特點及主要功能

匯聚節(jié)點主要通過GPRS網(wǎng)絡(luò)建立集中節(jié)點與后臺監(jiān)控主機間的交互式通訊，將簇頭節(jié)點的各類診斷信息(位置、溫度、流量、泄漏狀況、節(jié)點自身狀態(tài)等)轉(zhuǎn)發(fā)給后臺監(jiān)控計算機，圖形化顯示整個管網(wǎng)的運行狀況，對可能出現(xiàn)的問題采取及時的處理措施，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)標準接口，工作頻率為GSM/GPRS850/900/1800/1900MHz，可以低功耗實現(xiàn)語音、SMS、數(shù)據(jù)和傳真信息的傳輸。網(wǎng)絡(luò)匯聚節(jié)點的供電系統(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間。

3 無線傳感網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計

3.1 路由協(xié)議

考慮到系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的特點和應(yīng)用到管道監(jiān)測中實際的網(wǎng)絡(luò)拓撲，路由協(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)和工作過程見章節(jié)1。

整個路由協(xié)議由固定配置路由和動態(tài)路由兩部分組成。其中，匯聚節(jié)點與集中節(jié)點采用單跳上行和下行路由傳輸，并由此組成固定的星型拓撲結(jié)構(gòu)。而每個簇內(nèi)的路由拓撲則按以下規(guī)則動態(tài)生成：系統(tǒng)上電以后，匯聚節(jié)點以無線方式發(fā)起一個廣播成簇消息，集中節(jié)點收到該指令以后向簇內(nèi)成員節(jié)點進行廣播，各節(jié)點通過轉(zhuǎn)發(fā)以及應(yīng)答查詢信息(包括轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點自身固有的位置、ID號等信息)，建立穩(wěn)定的拓撲結(jié)構(gòu)以及基于臨節(jié)點位置信息的數(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標準的MAC層機制，即一種以調(diào)度為主、兼含競爭的混合型介質(zhì)訪問控制機制。在802.15.4MAC協(xié)議中同時包含了兩種信道介入方式。基于競爭的信道介入采用CSMA/CA信道競爭機制，而對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，進入休眠狀態(tài)以減少能耗。

4 數(shù)據(jù)同步采集機制與低功耗設(shè)計

與通常的無線傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用不同，用于管道監(jiān)測的無線傳感網(wǎng)絡(luò)是以數(shù)據(jù)為中心的分布式監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，需要精確的時間同步以達到監(jiān)測系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制和正確的數(shù)據(jù)融合。該系統(tǒng)關(guān)注兩個問題：節(jié)點時鐘漂移對網(wǎng)絡(luò)通信可靠性的影響和如何實現(xiàn)管道監(jiān)測應(yīng)用中數(shù)據(jù)同步采集^[7]。

該系統(tǒng)中每個傳感器節(jié)點使用實時時鐘(RTC)維護一個本地絕對時間，各節(jié)點采用絕對時間來達到與系統(tǒng)時間同步。即以絕對時間為基準的時間同步策略，具體采用簇頭廣播和簇內(nèi)偵聽相結(jié)合的方法。首先，由遠程服務(wù)器向各匯聚節(jié)點發(fā)送一個同步消息包，其中包括絕對時間信息。然后，匯聚節(jié)點廣播一個同步信息，各集中節(jié)點收到后將絕對時間寫入本地RTC，完成各簇頭的同步。接著，簇頭廣播同步消息，簇內(nèi)節(jié)點接收廣播并完成簇內(nèi)的時間同步。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)點無法收到廣播。此類節(jié)點向其他所有節(jié)點那里請求當(dāng)前最新的時鐘值，并采用中值來決定本地時鐘值。為解決由于時鐘漂移等因素導(dǎo)致的時鐘偏差問題，系統(tǒng)采用周期時鐘自校準策略，基本思想是：每個校準周期，從簇頭節(jié)點開始，依次向簇內(nèi)節(jié)點RTC校準，直到簇內(nèi)末節(jié)點，以達到網(wǎng)絡(luò)的時鐘同步。

同步數(shù)據(jù)采集以絕對的RTC時間為基礎(chǔ)，傳感器節(jié)點在完成一次采集任務(wù)后設(shè)定一個定時時間，然后節(jié)點進入休眠模式，休眠模式下節(jié)點休眠電流可達10μA以下。當(dāng)定時時間到達時，產(chǎn)生一個定時中斷，從而使網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點同步采集監(jiān)測數(shù)據(jù)。

　　為了實現(xiàn)長期的管網(wǎng)監(jiān)測，系統(tǒng)主要考慮了軟件設(shè)計的低功耗功能實現(xiàn)，具體的設(shè)計過程如下：①采用休眠/喚醒工作方式減少節(jié)點的功耗。以無線匯聚節(jié)點的采集命令作為網(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)點的發(fā)送能耗大于接收等其他能耗，無線應(yīng)變節(jié)點將采集到的數(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。因為無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

針對管道泄漏監(jiān)測的應(yīng)用場景，文章提出了一種管道泄漏遠程實時檢測的方案，其特點是結(jié)合GPRS網(wǎng)絡(luò)和分簇結(jié)構(gòu)的WSN實現(xiàn)遠距離的數(shù)據(jù)傳輸。設(shè)計了一種由傳感器節(jié)點、集中節(jié)點和匯聚節(jié)點協(xié)同組成的無線傳感器監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。介紹了系統(tǒng)

中無線傳感網(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)碰撞機制。詳細闡述了節(jié)點基于RTC時間的數(shù)據(jù)同步采集機制和低功耗設(shè)計。該系統(tǒng)能夠正確、穩(wěn)定地完成數(shù)據(jù)采集，并達到了低功耗的設(shè)計目標，能夠適用于同類數(shù)據(jù)檢測的應(yīng)用場合。但是，若要實現(xiàn)工程化，仍然存在許多問題值得進一步深入研究、探索和完善，如泄漏點的定位技術(shù)、路由協(xié)議及MAC機制的優(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} 彭國華¹ 1.南京航空航天大學(xué)自動化學(xué)院，南京 2.Newcastle大學(xué)電力電子與計算機工程學(xué)院，紐卡斯爾)