ZigBee技术在输油管泄漏监测系统中的应用研究

● 将CC2420和STM8S105C6T6未用的信号输入引脚通过一个10kΩ电阻上拉到高电平或下拉到低电平，因为开路的输入端有很高的输入阻抗，很容易受外界的电磁干扰，使悬浮电平有时处于‘1’，有时处于‘1’到‘0’的过渡状态，易引起逻辑电路的误导通。

监测网络软件设计
由于监测节点供电的有限性，节能是监测网络软件设计时重点考虑的问题。

1 帧格式定义
为降低功耗，本设计没有采用IEEE 802.15.4规定的标准帧格式，而是对其进行了简化，降低了数据帧的长度，如表1所示。前导码和帧起始分隔符（Start of Frame Delimiter，SFD）用于标志一帧数据的开始和结束。数据帧发送时，CC2420自动在数据包的开始处加上前导码和SFD，在数据包末尾自动加上CRC校验码（即帧检查序列）。接收时，当CC2420检测到前导码和SFD时开始接收帧长度以及后面的数据。帧长度为源地址、目的地址、负载和帧检查序列的总字节数，这里为0x07。在ZigBee网络中，每个节点设备都有唯一的地址，发送者为源地址，接收者为目的地址。

2 电源管理
为提高监测系统的使用寿命，本设计采用了一种定更巡回监测工作方式，具体过程如下：通过内部时钟的定时同步，监测网络中的所有节点在工作周期和休眠周期之间循环轮转。当工作周期一到，监测节点先对自己所在位置的压力和流量进行检测并暂存在缓冲区中，然后关闭传感器电源，接着打开CC2420的电源进行数据帧的封装和收发。若工作周期没有结束，监测节点就自动进行下一次的数据检测和收发。当工作周期结束，监测节点就关闭CC2420的电源，进入休眠周期，主程序流程图4所示。

图4 监测节点主程序流程图

性能测试
根据上述方案，我们设计了4个样品进行了模拟实验。实际应用时，由于节点大部分时间处于发送、接收或者休眠状态，节点完成一次数据检测所用时间比以上3个状态所用的时间小得多，而且一旦数据检测完成就立即关闭传感器电源，因而功耗也相对较小，故测试时没有计入传感器部分功耗。根据实际测试，节点在发送数据、接受数据和休眠时的平均功耗分别约为23.4mA、20mA和2μA。从整个数据传递过程看，节点处于接收状态的时间远大于其发送数据所占用的时间。单个节点接收数据和发送数据的时间之比R和投入节点的总量及节点所处的位置有关。假设有100个监测节点，呈链状分布，按照所设计的传输协议分析，R值在1.5左右。通过计算一天当中节点的平均耗电流IAV，可算出其使用天数。IAV计算公式如下：

（1）
其中，ITX、IRX、ISleep分别表示节点处于发送、接收和休眠状态的平均功耗，单位mA；α、β、γ分别为24小时当中节点发送、接收和休眠所占用的时间比例。

若采用一节12V、23A的五号干电池作电源，节点一天当中接收和发送时间总和不超过6小时，则节点的使用寿命可达2年以上。

结语
依据ZigBee网络节点的设计要求，本文设计开发了一种用于输油管泄漏监测的传感器节点模块。经调试，该节点在模拟试验中应用良好，可实现两个节点间的无线通信，能用LED指示接收、发送和应答等信息，功耗低，基本达到了设计要求。