摘　要：針對管道泄漏監測的應用場景，提出了一種管道泄漏遠程實時檢測的方案，其特點是結合GPRS網絡和分簇結構的WSN實現遠距離的數據傳輸。設計了一種由傳感器節點、集中節點和匯聚節點協同工作的無線傳感器監測網絡，并提出了適用于管道泄漏監測的多層次分簇路由協議、MAC層防數據碰撞機制和基于RTC時間的數據同步采集機制。該系統能夠正確、穩定地完成數據采集，并達到了低功耗的設計目標，滿足實際檢則需要。

關鍵詞：GPRS；WSN；數據采集；時間同步

燃氣管道是具有爆炸危險的特種承壓設備(特種輸送設備)，承裝著易燃、易爆介質，一旦發生爆炸或泄漏，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濟意義和社會意義。

由于現有許多管網檢測方法都存在成本高、精度不足、無法廣泛應用的問題，嚴重制約了市政管網檢測技術的應用。而且現有方法往往是針對點、線進行檢測的方法，其檢測結果的可靠度有限。具有快速部署、自組織成網和分布式協同工作能力的無線傳感網絡技術能夠有效解決現有管道輸送監控系統的固有缺陷、滿足其多點、高效、高性能的監測需求^[1]。因此，采用基于無線傳感網絡的在線監測技術，不但有利于同步檢測范圍擴展到管網的面，甚至擴展到全方位同步立體檢測網，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、監測位置動態變化大和監測儀表地下安裝成本高等問題。

目前，國內針對市政管網監測應用場合的研究還處于探索和起步階段，特別是管網監測和管理側重于泄漏、爆管等事故發生后的維修和補救，尚沒有形成動態實時監測和預測性診斷集成系統，不具備管網的災害預警功能。筆者提出的基于無線傳感網絡的燃氣管道泄漏檢測系統，主要研究和實現有效的無線傳感網絡架構、分布式協同管理方法和網絡同步機制等關鍵問題，通過測量輸送管道溫度、壓力和流量等參數，間接地實現對管道泄漏情況的檢測。

1 天然氣管道泄漏監測系統的總體設計

基于無線傳感器網絡(WSN)的天然氣管道泄漏監測系統，由無線傳感器監測網絡和遠程數據管理中心兩部分組成，如圖1所示。其中，無線傳感器監測網絡是由大量部署在城市天然氣管網上的具有感知、計算和通信能力的智能傳感器節點組成，負責遠程實時采集天然氣管道的壓力、流量、溫度等參數，并基于ZigBee無線通信協議組建網絡，所有節點的數據最終路由到網關節點，由網關節點將全部數據通過通用無線分組業務(GPRS)或有線網絡發送到遠程數據中心；遠程數據管理中心負責數據的接收、存儲和時空分析，根據需要發布預警信息和采取進一步的補救措施。

為了滿足管網監測應用網絡的設計需求，并考慮IEEE802.15.4標準(包括用于低速無線個人域網(LR-WPAN)的物理層和媒體接入控制層兩個規范)和ZigBee規范在網絡實現方面的支持，提出了面向管網監測應用的多層次分簇的無線傳感網絡架構，如圖2所示。為提高網絡的可擴展性，同時降低網絡管理的復雜度，采用分簇的網絡結構設計，即將監測網絡劃分為若干個簇，每個簇由一個簇首和若干個簇內成員組成；低一級的簇首是高一級簇的簇內成員，簇內成員只與簇首節點進行直接的通信，而簇首節點則負責數據在更大范圍內的路由與轉發；最高層的簇首為集中節點與匯聚節點直接通訊。

2 無線傳感器監測網絡的系統架構

無線傳感器監測網絡系統中，主要包括傳感器節點、集中節點(擔當最高層的簇首)和匯聚節點三類節點，下面分別介紹它們的特點及主要功能。

2.1 傳感器節點特點及主要功能

傳感器節點由傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和能量供應模塊四部分組成，如圖3所示。傳感器模塊負責監測區域內信息的采集和數據轉換.由電阻應變元件、溫度傳感器和信號調理電路等組成^[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WSN的數據通信，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，節點間可靈活的采用管內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處理，并對管道的當前狀態作出初始診斷。③將檢測的結果多跳發送到匯聚節點。④轉發其它臨節點的數據^[3]。

2.2 集中節點特點及主要功能

集中節點的計算和存儲能力均相對較強，擔當簇頭，一般攜帶有GPS接收模塊，可安裝在地面建筑物等設施上，并通過有線方式供電，其部署的密度要遠小于普通節點，基本功能包括： ①管理和維護一定范圍內的傳感器節點。②通過GPS定位管網檢測系統的位置。③對簇內成員節點的檢測數據進行融合處理，最終判斷管道是否發生泄漏、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果發送至遠程數據管理中心。⑤接收來自匯聚節點的各種控制指令。

2.3 匯聚節點特點及主要功能

匯聚節點主要通過GPRS網絡建立集中節點與后臺監控主機間的交互式通訊，將簇頭節點的各類診斷信息(位置、溫度、流量、泄漏狀況、節點自身狀態等)轉發給后臺監控計算機，圖形化顯示整個管網的運行狀況，對可能出現的問題采取及時的處理措施，保障管網安全。系統的GPRS模塊采用SIM900A，該模塊采用工業標準接口，工作頻率為GSM/GPRS850/900/1800/1900MHz，可以低功耗實現語音、SMS、數據和傳真信息的傳輸。網絡匯聚節點的供電系統盡量要采用穩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 無線傳感網絡架構設計

3.1 路由協議

考慮到系統網絡結構的特點和應用到管道監測中實際的網絡拓撲，路由協議采用了多層次分簇的協議^[4]，具體網絡結構和工作過程見章節1。

整個路由協議由固定配置路由和動態路由兩部分組成。其中，匯聚節點與集中節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構。而每個簇內的路由拓撲則按以下規則動態生成：系統上電以后，匯聚節點以無線方式發起一個廣播成簇消息，集中節點收到該指令以后向簇內成員節點進行廣播，各節點通過轉發以及應答查詢信息(包括轉發節點自身固有的位置、ID號等信息)，建立穩定的拓撲結構以及基于臨節點位置信息的數據轉發路徑^[5]。

3.2 MAC協議

該系統采用了IEEE802.15.4標準的MAC層機制，即一種以調度為主、兼含競爭的混合型介質訪問控制機制。在802.15.4MAC協議中同時包含了兩種信道介入方式?；诟偁幍男诺澜槿氩捎?/span>CSMA/CA信道競爭機制，而對于一些有特殊要求的數據傳輸，則采用分配固定有保證時隙(GTS)的方式接入^[6]。

在IEEE802.15.4 MAC協議定義了超幀結構，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，休眠期關閉信道，進入休眠狀態以減少能耗。

4 數據同步采集機制與低功耗設計

與通常的無線傳感網絡應用不同，用于管道監測的無線傳感網絡是以數據為中心的分布式監測網絡，需要精確的時間同步以達到監測系統的協調控制和正確的數據融合。該系統關注兩個問題：節點時鐘漂移對網絡通信可靠性的影響和如何實現管道監測應用中數據同步采集^[7]。

該系統中每個傳感器節點使用實時時鐘(RTC)維護一個本地絕對時間，各節點采用絕對時間來達到與系統時間同步。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偵聽相結合的方法。首先，由遠程服務器向各匯聚節點發送一個同步消息包，其中包括絕對時間信息。然后，匯聚節點廣播一個同步信息，各集中節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，簇內節點接收廣播并完成簇內的時間同步。由于此初始同步是在網絡建立起開始廣播的，后加入網絡的節點無法收到廣播。此類節點向其他所有節點那里請求當前最新的時鐘值，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致的時鐘偏差問題，系統采用周期時鐘自校準策略，基本思想是：每個校準周期，從簇頭節點開始，依次向簇內節點RTC校準，直到簇內末節點，以達到網絡的時鐘同步。

同步數據采集以絕對的RTC時間為基礎，傳感器節點在完成一次采集任務后設定一個定時時間，然后節點進入休眠模式，休眠模式下節點休眠電流可達10μA以下。當定時時間到達時，產生一個定時中斷，從而使網絡中傳感器節點同步采集監測數據。

　　為了實現長期的管網監測，系統主要考慮了軟件設計的低功耗功能實現，具體的設計過程如下：①采用休眠/喚醒工作方式減少節點的功耗。以無線匯聚節點的采集命令作為網絡采集數據的開始，否則網絡中各節點處于低功耗狀態。②采用數據融合/發送方式降低數據通信量。由于節點的發送能耗大于接收等其他能耗，無線應變節點將采集到的數據作多次平均后再發送(3-10次平均)。③采用短距離多跳方式調整發送功率、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，所以采用多跳轉發數據的方式節省能耗^[8]。

5 結論

針對管道泄漏監測的應用場景，文章提出了一種管道泄漏遠程實時檢測的方案，其特點是結合GPRS網絡和分簇結構的WSN實現遠距離的數據傳輸。設計了一種由傳感器節點、集中節點和匯聚節點協同組成的無線傳感器監測網絡。介紹了系統

中無線傳感網絡所采用的多層次分簇路由協議和MAC層防數據碰撞機制。詳細闡述了節點基于RTC時間的數據同步采集機制和低功耗設計。該系統能夠正確、穩定地完成數據采集，并達到了低功耗的設計目標，能夠適用于同類數據檢測的應用場合。但是，若要實現工程化，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、路由協議及MAC機制的優化等問題。

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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.南京航空航天大學自動化學院，南京 2.Newcastle大學電力電子與計算機工程學院，紐卡斯爾)