賀帆 李玲 辛云宏

摘要：基于TI公司的無線通信芯片CC1310，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了一個(gè)低成本的供水管道無線泄露檢測(cè)定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)由傳感器節(jié)點(diǎn)？集中器以及無線網(wǎng)關(guān)組成。其中傳感器與集中器節(jié)點(diǎn)采用CC1310芯片實(shí)現(xiàn)，網(wǎng)關(guān)由ESP8266模塊實(shí)現(xiàn)。檢測(cè)數(shù)據(jù)由ESP8266模塊傳輸?shù)絇C上位機(jī)，最后上位機(jī)對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)與集中器的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行互相關(guān)性計(jì)算，并由此進(jìn)行泄漏的判定與定位。初步的實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，該系統(tǒng)能夠發(fā)現(xiàn)供水管道的泄漏狀況，同時(shí)其定位能力也滿足實(shí)際需求。

關(guān)鍵詞：泄漏檢測(cè);CC1310模塊;ESP8266模塊;互相關(guān)計(jì)算

中圖分類號(hào)：TP274

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

水是生物生存的日常生活主要必需品，在現(xiàn)代世界，水的問題被認(rèn)為是最大和最嚴(yán)重的挑戰(zhàn)，生活中由于管道基礎(chǔ)設(shè)施老化，管道泄漏是不可避免的，因此對(duì)管道漏泄檢測(cè)具有深遠(yuǎn)的意義。 傳統(tǒng)的泄漏檢測(cè)方法主要是音聽檢漏法[1]，這種方法主要依賴于人工判斷，效率比較低，可靠性差?，F(xiàn)較多的方法是無線系統(tǒng)檢測(cè)法，如基于Zig-Bee的建筑排水系統(tǒng)立管壓力監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)檢測(cè)方法[2-3]，它的頻段為2.4 GHz，通信距離較短，通過實(shí)際測(cè)試，空曠地段通信距離為100 m，埋藏地底下通信距離小于20 m。Michael Allen等提出了一種基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的管道檢測(cè)系統(tǒng)[4-5]，采用3G網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，但成本較高。綜合以上方法均不適合作為埋藏地底下的管線泄漏檢測(cè)。本文設(shè)計(jì)了一種基于CC1310遠(yuǎn)距離的無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，部署于地下供水管道網(wǎng)絡(luò)中，用于檢測(cè)與定位漏水點(diǎn)位置。

1 泄漏檢測(cè)定位原理

圖1給出了一個(gè)通用的泄漏信號(hào)模型。

3 供水管道泄露檢測(cè)定位系統(tǒng)架構(gòu)

圖2所示為供水管道泄露檢測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)框圖。圖2a為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)由傳感器節(jié)點(diǎn)、集中器節(jié)點(diǎn)、無線Wi-Fi、PC上位機(jī)組成;圖2b為節(jié)點(diǎn)整體框圖，由圖可知節(jié)點(diǎn)主要由加速度傳感器，信號(hào)調(diào)理模塊，CC1310模塊組成。由于管道漏水信號(hào)頻率處于2000 Hz之內(nèi)[11]因此系統(tǒng)采用朗斯公司的LC0134TB加速度傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)泄漏信號(hào)采集，LC0134TB特性：頻率范圍為0.5-2500 Hz，靈敏度為10.13 V/g。

系統(tǒng)主要工作過程如下：壓電加速度傳感器對(duì)漏水信號(hào)進(jìn)行采集，信號(hào)調(diào)理模塊為加速度傳感器提供恒流源，并對(duì)壓電加速度傳感器采集的信號(hào)進(jìn)行調(diào)理。通過濾波電路過濾掉高頻噪聲干擾信號(hào)，輸出低頻漏水信號(hào)，然后經(jīng)過放大電路進(jìn)行放大，節(jié)點(diǎn)和集中器分別對(duì)泄漏信號(hào)進(jìn)行AD采樣，最后通過無線傳輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)發(fā)送到PC上位機(jī)進(jìn)行處理，上位機(jī)對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)與集中器泄漏信號(hào)進(jìn)行互相關(guān)運(yùn)算，計(jì)算出泄露點(diǎn)的位置。

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 節(jié)點(diǎn)模塊硬件設(shè)計(jì)

節(jié)點(diǎn)模塊硬件實(shí)物圖如圖3所示，由CC1310模塊、信號(hào)調(diào)理模塊、加速度傳感器、電源組成。

CC1310模塊由CC1310芯片、天線、JTAG調(diào)試口、電源端口，usb串行口構(gòu)成，CC1310芯片是TI公司生產(chǎn)的一款超低功耗、868MHz的無線通信MCU，基于強(qiáng)大的ARM⑧Cortex⑩-M3，搭載嵌入式RTOS系統(tǒng)，搭載天線最大傳輸距離可達(dá)2km。CC1310模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)調(diào)理模塊傳輸?shù)男孤┬盘?hào)AD采樣、處理以及無線通信。

信號(hào)調(diào)理模塊由恒流源、放大器、濾波器組成。恒流源為加速度傳感器提供（4mA）激勵(lì)電流，放大器采用24V單電源供電，濾波器采用帶通濾波器將信號(hào)輸出在1-2000Hz帶寬內(nèi)。

3.2無線Wi-Fi模塊硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中無線傳感網(wǎng)絡(luò)與上位機(jī)之間的通信由無線Wi-Fi模塊ESP8266實(shí)現(xiàn)，其實(shí)物如圖4所示。該模塊由天線、Flash和ESP8266芯片組成，是一個(gè)超低功耗的UART-WiFi透?jìng)髂K，內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧，可使用兩節(jié)5號(hào)干電池3.3V電源供電。

4 軟件系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)使用的軟件平臺(tái)為Code Composer Studio6.1.3，并采用了RTOS實(shí)時(shí)系統(tǒng)。RTOS系統(tǒng)是TI公司開發(fā)的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，其主要特征：1）高精度計(jì)時(shí)系統(tǒng)，2）實(shí)時(shí)調(diào)度機(jī)制，3）多級(jí)中斷機(jī)制。

無線數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收主要通過EasyLink層實(shí)現(xiàn)，EasyLink是TI公司開發(fā)的基于Sub IGhz無線通信層。

集中器的功能有以下幾個(gè)方面：

1）組建檢測(cè)網(wǎng)絡(luò);

2）啟動(dòng)一個(gè)測(cè)試過程;

3）收集傳感器節(jié)點(diǎn)的測(cè)試數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理：

4）通過Wi-Fi網(wǎng)關(guān)與上位機(jī)進(jìn)行信息交互。

在RTOS框架下，集中器的功能對(duì)應(yīng)以下4個(gè)任務(wù)實(shí)現(xiàn)：

任務(wù) 1：CreatDectionNetworkTask。 通過EasyLink_init與SetFrequency函數(shù)設(shè)置物理層類型與通信頻段分別為802.15.4g GFSK和868MHz，隨后函數(shù)GenerateAddr開始查找地址列表并分配源地址，最后通過NetworkStartEvt函數(shù)啟動(dòng)建立網(wǎng)絡(luò)后切換任務(wù)2執(zhí)行。

任務(wù)2：BootTestTask。使用定時(shí)器回調(diào)機(jī)制，集中器固定周期30s輪詢控制傳感器節(jié)點(diǎn)與自身進(jìn)行數(shù)據(jù)采集， 并通過EasyLink_transmit（ &txAdcPacket）啟動(dòng)測(cè)試后切換任務(wù)3執(zhí)行。txAdcPacket為數(shù)據(jù)采集啟動(dòng)數(shù)據(jù)包。

任務(wù)3：DataReceiveProcessTask。通過EasyLink_receiveAsync函數(shù)設(shè)置異步無阻塞接收模式偵聽數(shù)據(jù)，進(jìn)入掛起等待狀態(tài)，并通過RxDoneCallback接收回調(diào)函數(shù)機(jī)制接收傳感器節(jié)點(diǎn)泄漏信號(hào)數(shù)據(jù)包，然后對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行處理并提取泄漏數(shù)據(jù)后切換任務(wù)4執(zhí)行。