摘　要：针对管道泄漏监测的应用场景，提出了一种管道泄漏远程实时检测的方案，其特点是结合GPRS网络和分簇结构的WSN实现远距离的数据传输。设计了一种由传感器节点、集中节点和汇聚节点协同工作的无线传感器监测网络，并提出了适用于管道泄漏监测的多层次分簇路由协议、MAC层防数据碰撞机制和基于RTC时间的数据同步采集机制。该系统能够正确、稳定地完成数据采集，并达到了低功耗的设计目标，满足实际检则需要。

关键词：GPRS；WSN；数据采集；时间同步

燃气管道是具有爆炸危险的特种承压设备(特种输送设备)，承装着易燃、易爆介质，一旦发生爆炸或泄漏，后果往往非常严重，会带来巨大损失和危害。因此，加强检验工作、保障压力管道长期安全运行具有巨大的经济意义和社会意义。

由于现有许多管网检测方法都存在成本高、精度不足、无法广泛应用的问题，严重制约了市政管网检测技术的应用。而且现有方法往往是针对点、线进行检测的方法，其检测结果的可靠度有限。具有快速部署、自组织成网和分布式协同工作能力的无线传感网络技术能够有效解决现有管道输送监控系统的固有缺陷、满足其多点、高效、高性能的监测需求^[1]。因此，采用基于无线传感网络的在线监测技术，不但有利于同步检测范围扩展到管网的面，甚至扩展到全方位同步立体检测网，还可以大大提高检测可信度，也解决了被测对象地缘覆盖广、监测位置动态变化大和监测仪表地下安装成本高等问题。

目前，国内针对市政管网监测应用场合的研究还处于探索和起步阶段，特别是管网监测和管理侧重于泄漏、爆管等事故发生后的维修和补救，尚没有形成动态实时监测和预测性诊断集成系统，不具备管网的灾害预警功能。笔者提出的基于无线传感网络的燃气管道泄漏检测系统，主要研究和实现有效的无线传感网络架构、分布式协同管理方法和网络同步机制等关键问题，通过测量输送管道温度、压力和流量等参数，间接地实现对管道泄漏情况的检测。

1 天然气管道泄漏监测系统的总体设计

基于无线传感器网络(WSN)的天然气管道泄漏监测系统，由无线传感器监测网络和远程数据管理中心两部分组成，如图1所示。其中，无线传感器监测网络是由大量部署在城市天然气管网上的具有感知、计算和通信能力的智能传感器节点组成，负责远程实时采集天然气管道的压力、流量、温度等参数，并基于ZigBee无线通信协议组建网络，所有节点的数据最终路由到网关节点，由网关节点将全部数据通过通用无线分组业务(GPRS)或有线网络发送到远程数据中心；远程数据管理中心负责数据的接收、存储和时空分析，根据需要发布预警信息和采取进一步的补救措施。

为了满足管网监测应用网络的设计需求，并考虑IEEE802.15.4标准(包括用于低速无线个人域网(LR-WPAN)的物理层和媒体接入控制层两个规范)和ZigBee规范在网络实现方面的支持，提出了面向管网监测应用的多层次分簇的无线传感网络架构，如图2所示。为提高网络的可扩展性，同时降低网络管理的复杂度，采用分簇的网络结构设计，即将监测网络划分为若干个簇，每个簇由一个簇首和若干个簇内成员组成；低一级的簇首是高一级簇的簇内成员，簇内成员只与簇首节点进行直接的通信，而簇首节点则负责数据在更大范围内的路由与转发；最高层的簇首为集中节点与汇聚节点直接通讯。

2 无线传感器监测网络的系统架构

无线传感器监测网络系统中，主要包括传感器节点、集中节点(担当最高层的簇首)和汇聚节点三类节点，下面分别介绍它们的特点及主要功能。

2.1 传感器节点特点及主要功能

传感器节点由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块四部分组成，如图3所示。传感器模块负责监测区域内信息的采集和数据转换.由电阻应变元件、温度传感器和信号调理电路等组成^[2]。处理器模块采用了美国德州仪器(Tl)的16位超低功耗的MSP430处理器。CC2420射频模块实现WSN的数据通信，CC2420采用2.4GHz频带，2.4GHz频段是全球通用的ISM频段。

    传感器节点采用电池供电方式，它的计算和存储能力相对弱些，沿天然气管道定间隔部署，节点间可灵活的采用管内无线或管外无线的通信方式，其基本功能包括：①实时采集各类泄漏信号，如温度、震动和压力等。②对提取的信号进行预处理，并对管道的当前状态作出初始诊断。③将检测的结果多跳发送到汇聚节点。④转发其它临节点的数据^[3]。

2.2 集中节点特点及主要功能

集中节点的计算和存储能力均相对较强，担当簇头，一般携带有GPS接收模块，可安装在地面建筑物等设施上，并通过有线方式供电，其部署的密度要远小于普通节点，基本功能包括： ①管理和维护一定范围内的传感器节点。②通过GPS定位管网检测系统的位置。③对簇内成员节点的检测数据进行融合处理，最终判断管道是否发生泄漏、腐蚀以及有无施工破坏等。④通过无线或有线通信方式将诊断结果发送至远程数据管理中心。⑤接收来自汇聚节点的各种控制指令。

2.3 汇聚节点特点及主要功能

汇聚节点主要通过GPRS网络建立集中节点与后台监控主机间的交互式通讯，将簇头节点的各类诊断信息(位置、温度、流量、泄漏状况、节点自身状态等)转发给后台监控计算机，图形化显示整个管网的运行状况，对可能出现的问题采取及时的处理措施，保障管网安全。系统的GPRS模块采用SIM900A，该模块采用工业标准接口，工作频率为GSM/GPRS850/900/1800/1900MHz，可以低功耗实现语音、SMS、数据和传真信息的传输。网络汇聚节点的供电系统尽量要采用稳定的有线电源和外加电池供电，保证掉电后还能正常工作一段时间。

3 无线传感网络架构设计

3.1 路由协议

考虑到系统网络结构的特点和应用到管道监测中实际的网络拓扑，路由协议采用了多层次分簇的协议^[4]，具体网络结构和工作过程见章节1。

整个路由协议由固定配置路由和动态路由两部分组成。其中，汇聚节点与集中节点采用单跳上行和下行路由传输，并由此组成固定的星型拓扑结构。而每个簇内的路由拓扑则按以下规则动态生成：系统上电以后，汇聚节点以无线方式发起一个广播成簇消息，集中节点收到该指令以后向簇内成员节点进行广播，各节点通过转发以及应答查询信息(包括转发节点自身固有的位置、ID号等信息)，建立稳定的拓扑结构以及基于临节点位置信息的数据转发路径^[5]。

3.2 MAC协议

该系统采用了IEEE802.15.4标准的MAC层机制，即一种以调度为主、兼含竞争的混合型介质访问控制机制。在802.15.4MAC协议中同时包含了两种信道介入方式。基于竞争的信道介入采用CSMA/CA信道竞争机制，而对于一些有特殊要求的数据传输，则采用分配固定有保证时隙(GTS)的方式接入^[6]。

在IEEE802.15.4 MAC协议定义了超帧结构，如图4所示。在帧群中存在两个部分：活跃期与不活跃期(休眠期)，在活跃期开放信道接入，休眠期关闭信道，进入休眠状态以减少能耗。

4 数据同步采集机制与低功耗设计

与通常的无线传感网络应用不同，用于管道监测的无线传感网络是以数据为中心的分布式监测网络，需要精确的时间同步以达到监测系统的协调控制和正确的数据融合。该系统关注两个问题：节点时钟漂移对网络通信可靠性的影响和如何实现管道监测应用中数据同步采集^[7]。

该系统中每个传感器节点使用实时时钟(RTC)维护一个本地绝对时间，各节点采用绝对时间来达到与系统时间同步。即以绝对时间为基准的时间同步策略，具体采用簇头广播和簇内侦听相结合的方法。首先，由远程服务器向各汇聚节点发送一个同步消息包，其中包括绝对时间信息。然后，汇聚节点广播一个同步信息，各集中节点收到后将绝对时间写入本地RTC，完成各簇头的同步。接着，簇头广播同步消息，簇内节点接收广播并完成簇内的时间同步。由于此初始同步是在网络建立起开始广播的，后加入网络的节点无法收到广播。此类节点向其他所有节点那里请求当前最新的时钟值，并采用中值来决定本地时钟值。为解决由于时钟漂移等因素导致的时钟偏差问题，系统采用周期时钟自校准策略，基本思想是：每个校准周期，从簇头节点开始，依次向簇内节点RTC校准，直到簇内末节点，以达到网络的时钟同步。

同步数据采集以绝对的RTC时间为基础，传感器节点在完成一次采集任务后设定一个定时时间，然后节点进入休眠模式，休眠模式下节点休眠电流可达10μA以下。当定时时间到达时，产生一个定时中断，从而使网络中传感器节点同步采集监测数据。

　　为了实现长期的管网监测，系统主要考虑了软件设计的低功耗功能实现，具体的设计过程如下：①采用休眠/唤醒工作方式减少节点的功耗。以无线汇聚节点的采集命令作为网络采集数据的开始，否则网络中各节点处于低功耗状态。②采用数据融合/发送方式降低数据通信量。由于节点的发送能耗大于接收等其他能耗，无线应变节点将采集到的数据作多次平均后再发送(3-10次平均)。③采用短距离多跳方式调整发送功率、降低能耗。因为无线通信等能耗和传输距离的2次方成正比，所以采用多跳转发数据的方式节省能耗^[8]。

5 结论

针对管道泄漏监测的应用场景，文章提出了一种管道泄漏远程实时检测的方案，其特点是结合GPRS网络和分簇结构的WSN实现远距离的数据传输。设计了一种由传感器节点、集中节点和汇聚节点协同组成的无线传感器监测网络。介绍了系统

中无线传感网络所采用的多层次分簇路由协议和MAC层防数据碰撞机制。详细阐述了节点基于RTC时间的数据同步采集机制和低功耗设计。该系统能够正确、稳定地完成数据采集，并达到了低功耗的设计目标，能够适用于同类数据检测的应用场合。但是，若要实现工程化，仍然存在许多问题值得进一步深入研究、探索和完善，如泄漏点的定位技术、路由协议及MAC机制的优化等问题。

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(本文作者：王平¹ 金辰捷¹ 田贵云^{1 2} 彭国华¹ 1.南京航空航天大学自动化学院，南京 2.Newcastle大学电力电子与计算机工程学院，纽卡斯尔)