基于CC1310的供水管道泄露检测定位系统设计

贺帆 李玲 辛云宏

摘要：基于TI公司的无线通信芯片CC1310，设计和实现了一个低成本的供水管道无线泄露检测定位系统。该系统由传感器节点？集中器以及无线网关组成。其中传感器与集中器节点采用CC1310芯片实现，网关由ESP8266模块实现。检测数据由ESP8266模块传输到PC上位机，最后上位机对传感器节点与集中器的测量数据进行互相关性计算，并由此进行泄漏的判定与定位。初步的实验测试表明，该系统能够发现供水管道的泄漏状况，同时其定位能力也满足实际需求。

关键词：泄漏检测;CC1310模块;ESP8266模块;互相关计算

中图分类号：TP274

文献标识码：A

水是生物生存的日常生活主要必需品，在现代世界，水的问题被认为是最大和最严重的挑战，生活中由于管道基础设施老化，管道泄漏是不可避免的，因此对管道漏泄检测具有深远的意义。 传统的泄漏检测方法主要是音听检漏法[1]，这种方法主要依赖于人工判断，效率比较低，可靠性差。现较多的方法是无线系统检测法，如基于Zig-Bee的建筑排水系统立管压力监测方案设计检测方法[2-3]，它的频段为2.4 GHz，通信距离较短，通过实际测试，空旷地段通信距离为100 m，埋藏地底下通信距离小于20 m。Michael Allen等提出了一种基于无线传感网络的管道检测系统[4-5]，采用3G网络通信技术，但成本较高。综合以上方法均不适合作为埋藏地底下的管线泄漏检测。本文设计了一种基于CC1310远距离的无线网络系统，部署于地下供水管道网络中，用于检测与定位漏水点位置。

1 泄漏检测定位原理

图1给出了一个通用的泄漏信号模型。

3 供水管道泄露检测定位系统架构

图2所示为供水管道泄露检测系统架构框图。图2a为无线传感器网络系统结构图，整个检测系统由传感器节点、集中器节点、无线Wi-Fi、PC上位机组成;图2b为节点整体框图，由图可知节点主要由加速度传感器，信号调理模块，CC1310模块组成。由于管道漏水信号频率处于2000 Hz之内[11]因此系统采用朗斯公司的LC0134TB加速度传感器实现对泄漏信号采集，LC0134TB特性：频率范围为0.5-2500 Hz，灵敏度为10.13 V/g。

系统主要工作过程如下：压电加速度传感器对漏水信号进行采集，信号调理模块为加速度传感器提供恒流源，并对压电加速度传感器采集的信号进行调理。通过滤波电路过滤掉高频噪声干扰信号，输出低频漏水信号，然后经过放大电路进行放大，节点和集中器分别对泄漏信号进行AD采样，最后通过无线传输网络系统发送到PC上位机进行处理，上位机对传感器节点与集中器泄漏信号进行互相关运算，计算出泄露点的位置。

3 硬件设计

3.1 节点模块硬件设计

节点模块硬件实物图如图3所示，由CC1310模块、信号调理模块、加速度传感器、电源组成。

CC1310模块由CC1310芯片、天线、JTAG调试口、电源端口，usb串行口构成，CC1310芯片是TI公司生产的一款超低功耗、868MHz的无线通信MCU，基于强大的ARM⑧Cortex⑩-M3，搭载嵌入式RTOS系统，搭载天线最大传输距离可达2km。CC1310模块实现对信号调理模块传输的泄漏信号AD采样、处理以及无线通信。

信号调理模块由恒流源、放大器、滤波器组成。恒流源为加速度传感器提供（4mA）激励电流，放大器采用24V单电源供电，滤波器采用带通滤波器将信号输出在1-2000Hz带宽内。

3.2无线Wi-Fi模块硬件设计

系统中无线传感网络与上位机之间的通信由无线Wi-Fi模块ESP8266实现，其实物如图4所示。该模块由天线、Flash和ESP8266芯片组成，是一个超低功耗的UART-WiFi透传模块，内置TCP/IP协议栈，可使用两节5号干电池3.3V电源供电。

4 软件系统的实现

系统使用的软件平台为Code Composer Studio6.1.3，并采用了RTOS实时系统。RTOS系统是TI公司开发的嵌入式实时操作系统，其主要特征：1）高精度计时系统，2）实时调度机制，3）多级中断机制。

无线数据的发送与接收主要通过EasyLink层实现，EasyLink是TI公司开发的基于Sub IGhz无线通信层。

集中器的功能有以下几个方面：

1）组建检测网络;

2）启动一个测试过程;

3）收集传感器节点的测试数据，并对数据进行处理：

4）通过Wi-Fi网关与上位机进行信息交互。

在RTOS框架下，集中器的功能对应以下4个任务实现：

任务 1：CreatDectionNetworkTask。 通过EasyLink_init与SetFrequency函数设置物理层类型与通信频段分别为802.15.4g GFSK和868MHz，随后函数GenerateAddr开始查找地址列表并分配源地址，最后通过NetworkStartEvt函数启动建立网络后切换任务2執行。

任务2：BootTestTask。使用定时器回调机制，集中器固定周期30s轮询控制传感器节点与自身进行数据采集， 并通过EasyLink_transmit（ &txAdcPacket）启动测试后切换任务3执行。txAdcPacket为数据采集启动数据包。

任务3：DataReceiveProcessTask。通过EasyLink_receiveAsync函数设置异步无阻塞接收模式侦听数据，进入挂起等待状态，并通过RxDoneCallback接收回调函数机制接收传感器节点泄漏信号数据包，然后对数据包进行处理并提取泄漏数据后切换任务4执行。