CC2430芯片在油田安防監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用

引言

油田油庫通常分布于遠(yuǎn)離城市、地廣人稀的區(qū)域，工作人員巡檢的工作量和勞動強度都很大。這樣，一方面存在工作效率低下、浪費人力的問題，也容易出現(xiàn)人員違規(guī)操作、筆誤、作假等隱患，從而導(dǎo)致信息不能正確的反饋；另一方面，也會造成異常情況不能及時得到監(jiān)測和解決,容易造成不可估計的經(jīng)濟損失。另外，各鉆井平臺之間地域遙遠(yuǎn)且地形復(fù)雜，使得通信十分不便。而架設(shè)一個龐大的有線通信系統(tǒng)是一個費時又耗資金的過程，同時，電纜穿過煉油廠可能存在潛在危險，所有這些客觀條件使得在油田中搭建無線網(wǎng)絡(luò)成為一種必然趨勢。

大型油田油庫管理系統(tǒng)中的安防產(chǎn)品主要是視頻監(jiān)控和防盜報警兩大類，二者的聯(lián)合應(yīng)用已成為保障油田油庫安全的重要手段。但是，遠(yuǎn)距離實時視頻傳輸通信的費用會給油田企業(yè)帶來很大的開銷。而事實上，油田周邊的安全隱患并不是時時刻刻都發(fā)生的,所以連續(xù)實時的發(fā)送視頻圖像完全是一種資源浪費。鑒于此，本文設(shè)計了一種可在監(jiān)測前端實現(xiàn)異常信息識別,而在通信線路上只傳輸具有安全隱患時刻的視頻圖像信息的安防系統(tǒng)，該系統(tǒng)可大大減少通信線路上的信息量,降低通信成本

1  系統(tǒng)設(shè)計1.1系統(tǒng)總體設(shè)計

此監(jiān)測系統(tǒng)可對油井的井場進行全天候的實時監(jiān)測⑵，系統(tǒng)包括井場區(qū)的監(jiān)測前端、信息轉(zhuǎn)發(fā)基站和遠(yuǎn)端的監(jiān)控中心，監(jiān)測前端與基站之間采用無線傳感網(wǎng)絡(luò)，基站與監(jiān)控中心通過GPRS網(wǎng)絡(luò)相連。監(jiān)測前端可以實現(xiàn)信息的采集和識別，以產(chǎn)生所需要的報警信號;無線網(wǎng)絡(luò)和GPRS網(wǎng)絡(luò)是系統(tǒng)的通信傳輸部分;監(jiān)測中心的功能相對簡單，只是接收所傳來的異常信號，然后啟動報警裝置來通知相關(guān)工作人員，再由工作人員根據(jù)報警所在地進行相關(guān)的遠(yuǎn)程調(diào)度和控制。圖1所示是本系統(tǒng)的總體框圖。

1.2  硬件模塊選擇

本系統(tǒng)中的井區(qū)監(jiān)測前端分設(shè)了三個模塊，分別為火災(zāi)監(jiān)測模塊、溫度監(jiān)測模塊和入侵監(jiān)測模塊。當(dāng)然，也可以根據(jù)實際需要增刪相應(yīng)的模塊，其工作原理都是一樣的。監(jiān)測前端包括普通攝像頭、電子欄桿、溫度傳感器、圖像處理模塊、無線模塊、GPRS模塊等。

本系統(tǒng)所搭建的無線傳感網(wǎng)絡(luò)的核心部分是具有微控制器和無線通信功能的無線模塊，無線模塊選用的CC2430芯片是美國TI公司推出的全新概念的新一代ZigBee無線單片機系列器件。

它在單個芯片上整合了ZigBee（RF）前端、內(nèi)存和8051微控制器，同時具有128KB可編程閃存和8kB的RAM、一個DMA控制器、8個14位ADC、四個定時器（可支持典型的定時/計數(shù)功能，例如輸入捕捉、比較輸出和PWM功能）、可編程看門狗、AES128協(xié)處理器、上電復(fù)位電路、掉電檢測電路、兩個可編程USART（用于主/從SPI或UART操作）以及21個可編程I/O引腳。該芯片采用0.18MOS工藝生產(chǎn)，在接收和發(fā)射模式下，電流損耗分別低于27mA和25mA,非常適用于低成本、低功耗要求的工控系統(tǒng)。

在監(jiān)測前端,攝像頭拍攝的井場區(qū)的圖像信息最終要轉(zhuǎn)換成CC2430模塊所能轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)字信號。目前,基于圖像處理的很多DSP模塊都很成熟，因此，本系統(tǒng)中圖像處理部分的功能由CIS嵌入式高速智能掃描平臺Wispeed200來完成。該產(chǎn)品采用嵌入式技術(shù)，基于“DSP+FPGA”硬件結(jié)構(gòu)，模塊由CIS接口經(jīng)過AD將獲得的數(shù)字信號傳送到FPGA,在FPGA內(nèi)部完成圖像的拼接和相關(guān)時鐘的產(chǎn)生洞時完成與DSP的接口轉(zhuǎn)換和通信。再由FPGA將最終的圖像傳送到DSP進行處理,處理完成后的結(jié)果由DSP的UART口傳送到CC2430無線模塊。

1.3  硬件接口設(shè)計

本系統(tǒng)監(jiān)測前端各部分的硬件框圖如圖2所示。

無線模塊的基本電路主要由電源、復(fù)位電路、串口連接電路和無線收發(fā)電路組成。可實現(xiàn)串口數(shù)據(jù)的無線收發(fā)功能。

溫度傳感器選用DS18B20芯片，該芯片使用單總線方式與處理器進行數(shù)據(jù)通信，其中DQ線接到CC2430的一個I/O口上用于讀取數(shù)據(jù)，這里選擇P1.0引腳。圖3所示是系統(tǒng)終端電路的連接圖。

由于單總線為開漏，所以需要外接一個4.7kQ的上拉電阻。系統(tǒng)中的電子欄桿使用的是深圳龍安電子有限公司生產(chǎn)的紅外對射3光束電子欄桿，它的數(shù)據(jù)傳輸采用SPI連接方式,可使用USART0設(shè)置為SPI方式和位置2,MISO線連接P1.4引腳以進行數(shù)據(jù)傳輸;SCK數(shù)據(jù)線連接到P1.3引腳，負(fù)責(zé)處理器和輸入設(shè)備的通訊同步。Wispeed200圖像處理模塊通過UART接口與處理器進行數(shù)據(jù)通信，可使用USART1設(shè)置為UART方式和位置1,其中RXD數(shù)據(jù)線和TXD數(shù)據(jù)線分別接CC2430的P0.5引腳和P0.4引腳。

2  軟件設(shè)計

2.1  監(jiān)測終端的程序設(shè)計

監(jiān)測終端采用CC2430無線模塊還需要對各串口進行配置，包括信息釆集程序、時鐘信號的釆集程序、無線模塊控制程序、定時中斷子程序、數(shù)據(jù)通信子程序、看門狗監(jiān)控定時處理程序等。

IEEE802.15.4規(guī)定的RF物理層工作頻段為2.4GHz,共有16個頻道。監(jiān)測終端和基站中的無線模塊的RF必須工作在相同的頻道上，這樣，才能夠互相收發(fā)數(shù)據(jù)。監(jiān)測終端CC2430無線模塊完成一次數(shù)據(jù)發(fā)送的程序流程圖如圖4所示，而基站中無線模塊完成一次數(shù)據(jù)接收的程序流程圖如圖5所示。

系統(tǒng)初始化主要是將系統(tǒng)工作頻率設(shè)為

32MHz的晶振頻率，這樣RF才能正常工作。RF初始化時，先設(shè)置通信頻率，再通過設(shè)置RFPWR.RREG_RADIO_PD位為1給RF供電。此外,RF初始化的過程還包括開啟Rx,清空Rx、Tx的FiFo緩沖區(qū)以及校準(zhǔn)天線等。

數(shù)據(jù)接收過程同樣也需要設(shè)置系統(tǒng)工作頻率為32MHz,且應(yīng)確保Rx工作在與Tx相同的頻道上，并需設(shè)置DMA通道。

CC2430包含了較多的自定義SFR寄存器，如何使用好這些寄存器是很關(guān)鍵的。在對USART的控制操作中，控制寄存器和狀態(tài)寄存器分別為UxUCR和UxCSR。它們都是8位寄存器，操作時可通過設(shè)置相應(yīng)的位狀態(tài)來完成對USART的基本設(shè)置，其代碼如：

SETU1CSR.MODE ；選擇USART1為UART模式

SETU1CSR.RE ；允許USART1接收數(shù)據(jù)

此外,CC2430串口波特率的設(shè)置與一般的80561有些不同，因為它內(nèi)部集成了一個波特率發(fā)生器，所以，設(shè)計時只需設(shè)置相關(guān)的寄存器UxBAUD的BAUD_M[7：0]位和UxGCR的BAUD_E[4：0]位即可。

其波特率計算公式為：

其中，f為系統(tǒng)時鐘頻率,在該系統(tǒng)中為32MHz,執(zhí)行下列語句，就可以得到9600b/s的串口波特率：

MOV U1GCR,#08H

MOV U1BAUD,#3BH ;設(shè)置波特率為9600b/s

2.2  監(jiān)測中心軟件設(shè)計

監(jiān)測前端與后臺中心的通訊可分為定時通訊和應(yīng)急通訊，即在正常情況下的信號由基站向監(jiān)測中心每一、兩個小時傳送一次，而遇到緊急情況時則立即通訊。這樣可極大減少網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)男畔⒘?，降低通信成本。監(jiān)測中心使用Windows服務(wù)器來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收、判斷和啟動報警器的功能。中心軟件的設(shè)計可釆用VC十十編程語言。VC++的MFC類庫提供有CAsyncSocket套接字庫，用它可以很方便地實現(xiàn)Socket編程。

3  結(jié)語

設(shè)計該系統(tǒng)的意義在于系統(tǒng)中CC2430無線網(wǎng)絡(luò)模塊成本小，功耗低,且在系統(tǒng)前端就可實現(xiàn)異常識別,通信線路上只傳輸簡單的數(shù)字信號，故可減少網(wǎng)絡(luò)流量，降低通信成本。通過監(jiān)控中心的集中監(jiān)測，可以實現(xiàn)統(tǒng)一部署管理和調(diào)度，及時發(fā)現(xiàn)油井周邊的異常等情況,從而有效防止設(shè)備被損壞或盜油事件的發(fā)生,減少經(jīng)濟損失，從而提高了企業(yè)整體效率和競爭能力，也提高了預(yù)測突發(fā)事件的能力和緊急情況下的快速反應(yīng)能力，帶來潛在的社會和經(jīng)濟效益。

另外，由于該系統(tǒng)要在露天野外的環(huán)境下長期工作，使用環(huán)境相對惡劣（如干旱少雨、風(fēng)沙侵蝕，冬季溫度很低、夏季溫度很高等客觀條件的影響），因而會對系統(tǒng)形成一定的干擾，容易發(fā)生誤判。所以，該監(jiān)測系統(tǒng)還應(yīng)該在以下方面進一步完善：比如前端硬件要選擇高性能、高穩(wěn)定性的成熟器件;傳感器要靈敏，攝像頭要清晰，并應(yīng)對設(shè)備進行有效保護，防雷防爆O在傳輸報警信號時，可以采用連續(xù)多次發(fā)送同一報警信號的方式來降低誤判率。產(chǎn)品安裝及維護也要盡量做到快速方便,維護迅速準(zhǔn)確，以降低成本價格，盡量實現(xiàn)較高的性價比。