基于ZigBee的气体泄漏检测.

本文以声发射技术为依托，设计了一种基于Ｚｉｇｂｅｅ无线模块 的无线声发射信号采集系统，通过声发射信号的特征参数分析，对气体泄漏的严重性进行评估，取得了很好的效果。

１ 系统构建概述

容器泄漏引起内部介质与泄漏孔的摩擦而激发应力波，携带泄漏源信息（如泄漏的大小、位置等）的应力波沿管壁传播，利用声发射传感器采集该应力波信号，并分析处理，就提取出管道泄漏信息，从而实现声发射泄漏检测的目的。

图１ 系统总体结构图

如图１ 所示，总监控网络由基站组成，每个基站为一个检测单元，是一个多通道检测系统。每个基站检测固定位置的信息，传感器终端对信号进行处理，并把结果传送给ＺｉｇＢｅｅ数传模块节点ＲＦＤ，ＺｉｇＢｅｅ数传模块节点ＲＦＤ 通过星型网络传输给ＺｉｇＢｅｅ无线模块协调器节点ＦＦＤ， 最后再把结果显示在计算机中。

系统主要包括三部分： ①传感器终端。传感器终端包括磁滞伸缩声发射智能传感器、信号采集与处理节点、信息汇聚节点。主要功能为声发射信号调理、Ａ／Ｄ 转换和提取声发射信号的特征参数。②ＺｉｇＢｅｅ无线模块传输。采用基于８０２．１５．４ 的ＺｉｇＢｅｅ数传模块无线局域网络组建传感器集群系统， 将传感器设置成不同功能型的ＺｉｇＢｅｅ数据采集节点，实现ＺｉｇＢｅｅ数据采集和数据传输。③上位机软件。包括特征参数的

２ 测控系统的实现

２．１ 传感器节点

选用上海奥达光电子科技有限公司研制的ＡＥ－０１ 型声发射传感器，ＡＥ－０１ 型声发射传感器应用了一项具有国际专利的磁电换能技术，与传统采用压电技术的声发射传感器相比，具有响应频带宽（频率范围：５０ｋＨｚ～１２５０ｋＨｚ）、灵敏度高、受环境变化影响小的优点， 能更全面地捕捉到目标结构内部所释放的声发射信号中所蕴含的结构状况信息。

传感器处理节点包括： 一个传感器模块用于感知周围世界的物理量； 一个处理终端实现对结构损伤产生的声发射信号实时采集， 并提取声发射特征参数； 一个中继终端用于数据与ＺｉｇＢｅｅ无线模块ＲＦＤ 的传输和一个电源管理模块。信号采集与处理的各模块之间利用ＣＡＮ 总线通讯。

图２ 传感器处理节点

处理终端的信号采集与处理为基于高速ＤＳＰＴＭＳ３２０Ｆ２８１２芯片的模块。首先是声发射信号的预处理，声发射信号预处理部分包括阻抗匹配和电压匹配。阻抗匹配是为了起隔离的作用。因为声发射传感器传送的声发射信号的电压峰峰值为０～５Ｖ，而节点的Ａ／Ｄ 转换采用的是ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２ 的Ａ／Ｄ 转换接口，其接口电压为０～３Ｖ。Ａ／Ｄ 采样读取为中断读取，一旦检测到Ａ／Ｄ 端口的电压超过设定的声发射阈值电压，即进入中断服务子程序。采集到声发射信号后，是声发射特征参数的提取。

    中继终端及接口终端用来管理和组织各区域的信号采集与处理终端，并将采集到的有效声发射信息打包并传送至ＺｉｇＢｅｅ无线模块ＲＦＤ， 方便用户利用无线通信系统传送到上位机的软件实施查询气体泄漏声发射情况。

２．２ ＺｉｇＢｅｅ 星型网络建立

ＺｉｇＢｅｅ 无线模块传感器网络具备多种可选的网络拓扑结构，本系统根据气体管道结构的特性，选择星型拓扑结构，传感器节点分布在不同的监测区域。从硬件上看，采用ＴＩ 公司ＣＣ２５３０ 芯片模块，模块上整合了ＺｉｇＢｅｅ 射频（ＲＦ）收发器、内存和微控制器。ＺｉｇＢｅｅ数传网络的建立是通过原语实现的。首先，协调器建立网络， 在应用层调用ＮＬＭＥ－ＮＥＴＷＯＲＫ－ＦＯＲＭＡＴＩＯＮ．ｒｅｑｕｅｓｔ原语请求设备发起一个新的ＺｉｇＢｅｅ 网络，并找到合适的信道，选择一个网络ＰＡＮＩＤ（网络标识）。其次，是子节点的加入，直接通过父节点加入，ＺｉｇＢｅｅ 协调器把通过ＮＬＭＥ－ＤＩＲＥＣＴＪＩＯＮ．ｒｅｑｕｅｓｔ 原语初始化ＲＦＤ 设备， 原语中ＤｅｖｉｃｅＡｄｄｒｅｓｓ参数设置为加入到网络的设备地址， 同时给新设备分配一个唯一的１６ 位网络地址，然后把其他ＲＦＤ 设备加入到网络中。

软件设计基于ＴＩ 公司的Ｚ－ＳＴＡＣＫ 协议栈，将数据传输任务加入到协议栈中。ＺｉｇＢｅｅ 数传模块通过串口与传感器节点、上位机进行通讯，Ｚ－ＳＴＡＣＫ 协议栈相关函数如表１。

表１ Ｚ－ＳＴＡＣＫ 中串口应用设计的函数及功能

３ 能量分析法的实现

目前分析所使用的特征参数一般有振铃计数与计数率、事件计数与计数率、振幅与振幅分布、能量和能量率、有效值和频谱分布等。根据声发射信号的主要类型和研究的需要，可以确定选择合适的声发射特征参数。声发射信号的典型参数如图３ 所示。

图３ 声发射波形参数的定义

通常采用单参数分析方法，最常用的单参数分析方法为计数分析法、能量分析法和幅度分析法。由于均方电压和均方根电压对电子系统增益和换能器耦合情况的微小变化不太敏感，且不依赖于任何阈值电压， 并且均方电压和均方根电压与连续型声发射信号的能量有直接关系，因此本文采用能量分析法。

能量分析法是直接度量振幅或者有效值和信号的持续时间，反映声发射能量的特性。能量法与其他的声发射参数相比，更能反映裂纹扩展的特征。能量Ｅ 和均方根电压Ｖｒｍｓ、均方电压Ｖｍｓ 的关系如下：

为了准确找到能量这个声发射参量， 要对声发射信息包规定格式。处理终端提取出声发射特征参数，通过ＣＡＮ 总线传递给中继终端汇总，发送数据格式如表２。

表２ 声发射传送信息包格式

对气体管道进行加压，利用声发射采集系统，经特征参数提取的声发射参数，上位机显示如图４ 所示。

图４ 声发射特征参数

能量法通常以能量值和能量率的形式给出。能量值是指在给定的测量时间范围内所得到的能量大小， 单位时间的能量称为能量率。在实验过程中，当阀门入口压力增加时，泄漏量增加，所产生的声发射信号强度增大，振铃计数、能量、幅值、均方根值都会相应增大，只是增大的幅度不同。通过多次实验比较，发现能量值在阀门入口压力增加时急剧增加， 振铃计数和幅值则变化较为缓慢， 故上位机软件采用能量率的形式来评定气体管道泄漏的严重程度具有很好的效果。

上位机软件采用ＬａｂＶＩＥＷ 进行编程，计算单位时间内的能量，时间具有可调性。首先对ＺｉｇＢｅｅ数据采集到数据的数据在上位机窗口进行数据包的解析，提取出需要的能量特征参数，同时对传感器网络的通道进行分流， 分别计算不同通道的能量率。利用ＬａｂＶＩＥＷ 串口ＶＩＳＡ 功能，对串口数据帧进行帧头确认，提取第１６个字节后的四个字节，分支结构以通道号作为输入，计算通道能量率。

图５ 多通道声发射能量法前面板

前面板控件如图５ 所示， 采用阶段划分来区分气体泄漏的严重程度，具有软件可调性。控件分别显示绿、黄、橙、红四色，把气体泄漏程度分为四个阶段，有很好的直观性。

４ 结束语

本文利用ＺｉｇＢｅｅ数传模块无线传送ＺｉｇＢｅｅ数据采集到的声发射信号信息，在上位机实现显示处理。由于有干扰噪声的存在， 泄漏声发射的有效提取成为泄漏检测的主要技术难点， 同时本系统缺乏完善的泄漏信号数据库和更多的现场测试应用，因此结构和功能有待进一步优化。