长距离管线监测系统的设计
刘丽华，王涌
（华北电力大学，北京 102206）
摘 要：文章介绍了长距离管线监测系统的一种设计方法，并对其系统结构、软硬件设计方法及其各层之间的通讯方式做了具体说明，指出此系统具有测点数量多、安全可靠、报警响应迅速、功耗低与现场无需供电等特点，具有很好的应用前景。
关键词：MCU（单片机）；监测仪；主控监测仪；socket方法
1 前言
在城市交通道路下面，错综复杂地布置着电力、通讯、燃料、给水与排水等各种管线，其长度达几万公里，沿线地井多达几十万个。线路距离长、拓扑结构复杂、环境条件恶劣与沿途无法供电等各种不利因素使得实时监测系统的运行状况与事故隐患比较困难。据资料显示，每年仅地井的井盖和地下电缆被盗的直接经济损失就多达数千万元，若将通讯中断带来的后果同并发的交通事故所造成的影响计算在内，则其损失更加不可估量。为此，本文运用嵌入式技术设计了长距离管线监测系统。
2 系统构成
本文介绍的长距离管线监测系统共分高层级、中层级与现场级三层，其系统框图如图1所示。其中，高层级为总控室，配有智能控制系统、大型监控数字组合屏与计算机网络传输等设备，智能控制系统实现了“集中控制”，所谓集中控制就是在计算机界面或触摸屏界面上控制与管理室内所有电器设备，让繁锁的设备操作简单化，提高了工作效率；中层级为分布各处的机房，配有IP交换机、PC机与主控监测仪等设备，用来实时监测现场级各监测仪与机房内传感器的状态，并将信息通过IP主干网送到总控室；现场级为分布在地下各井盖附近的监测仪，用于对各信息点的现场数据进行智能化采集，并通过调制解调器将数据送入中层级机房的主控监测仪中。
2.1 高层级
高层级主要用来采集与处理数据，也就是对下一层传来的数据实现在线监测、保存与分析统计，同时完成命令发布、告警处理、系统配置、历史数据处理、辅助管理、报表打印与系统自诊断等任务。
按照有关规定，系统的管理应纳入部门MIS系统的统一规划，由此，其软件设计严格按照相关管理信息的设计规范进行，具有相同的编码标准、软件接口标准、可共享的数据库与统一的开发平台以便于软件的后期维护，并针对不同层次的使用者，合理运用C/S和B/S两种结构，即可实现总控室与各机房的信息交换，也可通过Internet与远程用户进行信息交换，具体功能由数据库服务器、备份服务器、Web服务器、文件服务器与客户机等使用完成。
对于需要复杂业务操作的企业内部用户，采用C/S模型，其应用程序安装在公用的文件服务器上，客户机上只存在运行环境；对于只需要一些简单信息查询和数据录入的企业外部人员，采用B/S模型，其进入系统的途径由Web服务器提供。
2.2 中层级
中层级的内部结构框图如图1所示，机房与机房之间通过IP交换机相连，若干个交换机构成一个具有自主备份双向自愈环功能的双向环路IP主干网。PC机1、PC机2与视频服务器通过IP交换机接入IP主干网，与总控室进行通讯；PC1机通过RS-232对UPS进行不间断地轮询，并对其状态数据进行解码，若处于故障状态，则向总控室内的主机发现报警信号并传送相应信息；机房内的温度报警器、湿度报警器、框门监控器与下层的信息直接送往机房内的主控监测仪。
主控监测仪以PIC系列单片机为核心，外围增设两个RS-232接口和一个调制解调接口，用来实时监测地下各监测仪的状态以及监控机房内温度报警器、湿度报警器与框门的开启状态，当系统有报警信息时，立即通过RS-232串口以中断方式将有关信号送到PC2机，PC2机将数据打包后通过光纤网传到总控室。在此通讯过程中，地下电缆架起了主控监控仪与各监控仪之间的桥梁，应给予重点维护和监测。为此，我们特地设计了智能化过流防护电路来监测由电缆故障所引起的电流陡增现象的发生。
2.3 现场级
现场级监测仪的核心是PIC单片机与TDK调制解调器。井盖的状态通过进程开关与光耦隔离电路送到MCU的I/O端口；管道内的湿度状况与交接箱压力信号通过湿度、压力传感器与信号调理电路送到MCU的A/D转换接口。MCU会将这些状态值与内存单元的预报警值相比较，若超限则报警，并将相应的信息传送到机房中的主控监测仪。
机房主控监测仪与各监测仪之间通过共享总线方式相连，并且由机房远程供电，供电线与信号线共用两条地下电缆，可共同完成采样、分析结果与报警等功能，其具体解决措施如下：
①通过分布在光缆管道内的监测仪对管道内的空气湿度、交接箱内压力、地面井盖和地下井盖的状态进行采样；
②对采样结果进行分析，若发现报警信息，则将报警地址与信息调制后通过电缆上传到机房主控监测仪，主控监测仪将发生故障的监测仪地址码与报警信号通过RS-232以中断方式上传到机房的PC机中，再由PC机通过光纤网向监控中心发现报警信号，并告知故障位置；
③由于各监测仪没有本地电源，必须远程供电，为此主控监测仪沿光纤管道引出两条电缆，各监测仪以并联方式挂接在此电缆上，电缆在完成通讯任务的同时为终端监测仪供电。
为了实现此种集中供电方式，就要求监测仪应具有尽可能小的功耗，而我们设计的智能化现场监测仪完全满足此要求，其静态功耗电流不大于20uA；在总线争强时，其动态功耗电流仅为14-23mA，其中基本功耗电流约为8mA，发送功耗电流为6-15mA。
3 系统通讯方式
中层级机房内的计算机与主控监测仪之间采用RS-232方式通讯，此信息交换包括实时查询与中断查询两种方式，而与视频服务器之间通过TCP/IP协议通讯；机房与总控室之间采用TCP/IP协议通讯，所以机房与总控室内的计算机必须安装TCP/IP协议。
总控室的服务器端主要是利用Socket方法，对机房客户端的连接请求进行侦听，并对请求成功的客户端进行队列管理。当客户端连接请求成功后，即可进行数据信息的交换，然后根据管理队列中的TCustom WinSocket指针，分别处理各自的数据包；服务器端被动接收从客户端传来的数据，并根据数据作相应的操作，把有用的数据解包、分析，依据各种警报条件产生诸如文字、语音、图像等报警形式。
机房的客户机端根据设备的不同，采用不同的通讯方式，如中断采用多线程。考虑到线程间公用进程的地址空间，线程间采用同步方式，并用TCustomWinSocket指针管理与服务器之间的连接。
3.1 物理层
物理层通讯电路的硬件主要由TDK调制解调芯片与MCU的UART端口构成。在机房端，MCU通过RS-232接口电路与上层网络的PC机串口近距离通讯，同时将需发送给监测仪的数据通过MCU的串口送给调制解调芯片，该芯片将调制好的信号叠加到输电线路上；在接收端，首先通过信号分离器将调制信号分离出来送给调制解调芯片进行解调，接收端的CPU通过串口读取解调后的信号并进行相应的处理。
3.2 数据链路层
在数据链路层，通讯协议采用CSMA/CD（载波监听多路存取与冲突检测）的部分协议，结合使用循检与中断两种方式。主控监测仪对各监测仪的状态用循检方式进行查询，即以固定的时间间隔以地址码为顺序查询从机的状态，其程序流程图如图2所示；而监测仪的报警信息以突发中断方式向主控监测仪发送，这样就大大缩减了报警延时时间；每个监测仪在发送数据前首先监听信道上是否空闲，是，则立即启动本次传输任务，并在信息发出后等待主控监控仪的确认信息，若没有收到确认信息，监测仪会以一种随机后退算法来决定试图再次发送数据前要等待的延时时间；在两个监测仪几乎同时检测到信息空闲并同时启动传输任务即冲突发生时，主控监测仪会检测到信道上有冲突发生而不返回任何的确认信息，这时两个监测仪会根据随机算法决定重发的延时时间以避免冲突的再次发生，其程序流程图如图3所示。
4 系统可靠性
在系统整体设计中，可靠性是系统的重要性能指标之一。在错综复杂的城市地下管线中，监测仪抗环境干扰与侵蚀能力、自保护与自恢复能力、线路抗腐蚀能力、温度、湿度、压力传感器、行程开关的性能与使用寿命等不稳定因素会严重影响系统性能，除此之外，汽车经过所带来井盖的抖动以及通信线路的电磁干扰也可能造成误报。为此，针对上述影响性能指标的因素，系统主要采用如下办法提高系统性能；
4.1 稳定性
为消除系统不稳定性因素的影响，监测仪与主控监测仪中所有器件都选用工品级，并采用金属制全封闭外壳，在增加了屏蔽与防水防潮性能的同时也提升了系统的散热性能；MCU外围添加看门狗和低电压保护电路，从而确保从机能在事故中自我保护和自我恢复；供电通信线路与传感器的接出线选用PVC，并外加PE防腐层，使其在绝缘与防腐性能上能适应恶劣的井下环境。
4.2 误报
系统主要有汽车经过所带来的井盖抖动与通讯线路的电磁干扰两种误报源。考虑到井盖抖动所引起的行程开关的运输和行程远比人为搬起井盖并进入井内所产生的行程小，可通过适当地调整行程开关的安装位置便可从硬件上消除井盖抖动所引起的误报，同时在软件上专门编写了井盖去抖程序，从而完全消除了井盖抖动所引起的误报警；对于通讯线路电磁干扰所引起的误报可通过软件来消除，对通讯数据采用两字节长的CRC检验，同时接收端软件采用双报警确认法，从而使线路干扰所引起的误报警率几乎为零。
5 结束语
该系统的设计综合了C/S与B/S两种体系结构，融合了C/S与B/S两种技术模型的优点，同时又避免了C/S方式占用客户端资源多、代码不能重用、不易安装和维护与B/S方式难以确保事务处理的连续性与数据的完整性等弊端；规模可变的网络结构及特别制定的链路层通讯协议与监听/退让功能，十分有利于整个系统的维护与管理，确保系统的安全可靠运行；低功耗、共电式现场监测设备无须现场供电，可适应地下管线错综复杂的拓扑结构与测点数量较多的场合，并能自动适应测点数量的变化。
参考文献
[1] 谢希仁。计算机网络[M]。大连理工大学出版社，2000（3）
[2] 王玲瑜，孙金伦，市内通信线路[M]。北京邮电学院出版社，1994
