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1、密级：公开管道地面定位盒无线唤醒与休眠单元设计Design of Wireless Awake and Dormancy System to The Pipeline Ground Positioning Box 学 院：信息科学与工程学院专 业 班 级：测控技术与仪器1004班学 号： 学 生 姓 名： 指 导 教 师： （教授）2015 年 06 月I 摘要随着近年来石油天然气能源需求的不断提高，我国油气管道建设也不断提速，预计2015年油气管道总里程将达到10万公里。如此长的距离必然需要定期对管道进行检测，以保证油气管道能正常的运输工作。管道检测过程中，管道距离比较长，检测装置的功耗能力
2、直接影响到检测任务是否能够顺利完成。设计一款用于油气管道检测装置的低功耗无线网络节点，对保障管道检测顺利进行，提高检测装置寿命具有重要的现实意义。根据实际情况及设计要求，本次设计主要内容为远距离无线唤醒与休眠单元系统。本文以系统低功耗、远距离传输为设计的主要参考指标，设计出了能够实现远距离无线唤醒的网络节点。本文以超低功耗单片机MSP430和远距离无线收发芯片SI4432为基础，通过对射频及无线基础知识、射频电路匹配以及对网络节点的硬件电路如BALUN、滤波器电路、射频前端功率放大电路，3.3V稳压电路等电路理论的深入分析和研究，利用Altium Designer Summer 09电路设计软
3、件、Advanced Design System 2009先进设计系统仿真软件等辅助设计工具，设计了能够适应野外工作环境特点的具有良好功率发射性能和较高接收灵敏度的无线网络节点。并对滤波电路、BALUN及LNA电路进行了电路仿真。实现了无线网络节点与PC机间的串口通讯，能实时显示MCU和无线收发芯片所处状态。电路通过输出功率控制实现了节点远距离传输与能量消耗的平衡。无线网络节点电路设计各项指标满足设计要求。关键词：管道检测；低功耗；无线唤醒；MSP430；SI4432AbstractWith the increasing demand for energy in recent years, o
4、il and gas, oil and gas pipeline construction in China also continue to accelerate in 2015 oil and gas pipelines total mileage will reach 100,000 km. Necessarily require such a long distance pipeline regularly tested to ensure the transport of oil and gas pipelines normal work. Pipeline inspection p
5、rocess, long distance pipelines, power, the ability to detect whether the device detects a direct impact on the successful completion of the task. A low-power design for oil and gas pipeline inspection devices wireless network nodes, and to ensure the smooth progress of pipeline inspection, improve
6、the detection device life has important practical significance.According to the actual situation and design requirements, the design of the main contents of this remote is wireless unit system wake and sleep. In this paper, the system low power consumption, long-distance transmission as the main ref
7、erence for the design, devised to achieve long-range wireless network nodes wake.In this paper, ultra-low power MSP430 MCU and remote wireless transceiver chip SI4432-based, Through the RF circuit theory and basic knowledge of wireless RF matching circuit and the network node hardware circuit as BAL
8、UN, filter circuits, RF front-end power amplifier circuit, 3.3V voltage regulator circuit, in-depth analysis and research, Use Altium Designer Summer 09 circuit design software, Advanced Design System 2009 Advanced Design System Simulation software-aided design tools, Designed to adapt to the charac
9、teristics of the field emission performance of work environment and high receiver sensitivity of the wireless network node has good power. And a filter circuit, BALUN circuit of the LNA, and circuit simulation. Realization of serial communication with the PC wireless network between nodes can show M
10、CU and wireless transceiver chip which the state in real time. Output power control circuit realized by balancing node distance transmission and energy consumption. Wireless network node circuit design of the indicators meet the design requirements.Keywords：Pipeline Inspection；Low power consumption；
11、Wireless wake；MSP430；SI44321 目录摘 要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题研究背景及意义11.2 射频电路传输线理论21.3 无线电波传播31.3.1 无线电波传播机制41.3.2 路径损耗51.4 主要研究内容及要求7第2章 系统总体设计82.1 无线唤醒与休眠系统总体设计82.2 无线传输模块的设计82.2.1 SI4432无线收发芯片介绍92.2.2 两公里无线传输设计思想112.3 单片机低功耗设计122.3.1 低功耗设计考虑因素122.3.2 MSP430单片机介绍132.4 本章小结15第3章 系统硬件设计163.1 MSP430单片机外
12、围电路设计163.1.1 单片机最小系统电路163.1.2 单片机下载通讯电路173.1.3 单片机串口通讯电路183.2 SI4432无线收发电路设计183.2.1 BALUN电路183.2.2滤波电路203.2.3 放大电路213.2.4 LNA电路233.2.5 射频天线243.3 3.3V稳压电路设计263.4 本章小结27第4章 系统软件设计284.1 系统主程序设计284.1.1 SPI端口初始化284.1.2 串口通讯初始化304.2 SI4432芯片程序设计304.3 本章小结32第5章 仿真调试335.1 仿真软件介绍335.2 仿真电路及结果335.2.1 滤波电路仿真33
13、5.2.2 LNA电路仿真355.2.3 BALUN电路仿真375.3 串口调试仿真结果385.4 本章小结39第6章 结论40参 考 文 献41致 谢43附录A：系统原理图44附录B：PCB版图45附录C：程序清单46沈阳工业大学本科生毕业设计（论文）第1章 绪论1.1 课题研究背景及意义石油天然气是当今世界最重要的两种化石燃料，石油也被人们称之为“工业血液”和“黑色黄金”，是世界各国家可或缺的战略性资源。我国石油天然气管道的发展起步较晚。第一条长输油管道是1958年建于克拉玛依独山子炼油厂的双线输油管道，全长300Km，管径159mm，代表了我国输油管道零的突破。随着近年来经济的快速发展，
14、我国管道业也迎来了快速发展期，目前已形成了东北、华东原油管网和西北区域性原油管网，南北天然气管道环网也已形成，且有多个在建和拟建的管道项目1。西气东输管道工程、中国俄罗斯原油管道工程、中缅石油管道工程等相继完成或开工建设。但是，由于工业管道的工作条件非常恶劣，容易发生腐蚀、疲劳破坏或使管道内部的潜在缺陷发展成破损而引起泄漏事故，所以必须对管道进行定期的检查和维护。据中国石化集团管道储运分公司统计，我国目前长线输油管道已建成1.5万千米，其中管道公司自己所经营的4000千米输油管道每年的偷油漏油事故2000多起，直接经济损失保守估计也要几亿元2。如果能够对管道定期进行检测，发现管道缺陷，并且获得
15、其位置、类型、程度等精确信息，将为管道的安全评价、寿命预测、检修维护等提供可靠依据。如何对这些管道的运行进行有效检测管理对其战略价值的实现具有重要意义。由于石油天然气管道大都建设在比较偏僻地段，而且线路长度长达数百公里甚至数千公里，这样就给人工采集相应数据带来很大不便。特别是在遇到恶劣天气时，人工采集数据就变的十分困难，甚至导致无法进行数据采集3。因此，使用无线远程管道检测网络对石油天然气管道进行检测即可以节约人力资源成本，又能够实现对石油天然气管道的全天候自动化检测，这对于提高管道检测的实时性及可靠性具有重要意义。通常在管道检测过程中，地表会有很多定位盒，它们相隔大约为2Km，而检测装置即管道猪只有一个。当其在管道内行走时，地表定位盒会接收其信号，为了不必要的能源浪费，设计一款无线通讯系统，使管道猪经过定位盒时开启定位盒上的接收系统，之后给下一个定位盒发送信号使下一个定位盒启动工作。无动作时保证所有定位盒处于低功耗状态，尽量减少能耗，延长设备使用寿命。石油管道无线检测网络由间隔一定距离的无线节点组成，节点安装于野外且一般使用电池供电，因此需要节点具有较远距离的通信能力，同时应尽量减少节点耗电量，这一对矛盾是本项目
