基于WSN的天然氣管道運(yùn)行狀態(tài)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

程新根　馬朝華

摘 要：通過對(duì)天然氣管道運(yùn)行狀態(tài)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，可保障西氣東輸管線網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定可靠運(yùn)行。文中提出了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）信息自適應(yīng)感知的天然氣管道運(yùn)行狀態(tài)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，以構(gòu)建天然氣管道安全運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)可負(fù)責(zé)天然氣管道安全運(yùn)行狀態(tài)信息的采集、處理和與上位機(jī)的通信。系統(tǒng)基于DSP信號(hào)處理芯片，在CCS 2.20開發(fā)平臺(tái)下進(jìn)行天然氣管道安全運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)的平臺(tái)集成編譯和接口連接，最后完成整個(gè)系統(tǒng)的硬件集成設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用該系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，能準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)對(duì)天然氣管道運(yùn)行狀態(tài)的信息采集和狀態(tài)分析，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)天然氣運(yùn)輸管道的安全監(jiān)測(cè)和管理。

關(guān)鍵詞：天然氣；西氣東輸；管道；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；安全監(jiān)測(cè)

中圖分類號(hào)：TP271 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2015）10-00-03

0 引 言

“西氣東輸”工程是我國距離最長、口徑最大的天然氣管道網(wǎng)絡(luò)工程，西氣東輸?shù)奶烊粴夤艿牢髌鹚锬九璧氐妮喣?，東至上海，東西橫貫新疆、甘肅、寧夏等9個(gè)省市區(qū)，全長為4 200千米。西氣東輸管道投資的67%都在中西部地區(qū)，有效拉動(dòng)了沿線地區(qū)的機(jī)械、電力、化工等工業(yè)的發(fā)展。由于西氣東輸?shù)奶烊粴夤艿澜M網(wǎng)復(fù)雜，工作環(huán)境惡劣，需要對(duì)管道網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)，保障西氣東輸管線網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定可靠運(yùn)行。研究西氣東輸天然氣管道的運(yùn)行狀態(tài)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法具有重要意義。傳統(tǒng)的天然氣管道運(yùn)行狀態(tài)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用壓力預(yù)警方法，結(jié)合FPGA邏輯控制，實(shí)現(xiàn)天然氣管道的安全監(jiān)測(cè)和預(yù)警，但在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，需要配備專門的壓力信息采集卡，管道運(yùn)行狀態(tài)信息的自組織能力較差，應(yīng)用性不好[1]。

針對(duì)上述問題，本文提出了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network， WSN）信息自適應(yīng)感知的天然氣管道運(yùn)行狀態(tài)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。首先進(jìn)行了系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)描述，設(shè)計(jì)天然氣管道安全運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，負(fù)責(zé)天然氣管道安全運(yùn)行狀態(tài)信息的信號(hào)采集、處理和與上位機(jī)通信，基于DSP信號(hào)處理芯片，在CCS 2.20開發(fā)平臺(tái)下進(jìn)行天然氣管道安全運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)的平臺(tái)集成編譯和接口連接，并進(jìn)行能量收集電路設(shè)計(jì)，延長系統(tǒng)的壽命周期。最后通過仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了性能測(cè)試，展示了本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)的可靠性和優(yōu)越性，從而得出有效結(jié)論。本文將對(duì)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)描述及功能模塊分析與系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)作出詳細(xì)介紹。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)描述及功能模塊分析

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框架

天然氣管道運(yùn)行狀態(tài)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要是實(shí)現(xiàn)對(duì)天然氣管道的野外運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，系統(tǒng)主要由分布在監(jiān)測(cè)站的無線傳感器WSN模塊、核心控制處理器模塊、數(shù)據(jù)無線收發(fā)模塊和能量供給模塊組成[2-4]。其中，天然氣管道的壓力傳感器節(jié)點(diǎn)是天然氣管道運(yùn)行狀態(tài)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)最基本的組成單元，它具有傳感、信號(hào)處理和無線通信能力。由此得到本文設(shè)計(jì)的天然氣管道運(yùn)行狀態(tài)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

圖1中，傳感器模塊負(fù)責(zé)監(jiān)控管道運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)內(nèi)的原始信息，并進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，被監(jiān)控的管道運(yùn)行狀態(tài)信息決定了傳感器的類型，比如壓力傳感器、振動(dòng)傳感器和故障信息采集傳感器等，無線通信模塊負(fù)責(zé)傳感器之間的無線通信，并實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的數(shù)據(jù)交換。電源模塊負(fù)責(zé)為整個(gè)節(jié)點(diǎn)提供能量，通過能量收集，保障系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行[5]。

1.2 系統(tǒng)的功能模塊設(shè)計(jì)

在天然氣管道運(yùn)行狀態(tài)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，基于WSN信息自適應(yīng)感知，進(jìn)行功能模塊設(shè)計(jì)，重點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)供電功能模塊的電路設(shè)計(jì)方案進(jìn)行描述，針對(duì)本設(shè)計(jì)的天然氣安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，考慮采用能量收集芯片LTC3105搭建微弱太陽能收集電路。LTC3105是一款高性能同步升壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器，其啟動(dòng)電壓低至250 mV，輸入電壓范圍寬至0.2～5 V，輸出電壓范圍為1.5～5.25 V，適用于高阻抗可替代能源的收集，如太陽能電池、溫差電池和燃料電池等。LTC3105具有最大功率點(diǎn)控制MPPC功能，通過一個(gè)簡單電阻即可設(shè)置最大功率點(diǎn)，極大地提高了光電能量的轉(zhuǎn)換效率，特別適合于微能源領(lǐng)域。由此得到能量收集電路設(shè)計(jì)如圖2所示，該單元可產(chǎn)生恒定的直流電壓，可供節(jié)點(diǎn)負(fù)載工作，同時(shí)后續(xù)模塊還能將多余的能量儲(chǔ)存起來，實(shí)現(xiàn)無線傳感WSN節(jié)點(diǎn)的連續(xù)供電。

上述電路設(shè)計(jì)的主要參數(shù)計(jì)算描述如下：

（1）升壓轉(zhuǎn)換器輸出Vout。通過連接在引腳OUT和FB之間的電阻分壓器，控制升壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓Vout，計(jì)算公式如下：

（1）

在本設(shè)計(jì)中，輸出電壓要求為4.1 V，R1取1 MΩ，R2取301 kΩ。

（2）最大功率點(diǎn)跟蹤設(shè)置。最大功率點(diǎn)電壓由MPPC引腳和GND之間的電阻阻值確定，計(jì)算公式如下：

VMPPC=10μA×R （2）

通過上述設(shè)計(jì)，能有效滿足西氣東輸天然氣管道野外運(yùn)行狀態(tài)安全監(jiān)測(cè)的需求。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

天然氣管道安全運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)具有高效動(dòng)態(tài)性及靜態(tài)特性，系統(tǒng)主要包括了能耗監(jiān)測(cè)的硬件模塊和軟件模塊設(shè)計(jì)，本文設(shè)計(jì)的天然氣管道安全運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊的主要技術(shù)指標(biāo)描述如下：FIR帶通濾波動(dòng)態(tài)范圍為-30 dB～+40 dB，WSN節(jié)點(diǎn)信號(hào)采集接收信號(hào)的幅度采樣率≥200 kHz ；安全運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)的D/A分辨率為12位。

天然氣管道運(yùn)行狀態(tài)安全監(jiān)測(cè)的硬件模塊設(shè)計(jì)通過串行通信轉(zhuǎn)移到PC上得到WSN信息自適應(yīng)感知的輸出采樣為：

（3）

其中，e（t）為WSN信息自適應(yīng)感知誤差分量，kp為數(shù)據(jù)采樣周期，天然氣管道運(yùn)行狀態(tài)安全監(jiān)測(cè)電路主要是對(duì)寫信號(hào)進(jìn)行功率損耗測(cè)量處理，其構(gòu)成主要有加法電路、計(jì)數(shù)電路。采用STM32F101xx芯片設(shè)計(jì)功耗監(jiān)測(cè)的功率放大電路，在設(shè)計(jì)時(shí)，將STM32F101xx給予功率增益控制。從功率增益控制P-V管線可以看出，存在一個(gè)點(diǎn)M，對(duì)應(yīng)的輸出功率P最大，把這一點(diǎn)稱為最大功率點(diǎn)，所對(duì)應(yīng)的電流和電壓分別為峰值電流Im和峰值電壓Um。

基于ADP3339的線性穩(wěn)壓主頻分離測(cè)距測(cè)量技術(shù)，在切斷或者導(dǎo)通后繼續(xù)使穩(wěn)壓模塊與之前的濾波模塊連接，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)測(cè)量點(diǎn)上不同時(shí)間調(diào)整下的數(shù)據(jù)資料分別進(jìn)行處理，提取各自的分離曲線，比較不同時(shí)間對(duì)主頻測(cè)量信息的影響，將TRF7960的I/O_0～I(xiàn)/O_7作為并口輸入輸出端，得到天然氣管道運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功率放大模塊設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3中，假設(shè)系統(tǒng)采樣率至少200 kHz，系統(tǒng)第一級(jí)放大倍數(shù)的建立時(shí)間為23 ns（達(dá)到0.01%），系統(tǒng)的功耗?。▋H為34 mW）。由于單晶硅電池片的實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)換效率只有20%左右，為了提高系統(tǒng)的功率轉(zhuǎn)換效率，可使用最大功率追蹤MPPT方法，基于WSN信息自適應(yīng)感知，使電池片的輸出功率最大。天然氣管道運(yùn)行狀態(tài)安全監(jiān)測(cè)的阻抗能等效成并聯(lián)回路，此時(shí)負(fù)載僅為G。設(shè)計(jì)PCI接口，在EPM7128AETI100上連入各芯片的讀寫信號(hào)，由于運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)使用單晶硅單片，WSN能量采集開路電壓Uoc與電池片面積無關(guān)，約為0.6 V，峰值電壓約為0.45～0.5 V，短路電流和功率則與電池片面積成正比?？梢酝ㄟ^將太陽能電池片串并聯(lián)的方式，以滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)電壓和電流的要求。綜上分析，得到本文設(shè)計(jì)的天然氣管道安全運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件集成電路如圖4所示。

3 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

為了測(cè)試本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)天然氣運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測(cè)的性能，進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中，假設(shè)CC2530芯片的工作電壓范圍為2～3.6 V，傳感器DS18B20工作電壓范圍為3～5 V，而鋰電池的供電電壓范圍為3.7～4.2 V，在天然氣管道運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)中需要進(jìn)行DC-DC轉(zhuǎn)換。本設(shè)計(jì)中選用LTC3537DC/DC轉(zhuǎn)換器，可提供1.5～5.25 V的穩(wěn)定電壓。天然氣管道運(yùn)行狀態(tài)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的輸出壓電電壓E=vl×B，管道氣體壓力采集儀的輸出轉(zhuǎn)矩為15 N·m，天然氣管道運(yùn)行狀態(tài)安全監(jiān)測(cè)控制模塊的宿主機(jī)安裝了Windows 7系統(tǒng)，模擬100個(gè)安全監(jiān)測(cè)的請(qǐng)求任務(wù)?；谏鲜龇抡姝h(huán)境和參數(shù)設(shè)定，進(jìn)行天然氣運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)采集，WSN采用水聽器進(jìn)行分布式組網(wǎng)布陣，得到水聽器接收到的管道安全運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)采集結(jié)果如圖5所示。

從圖5可見，采用本文設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)對(duì)天然氣管道運(yùn)行狀態(tài)的信號(hào)采集，天然氣管道壓力波動(dòng)的幅度為28 kPa，數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確度為98.13%，數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確。以此為數(shù)據(jù)輸入，進(jìn)行安全運(yùn)行狀態(tài)分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)天然氣管道運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)評(píng)估和監(jiān)測(cè)預(yù)警。

圖5 WSN節(jié)點(diǎn)對(duì)天然氣管道運(yùn)行狀態(tài)的信號(hào)采集結(jié)果

4 結(jié) 語

對(duì)天然氣管道運(yùn)行狀態(tài)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，保障西氣東輸管線網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定可靠運(yùn)行。本文提出一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信息自適應(yīng)感知的天然氣管道運(yùn)行狀態(tài)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。設(shè)計(jì)天然氣管道安全運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，進(jìn)行系統(tǒng)的硬件電路集成設(shè)計(jì)。系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用本文優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，能準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)對(duì)天然氣管道運(yùn)行狀態(tài)的信號(hào)和數(shù)據(jù)的自適應(yīng)采集和特征分析，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)天然氣管道的安全監(jiān)測(cè)和管理。

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