油庫(kù)油品泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)研究

吳忠,褚成浩

（中海石油寧波大榭石化有限公司，浙江寧波315812）

燃?xì)馐俏覈?guó)重要能源之一，當(dāng)其發(fā)生泄漏時(shí)，容易帶來(lái)爆炸與火災(zāi)，對(duì)人類生命和財(cái)產(chǎn)造成了嚴(yán)重威脅[1]。所以，如何防止燃?xì)庑孤┏蔀榱水?dāng)前重點(diǎn)解決問題。目前，油庫(kù)中油罐、管道、控制閥門、各個(gè)儲(chǔ)油區(qū)連接處發(fā)生油品泄漏情況比較多，主要原因包括設(shè)備密封性能較差、錯(cuò)誤操作等[2，3]。為了及時(shí)發(fā)現(xiàn)油品泄漏問題，采取有效處理，需要在容易發(fā)生油品泄漏位置安裝監(jiān)測(cè)裝置，起到實(shí)施監(jiān)測(cè)作用，本文著重探究監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方案。

1 油庫(kù)油品泄漏監(jiān)測(cè)集氣裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及傳感器模塊配置

1.1 傳感器模塊需求分析及傳感器模塊配置

本研究以航空燃油油品為例，探究油氣泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中傳感器節(jié)點(diǎn)布設(shè)方案。由于此類油品中由多種氣體組成，以芳香烴類物質(zhì)為主，所以本研究選取PID探測(cè)器作為監(jiān)測(cè)裝置。該裝置支持芳香烴有機(jī)物電離，作業(yè)期間兩個(gè)電極產(chǎn)生電流，其他惰性氣體、CO2、O2不會(huì)受環(huán)境影響發(fā)生電離。其作業(yè)原理是將信號(hào)采取放大處理，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換處理輸出的數(shù)據(jù)與濃度相關(guān)，利用單片機(jī)對(duì)輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行二次處理，從而獲取油品泄漏濃度值[4]。在PID檢測(cè)裝置的作用下，能夠在不破壞氣體的情況下獲取原有氣體濃度信息[5]。所以，PID探測(cè)器比較適合應(yīng)用于油品泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開發(fā)中。

由于探測(cè)器需要準(zhǔn)確檢測(cè)有機(jī)混合物，從功耗、靈敏度、檢測(cè)范圍等多項(xiàng)指標(biāo)綜合考慮，選取型號(hào)為APP6018001裝置作為探測(cè)器。該裝置作業(yè)電流范圍20～40mA，電壓范圍3.2～10V，輸出模擬信號(hào)0.05～2.5V，3s內(nèi)完成響應(yīng)。其中，模擬信號(hào)將輸送到單片機(jī)中，利用A/D轉(zhuǎn)換模塊處理，得到數(shù)據(jù)信號(hào)，作為油品泄漏判斷依據(jù)[6]。

1.2 油庫(kù)油品泄漏監(jiān)測(cè)集氣裝置結(jié)構(gòu)

當(dāng)油氣處于露天環(huán)境時(shí)，油氣擴(kuò)散方向及程度容易受環(huán)境氣候影響，不利于油品泄漏監(jiān)測(cè)，油氣泄漏不嚴(yán)重情況下監(jiān)測(cè)結(jié)果不準(zhǔn)確[7]。為了提高裝置監(jiān)測(cè)靈敏度，需要添加一套高效氣體收集裝置，對(duì)該裝置的探測(cè)器配置要求較高，利用探測(cè)器主動(dòng)采集油氣泄漏信息。按照此設(shè)計(jì)要求，本研究選取PID探測(cè)器作為監(jiān)測(cè)裝置，設(shè)計(jì)了一套漏斗形集氣裝置（見圖1）。

圖1 系統(tǒng)集氣裝置

圖1中，系統(tǒng)集氣裝置由集氣罩、傳感器、氣泵、罩殼、太陽(yáng)面板4部分組成，選取ZPP6018001型號(hào)PID探測(cè)器作為監(jiān)測(cè)工具，安裝于氣泵與漏斗之間。

該設(shè)計(jì)方案中集氣裝置存在以下三個(gè)特點(diǎn)，能夠彰顯出本裝置設(shè)計(jì)方案優(yōu)勢(shì)：1）以漏斗形裝置布設(shè)，可以大大提高氣體匯入性能；2）該裝置采用微型氣泵作為氣體匯入控制裝置，功耗較低，吸入氣體作業(yè)效率較高，測(cè)量穩(wěn)定性較強(qiáng)；3）裝置管道以變截面為主，通過(guò)控制氣壓，使得氣體在檢測(cè)室快速擴(kuò)散，以此提高裝置檢測(cè)靈敏度。

關(guān)于集氣裝置氣泵的選取，以功耗、外形體積、作業(yè)電壓、負(fù)載電流等作為裝置選取參考依據(jù)。綜合各項(xiàng)需求，選取型號(hào)為GminniP-4裝置作為微型泵配備材料，其作業(yè)功率為150mW，電壓3V，負(fù)載電流50mA。考慮到本裝置在露天環(huán)境下溫度變化范圍比較大，為了避免溫度對(duì)檢測(cè)精準(zhǔn)度造成影響，本研究選取DS18B20作為溫度測(cè)量?jī)x器，該儀器測(cè)量精度為0.5℃，與現(xiàn)場(chǎng)溫度測(cè)量需求相符。

2 傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工作原理

傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)以單片機(jī)作為控制中心，通過(guò)對(duì)無(wú)線收發(fā)模塊、電源模塊、傳感器模塊進(jìn)行有效控制，從而實(shí)現(xiàn)油庫(kù)環(huán)境中油品泄漏監(jiān)測(cè)。為傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案（見圖2）。

圖2 傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

圖2中，該結(jié)構(gòu)的核心控制器為MSP430F2618單片機(jī)，在單片機(jī)的控制下，使得各個(gè)模塊有序作業(yè)。另外，選取CC2520模塊作為信息發(fā)送和接收裝置，以無(wú)線通信技術(shù)作為模塊開發(fā)工具，以此減少節(jié)點(diǎn)信息發(fā)送與接收受環(huán)境的約束。傳感器模塊是節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)來(lái)源，利用PID控制器采集環(huán)境油品泄漏信息，為了避免數(shù)據(jù)精準(zhǔn)度受環(huán)境影響，添加了溫度補(bǔ)償處理，以DS18B20采集到的溫度信息作為補(bǔ)償計(jì)算依據(jù)。結(jié)構(gòu)中各個(gè)模塊作業(yè)均依靠電源模塊提供電能，根據(jù)設(shè)備作業(yè)供電電壓需求不同，利用電壓裝換裝置調(diào)節(jié)供電電壓。

本設(shè)計(jì)方案采用周期循環(huán)作業(yè)管理模式，對(duì)油庫(kù)環(huán)境中油品泄漏情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。工作原理為：在單片機(jī)作用下，開啟氣泵作業(yè)模式，而后下達(dá)傳感器作業(yè)命令，利用PID傳感器采集環(huán)境中的油品氣體信息，利用溫度傳感器采集環(huán)境溫度信息，利用后者采集到的信息，對(duì)前者氣體檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行溫度補(bǔ)償處理，在A/D轉(zhuǎn)換作用下得到數(shù)據(jù)信號(hào)。將此數(shù)據(jù)與設(shè)定閾值范圍進(jìn)行對(duì)比，如果超出范圍，則油品異常，反之，油品正常。如果檢測(cè)結(jié)果為異常，關(guān)閉氣泵，向管理中心發(fā)送油品異常信號(hào)，等待處理命令的下達(dá)。如果檢測(cè)結(jié)果為正常，同樣關(guān)閉氣泵，向管理中心發(fā)送油品正常信號(hào)，結(jié)束本次監(jiān)測(cè)操作，開啟下一時(shí)段油品監(jiān)測(cè)。按照此作業(yè)過(guò)程循環(huán)監(jiān)測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)油庫(kù)現(xiàn)場(chǎng)油品泄漏實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

3 單片機(jī)控制系統(tǒng)與傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

3.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)

本系統(tǒng)選取MSP430F2618單片機(jī)作為核心控制器，該裝置支持4種工作模式，功耗較低，可以在1之內(nèi)從休眠狀態(tài)轉(zhuǎn)入作業(yè)狀態(tài)，具有極強(qiáng)的環(huán)境時(shí)應(yīng)能力，滿足系統(tǒng)開發(fā)需求。為單片機(jī)最小系統(tǒng)（見圖3）。

圖3 單片機(jī)最小系統(tǒng)

圖3中，ADG821模擬控制開關(guān)與單片機(jī)P1.5接口和P1.6接口連接，作為作業(yè)模式模擬控制信號(hào)輸入端，通過(guò)P3.4、UTXD0與PID控制器端口連接，實(shí)現(xiàn)油品環(huán)境信息采集。將單片機(jī)P2.0接口與DS18B20建立連接，為溫度補(bǔ)償處理提供數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)單片機(jī)內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行處理，從無(wú)線通信模塊將數(shù)據(jù)傳輸至油庫(kù)管理中心。其中，無(wú)線模塊通信端口與單片機(jī)P3和P4接口連接。

3.2 信息采集

本研究方案利用單片機(jī)控制傳感器作業(yè)狀態(tài)，所以信息采集模塊時(shí)在單片機(jī)的控制下進(jìn)行作業(yè)，切換溫度傳感器和PID傳感器作業(yè)狀態(tài)，使得兩種信號(hào)從模擬輸入端進(jìn)入單片機(jī)，完成信息采集。其中，開啟氣泵和傳感器的控制開關(guān)為ADG821，當(dāng)此開關(guān)從斷開狀態(tài)切入到閉合狀態(tài)時(shí)，傳感器開始作業(yè)。由于傳感器輸出信號(hào)的電壓與A/D轉(zhuǎn)換模塊作業(yè)電壓相同，所以省去了信號(hào)放大處理環(huán)節(jié)。

3.3 傳感器測(cè)量溫度補(bǔ)償

依據(jù)PID傳感器信號(hào)輸出精度與環(huán)境溫度之間的關(guān)系，設(shè)定傳感器溫度標(biāo)定點(diǎn)為20℃。開啟溫度傳感器作業(yè)模式后，采集到的環(huán)境溫度數(shù)據(jù)會(huì)返回單片機(jī)，經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換得到溫度數(shù)據(jù)。單片機(jī)程序運(yùn)行下，自動(dòng)計(jì)算此部分溫度數(shù)據(jù)和標(biāo)定溫度的差值，從而推理出溫度與PID傳感器數(shù)據(jù)精度關(guān)系，依據(jù)溫差修正PID輸出數(shù)據(jù)，得到修正值。其中，PID數(shù)據(jù)修正處理是以軟件程序控制的方式，完成了數(shù)據(jù)補(bǔ)償處理。

3.4 無(wú)線通信設(shè)計(jì)

由于傳感器布設(shè)節(jié)點(diǎn)數(shù)量較多，并且距離監(jiān)控管理中心比較遠(yuǎn)，如果采用有線通信模式，不僅會(huì)加大通信成本，而且增加維護(hù)工作量。因此，本監(jiān)控系統(tǒng)采用無(wú)線通信模式傳輸油品狀態(tài)信息。考慮到油庫(kù)環(huán)境較為特殊，容易受大風(fēng)等天氣影響，所以對(duì)無(wú)線通信裝置的作業(yè)性能要求極高。另外，為了全面監(jiān)測(cè)油庫(kù)油品狀態(tài)，所以需要大面積布設(shè)傳感器節(jié)點(diǎn)，采用組建基站的模式，建立節(jié)點(diǎn)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。綜合考慮這些需求，本研究方案選取CC2520芯片作為控制裝置，設(shè)定作業(yè)頻率為2.4GHz。該作業(yè)頻率滿足IEEE802.15.4通信協(xié)議，能夠搭建無(wú)線射頻信息發(fā)送與接收鏈路。其中，單片機(jī)與CC2520芯片的SPI接口連接，實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳送連接。

3.5 系統(tǒng)供電設(shè)計(jì)

由于油氣泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)供電裝置的穩(wěn)定性、安全性要求較高，所以本研究方案選取鋰電池作為供電模塊設(shè)計(jì)材料。目前，我國(guó)倡導(dǎo)節(jié)能，希望多項(xiàng)操作都可以利用可再生能源供電。因此，本系統(tǒng)供電模塊利用太陽(yáng)能電池板作為供電裝置，將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能。為了充分利用能源，本設(shè)計(jì)方案添加了充放電控制器，在滿足系統(tǒng)裝置供電需求的同時(shí)，將多余的電量存儲(chǔ)在鋰電池中。當(dāng)太陽(yáng)能不充足時(shí)，利用存儲(chǔ)的電能供電，以保證系統(tǒng)可以在無(wú)陽(yáng)光或者沒有陽(yáng)光的情況下長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)作業(yè)。

本供電模塊選取TPS63031芯片作為供電狀態(tài)控制芯片，用于切換模塊充放電作業(yè)狀態(tài)。其中，芯片的作業(yè)效率為96%，能夠在-40～50℃環(huán)境下正常作業(yè)，輸入電壓范圍1.8～5.5V，輸出恒定電壓為3.3V，電容為0.4F。為了盡可能減少能量損失，本設(shè)計(jì)方案添加了2CK9型號(hào)開關(guān)二極管，支持反向擊穿電壓、正向降壓功能，以此避免能量損失過(guò)多。

4 性能測(cè)試分析

4.1 信息采集測(cè)試

本研究節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方案采集信息包括環(huán)境溫度信息、PID傳感器油氣濃度信息，后者以經(jīng)過(guò)溫度補(bǔ)償處理后的數(shù)據(jù)為準(zhǔn)，通過(guò)對(duì)比實(shí)際數(shù)值和測(cè)量數(shù)據(jù)精準(zhǔn)程度，從而判斷本方案信息采集性能是否可靠。本次實(shí)驗(yàn)組織3次測(cè)試（見表1）。其中，溫度數(shù)據(jù)測(cè)量精準(zhǔn)度不得低于97%，油氣濃度測(cè)試精準(zhǔn)度不得低于96%。

表1 信息采集測(cè)試結(jié)果

表1中測(cè)試結(jié)果顯示：本設(shè)計(jì)方案可以準(zhǔn)確采集溫度信息和油氣泄漏濃度信息，精準(zhǔn)度皆在97%以上。所以，利用本方案采集到的數(shù)據(jù)信息可以作為油氣泄漏判斷依據(jù)。

4.2 信息傳輸測(cè)試

無(wú)線通信模塊作為節(jié)點(diǎn)信息傳輸工具，實(shí)現(xiàn)了信息采集的價(jià)值，即將油氣泄漏信息從現(xiàn)場(chǎng)發(fā)送至監(jiān)管中心，為油庫(kù)油品管理提供可靠信息，從而實(shí)現(xiàn)本方案的應(yīng)用價(jià)值。其中，通信模塊信息傳輸準(zhǔn)確性是實(shí)現(xiàn)應(yīng)用價(jià)值的關(guān)鍵，本次測(cè)試對(duì)信息傳輸精準(zhǔn)度進(jìn)行測(cè)試（見表2）。

表2 信息傳輸測(cè)試結(jié)果

表2中，3組測(cè)試結(jié)果均顯示無(wú)線信息傳輸模塊設(shè)計(jì)方案可靠，利用該模塊可以準(zhǔn)確傳輸油氣泄漏相關(guān)信息。

4.3 系統(tǒng)供電穩(wěn)定性測(cè)試

系統(tǒng)供電裝置作為節(jié)點(diǎn)架構(gòu)中各個(gè)設(shè)備作業(yè)能源供應(yīng)控制器，其供電穩(wěn)定性對(duì)節(jié)點(diǎn)作業(yè)影響較大。本次測(cè)試以3個(gè)連續(xù)陰雨天氣作為測(cè)試環(huán)境，檢驗(yàn)該裝置是否可以滿足此條件下的系統(tǒng)供電需求（見表3）。

表3 系統(tǒng)供電穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果

表3中測(cè)試結(jié)果顯示：本供電方案支持連續(xù)3天陰雨天氣供電，供電穩(wěn)定性較高。

本文以油庫(kù)油品泄漏問題處理作為研究切入點(diǎn)，提出油氣泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，根據(jù)監(jiān)測(cè)功能、作業(yè)環(huán)境等需求，合理選取硬件設(shè)備，搭建系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)框架結(jié)構(gòu)。在MSP430F2618單片機(jī)控制下，通過(guò)PID傳感器和DS18B20傳感器采集數(shù)據(jù)信息，作為油氣泄漏判斷依據(jù)。測(cè)試結(jié)果表明，本設(shè)計(jì)方案能夠精準(zhǔn)采集數(shù)據(jù)信息，傳輸期間可以抵御環(huán)境干擾，支持長(zhǎng)期陰雨天連續(xù)作業(yè)。