基于多傳感器的閥室環(huán)境參數檢測系統(tǒng)設計與實現

摘 要：針對油氣管線所處位置偏僻、線路過長導致閥室分散，無法及時檢測閥室環(huán)境參數的問題，文中設計了一款基于多傳感器的閥室環(huán)境參數檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)由溫濕度傳感器（DHT11）、智能煙感探測器、人體紅外感應模塊（HC-SR501）、ZigBee模塊等組成。系統(tǒng)借助終端采集數據并上傳至云端進行分析處理，若測得的數據超過閾值，則云平臺將第一時間發(fā)送短信通知工作人員，便于工作人員及時采取科學有效的措施進行處理，避免造成重大安全事故。經驗證，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定，能夠有效檢測閥室各項環(huán)境參數，節(jié)省了大量人力、物力、財力，具有良好的社會效益與經濟效益。

關鍵詞：溫濕度傳感器；智能煙感探測器；人體紅外感應模塊；ZigBee模塊；云平臺；CC2530

中圖分類號：TP212 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）07-0-03

0 引 言

閥室是長輸油氣管道的重要組成部分，具有截斷、分輸等功能，是保障分段作業(yè)順利進行與工作人員人身安全的重要節(jié)點。隨著物聯(lián)網技術的發(fā)展，對閥室管理的自動化要求逐步提升。近年來，鄭州輸油氣分公司管理的閥室不斷增多，但因管道沿線地理環(huán)境千差萬別，且大多數閥室處于偏僻地區(qū)，自然環(huán)境惡劣，無人值守，導致工作人員無法實時掌握閥室的運行狀態(tài)，只能采用人工巡線的方式定期檢查，以排除故障。這種方式費時費力，不僅增加了工作人員的工作任務，更增加了單位的經濟負擔。為避免閥室因外界因素影響而導致通信中斷、SCADA數據傳輸中斷、RTU宕機[1]，影響運行調控，提高閥室環(huán)境參數的遠程監(jiān)測能力是油氣管道自動化管理的當務之急。

1 系統(tǒng)結構

該基于多傳感器的閥室環(huán)境參數檢測系統(tǒng)由溫濕度傳感器（DHT11）、智能煙感探測器、人體紅外感應模塊、ZigBee模塊等組成，用于檢測閥室的環(huán)境參數，若出現環(huán)境參數異常等現象，云平臺將第一時間通知相關負責人，具有高效、便捷的特點。系統(tǒng)分為三層，分別為感知層、傳輸層和應用層，其功能如下：

（1）感知層。該層包括所有能夠采集環(huán)境信息的終端節(jié)點，如溫濕度傳感器（DHT11）、智能煙感探測器、人體紅外感應模塊，負責將采集的環(huán)境數據經由ZigBee網絡發(fā)送至協(xié)調器節(jié)點。

（2）傳輸層。該層須與應用層建立連接，負責終端節(jié)點與網關的通信。由協(xié)調器節(jié)點接收數據并記錄，之后通過網關發(fā)送至云平臺。

（3）應用層。該層負責數據融合處理和遠程控制。將上位機部署在阿里云中，采用TCP/IP協(xié)議與網關相連，將接收的閥室環(huán)境數據存儲到數據庫中，可通過網頁進行數據查詢及可視化展示，使用者也可通過手機端進行遠程控制。系統(tǒng)總體結構如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件

2.1 溫濕度監(jiān)測模塊

系統(tǒng)選用DHT11溫濕度傳感器。它是一款含有已校準數字信號輸出且集濕溫度監(jiān)測于一體的數字傳感器，由一個電阻式測濕元件和一個NTC測溫元件組成。該傳感器與一個高性能8位單片機相連，通過搭建微處理器電路即可實時采集機電柜的濕度和溫度信息[2]。DHT11與單片機間借助I/O口通信，可將傳感器采集的溫濕度數據（共計40 bit）傳至單片機。DHT11的數據傳輸格式如下：

8 bit濕度整數+8 bit濕度小數+8 bit溫度整數+8 bit溫度小數+8 bit校驗位DHT11狀態(tài)穩(wěn)定，功耗較低（若采用5 V電壓供電，其平均電流為0.5 mA），適用于閥室等場景。DHT11溫濕度傳感器接線圖如圖2所示。

2.2 智能煙霧探測器

智能煙霧探測器具有布設簡單、性價比高等優(yōu)點，被廣泛應用在建筑領域、工業(yè)領域。但考慮到傳統(tǒng)的獨立式煙霧探測器存在布線繁瑣、誤報率高、實時性差等缺陷，導致其無法應用在油氣管道火災預防領域。故本文選擇具有高性能微處理器和阻燃外殼的智能煙霧探測器。該探測器擁有3C消防認證，可360°探測煙霧且續(xù)航時間長，能夠確保在無人值守的閥室實現24小時火災監(jiān)測[3]。這款智能煙霧探測器的工作溫度范圍為-10～50 ℃，功耗低，其靜態(tài)電流小于15 μA，探測面積達40 m2；同時能夠消除因蚊蟲、灰塵、器件老化等因素引起的基線漂移現象，能夠自適應調整煙感報警器的感知門限及背景閾值，大幅降低該煙霧探測器因環(huán)境因素引起的火災誤報率[4]。

若閥室中的煙霧探測器檢測到空氣中的煙霧濃度升高且超出閾值后，會第一時間通過ZigBee網絡將測量數據上傳至云平臺，由云平臺發(fā)送短信告知負責人，負責人可以及時安排人員前往閥室檢查是否出現異常，并采取科學、合理的措施消除安全隱患，避免造成巨大的經濟損失[5-6]。

2.3 人體紅外感應模塊

HC-SR501是基于紅外線技術實現的人體紅外感應模塊，其工作電壓范圍為DC 4.5～20 V，靜態(tài)電流小于60 μA，工作溫度范圍為-15～70 ℃。當人員進入該模塊的感應范圍后，則輸出高電平；人員離開該模塊的感應范圍后，則輸出低電平[7-8]。因其具有靈敏度高、功耗較低、可靠性強等優(yōu)點，被廣泛應用于工業(yè)自動化控制領域。

HC-SR501人體紅外感應模塊擁有兩種觸發(fā)方式：

（1）不可重復觸發(fā)方式：感應輸出高電平后，延時時間段結束，則輸出立即從高電平變?yōu)榈碗娖健?/p>

（2）可重復觸發(fā)方式：感應輸出高電平后，在延時階段，若有人處于感應模塊的感應范圍，則其輸出持續(xù)為高電平，直至人員離開后，高電平變?yōu)榈碗娖健?/p>

HC-SR501人體紅外感應模塊實物如圖3所示。

將HC-SR501人體紅外感應模塊安裝于閥室機電柜內部靠近門的一側，便能夠實時檢測入侵信號，倘若有人或者動物入侵，則該模塊能夠及時上傳信號至云平臺，借助短信通知工作人員前往閥室處理突發(fā)情況。

3 ZigBee組網及云平臺連接

ZigBee模塊選用以CC2530為主控芯片的開發(fā)板，其擁有256 KB程序存儲器和8 KB RAM，工作頻帶為2 405～2 480 MHz，數據傳輸速率為250 Kb/s，接收靈敏度為-97 dBm，發(fā)射電流為29 mA，接收電流為24 mA，工作環(huán)境溫度范圍為-40～85 ℃，工作電壓為2～3.6 V。該模塊擁有較高的靈敏度和較強的抗干擾能力，外型小巧且功耗較低，是用于2.4 GHz IEEE 802.15.4、ZigBee、RF4CE的片上系統(tǒng)解決方案[9-11]。同時，CC2530擁有不同的運行模式，完全滿足超低功耗系統(tǒng)的運行要求。

ZigBee的組網過程如下：

（1）網絡初始化。確定網絡協(xié)調器，判斷全功能節(jié)點

（Full Function Device， FFD）在網絡中是否已存在協(xié)調器，之后通過主動掃描發(fā)送信標請求命令。若在掃描期限內未檢測到信標，則建立ZigBee網絡。完成信道掃描，對指定的信道或者默認信道進行能量檢測以避免可能的干擾，之后搜索節(jié)點通信半徑內的網絡信息，獲得信標幀；設置網絡ID，需確保其所使用的信道唯一，不會與其他ZigBee網絡發(fā)生沖突，同時還應注意，不能使用保留地址0xFFFF。

（2）節(jié)點入網。查找網絡協(xié)調器，通過主動掃描，獲得協(xié)調器相關信息，發(fā)出連接請求，若未檢測到，則間隔固定時間后再次掃描；向協(xié)調器發(fā)送關聯(lián)請求命令，協(xié)調器收到后回復ACK，同時向上層發(fā)送連接指示原語；等待協(xié)調器處理，若協(xié)調器資源充足，其將為節(jié)點分配一個16位的短地址，并產生包含新地址和連接成功狀態(tài)的響應命令，此時節(jié)點成功與協(xié)調器建立連接，允許通信；向協(xié)調器發(fā)送數據請求命令，待協(xié)調器收到該命令且回復ACK后，將存儲的關聯(lián)響應命令發(fā)送至節(jié)點；節(jié)點收到關聯(lián)響應命令后，向協(xié)調器回復確認幀（ACK），并保存協(xié)調器的短地址和擴展地址，MLME向上層發(fā)送連接確認原語，告知成功加入信息。

ZigBee的通信流程如下：（1）組網：調用協(xié)議棧組網函數，加入網絡函數，建立網絡，節(jié)點入網；（2）發(fā)送數據：發(fā)送節(jié)點通過調用無線數據發(fā)送函數來發(fā)送數據；（3）接收數據：接收節(jié)點調用無線數據接收函數實現數據接收。

為了成功連接云平臺，首先將ZigBee模塊的串口與STM32單片機的串口連接，設置兩者的波特率為115 200 b/s。之后連接網關設備，即將ZigBee協(xié)調器與網關連接[12]。然后設置云端連接方式，常用通信協(xié)議包括VDI、RDS（Windows系統(tǒng)）、ICA、PCoIP、SPICE（Linux系統(tǒng)）、TCP/IP等。最后設置連接參數，包括設備標識、密鑰、端口等。完成上述操作并生成API密鑰后即可創(chuàng)建項目，添加設備[13-14]。

4 系統(tǒng)測試

為驗證系統(tǒng)的靈敏性和穩(wěn)定性，挑選在29#閥室、30#閥室、44A#閥室的機柜處各進行高溫煙霧測試3次，入侵檢測3次，發(fā)現系統(tǒng)均能迅速反饋預警，識別準確率達100%，完全可滿足環(huán)境信號檢測及時反饋的需求。

5 結 語

針對輸油氣管線長、閥室多、人工巡線管理低效的現狀，文中設計了一款基于多傳感器的閥室環(huán)境參數檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠準確、迅速反饋異常數據，有助于工作人員及時了解閥室的運行狀態(tài)并采取合理措施消除隱患。該系統(tǒng)不僅提高了閥室的管理效率，更為后期管線管理的智能化改造升級奠定了堅實的基礎。

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