戴星

摘 要：海上溢油會(huì)對(duì)海洋環(huán)境和社會(huì)環(huán)境造成危害和影響，其不僅會(huì)對(duì)整片海域的生態(tài)環(huán)境造成直接性的破壞，也會(huì)對(duì)國(guó)家社會(huì)經(jīng)濟(jì)和人體健康造成一定程度的威脅。因此，提出了一種簡(jiǎn)單、全天候近海航道溢油監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)由溢油監(jiān)測(cè)傳感器、控制器及數(shù)據(jù)中心組成。相比衛(wèi)星遙感等大型監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，本系統(tǒng)具有組網(wǎng)靈活簡(jiǎn)單，性價(jià)比高，方便維護(hù)，節(jié)點(diǎn)增減自主性強(qiáng)等特點(diǎn)，對(duì)于近航道的溢油監(jiān)測(cè)特別適用，也可用于河道或江道的溢油監(jiān)測(cè)。

關(guān)鍵詞：藍(lán)光檢測(cè)技術(shù);溢油監(jiān)測(cè);ZigBee

中圖分類號(hào)：TH39 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2019）01-0025-04

Design and Application of Oil Spill Monitoring System for

Offshore Waterway based on Blu-Ray Detection

DAI Xing

（Mianyang Polytechnic，Sichuan Mianyang 621000）

Abstract： Oil spill at sea will do harm to the marine environment and social environment. It will not only cause direct damage to the ecological environment of the whole sea area， but also pose a certain degree of threat to the national social economy and human health. Therefore， a simple and all-weather oil spill monitoring system for offshore waterways was proposed， which consisted of oil spill monitoring sensors， controllers and data centers. Compared with satellite remote sensing and other large-scale monitoring systems， this system has the characteristics of flexible and simple network， high cost-effective， convenient maintenance， strong autonomy of node increase and decrease， and is especially suitable for oil spill monitoring in near-sea channel， and can also be used for oil spill monitoring in river or river channel.

Keywords： blue light detection technology;oil spill monitoring;ZigBee

目前，隨著人們對(duì)能源需求量的增加，我國(guó)在海洋領(lǐng)域中的石油開(kāi)發(fā)不斷深入。由于石油能源的開(kāi)發(fā)、運(yùn)輸、儲(chǔ)存等多方面原因，會(huì)導(dǎo)致在海洋領(lǐng)域中出現(xiàn)溢油現(xiàn)象。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)從1973—2008年出現(xiàn)的溢油事故大約有3 000起，其中50 t之上的溢油事故約為70起，實(shí)際溢油量大約達(dá)到37 000 t，這些溢油事故不僅會(huì)造成經(jīng)濟(jì)上的損失，也會(huì)威脅到海域附近的旅游勝地。因此，對(duì)近海航道展開(kāi)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)是解決溢油事故的關(guān)鍵。

1 近海航道溢油監(jiān)測(cè)的主要模式

1.1 衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)模式

衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)模式主要是將人造衛(wèi)星作為監(jiān)測(cè)平臺(tái)，充分利用人造衛(wèi)星所搭載的遙感傳感器，對(duì)地球表面的地物電磁波展開(kāi)探測(cè)，并對(duì)探測(cè)到的相關(guān)信息數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與處理，最終識(shí)別出物質(zhì)的狀態(tài)與性質(zhì)，屬于一種較為綜合的技術(shù)。這種監(jiān)測(cè)模式是在20世紀(jì)60年代左右發(fā)展起來(lái)，到80年代時(shí)有很多國(guó)家和地區(qū)開(kāi)始發(fā)射屬于自己國(guó)家的人造衛(wèi)星。例如：法國(guó)、歐洲、印度等。這種監(jiān)測(cè)模式擁有監(jiān)測(cè)范圍較大、信息數(shù)據(jù)易處理、連續(xù)監(jiān)測(cè)等特點(diǎn)，所以在西方國(guó)家環(huán)境監(jiān)測(cè)中的實(shí)際應(yīng)用較為廣泛[1]。

1.2 航空遙感監(jiān)測(cè)模式

航空遙感監(jiān)測(cè)模式主要可以分為兩種方式[2，3]，分別是航空遙感與航空觀測(cè)。航空遙感監(jiān)測(cè)模式主要是指在航空器中安裝相關(guān)設(shè)施與傳感器，使其在空中對(duì)海面的溢油狀況展開(kāi)大范圍的連續(xù)監(jiān)測(cè)，是海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)中較為關(guān)鍵的方式之一，也是經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)海洋展開(kāi)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的主要方式。它在效率、速度、范圍以及分辨等多方面的優(yōu)勢(shì)較強(qiáng)，當(dāng)海面出現(xiàn)溢油現(xiàn)象時(shí)，能夠及時(shí)確定被污染的實(shí)際范圍，也能夠?qū)σ缬褪鹿实臄U(kuò)散方向展開(kāi)預(yù)測(cè)。我國(guó)在這方面的研究較晚，雖然已配置了海巡飛機(jī)，但由于其中的設(shè)施較為簡(jiǎn)單，因此不能全天對(duì)近海航道的溢油現(xiàn)象展開(kāi)識(shí)別。

1.3 巡邏船監(jiān)測(cè)模式

巡邏船監(jiān)測(cè)模式通過(guò)充分利用航海雷達(dá)與反射信息的處理系統(tǒng)，對(duì)海面的溢油現(xiàn)象展開(kāi)遙感監(jiān)測(cè)。大約在20世紀(jì)80年代，美國(guó)、俄羅斯、加拿大等國(guó)家采用X波段的雷達(dá)對(duì)海面展開(kāi)了多次試驗(yàn)，由加拿大分別在兩艘船舶中安置型號(hào)不同的雷達(dá)展開(kāi)試驗(yàn)，獲得的成果十分可觀，最終確定將船舶中的雷達(dá)與岸基上的雷達(dá)相互結(jié)合，監(jiān)視海面中出現(xiàn)的溢油狀況。我國(guó)在設(shè)計(jì)長(zhǎng)傳船舶時(shí)，公國(guó)石油化工集團(tuán)、中海油田服務(wù)股份等公司分別設(shè)計(jì)了一艘溢油巡邏船，在設(shè)計(jì)巡邏船的過(guò)程中，采用的全部是荷蘭雷達(dá)的溢油監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，由中海油田服務(wù)股份有限公司設(shè)計(jì)的巡邏船已正式投入應(yīng)用。

2 溢油監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

本系統(tǒng)由溢油監(jiān)測(cè)傳感器、低功耗控制器、ZigBee無(wú)線傳輸組成。本文中全天候溢油監(jiān)測(cè)傳感器是溢油監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心原件。它必須要準(zhǔn)確判別出是否有溢油現(xiàn)象的發(fā)生，還要保證全天候工作。

2.1 傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本傳感器由激發(fā)光源、過(guò)濾裝置、光感探測(cè)器以及調(diào)理電路等部分組成，安裝在離水面一定距離進(jìn)行監(jiān)測(cè)。這種非接觸形式的安裝方式避免了水生污染，使得測(cè)量更加準(zhǔn)確;同時(shí)，也可避免過(guò)路船的干擾和破壞。其系統(tǒng)架構(gòu)見(jiàn)圖1。

<C：＼Users＼hnkj＼Desktop＼河南科技（創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)）2019年第01期_103595＼Image＼9$9）GQ3823E95RCBJ@～`XSU.png>[傳感器

控制系統(tǒng)][紫外光

發(fā)射器][藍(lán)光

接收器][聚光片][濾光片][油膜]

圖1 傳感器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)傳感器設(shè)計(jì)要求，紫外光發(fā)射器選擇了L46系列閃爍氙燈及組件，該發(fā)射器閃光有頻率高、亮度高、能耗少、體積小、壽命長(zhǎng)以及紫外光波長(zhǎng)集中等特點(diǎn)。藍(lán)光接收器選擇了H10722光點(diǎn)倍增管及組件，該藍(lán)光接收器具有增益高、靈敏度高、偏置電壓低以及紋波低等特點(diǎn)。溢油傳感器見(jiàn)圖2。

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（a） 正面

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（b） 側(cè)面

圖2 溢油監(jiān)測(cè)傳感器

2.2 控制模塊

本系統(tǒng)控制模塊選用CC2530模塊，該模塊有多種無(wú)線傳輸協(xié)議，可以建立強(qiáng)大的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，方便單個(gè)溢油監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組網(wǎng)管理;同時(shí)，該模塊還有增強(qiáng)型8051CPU和多種工作模式，方便系統(tǒng)編程，實(shí)現(xiàn)工作模式的轉(zhuǎn)換。為了滿足低功耗工作模式和正常工作模式，本控制器設(shè)置了兩套時(shí)鐘系統(tǒng)，一套32MHz的晶體振蕩電路;另一套用于低功耗模式下的32.768kHz的晶體振蕩電路。時(shí)鐘系統(tǒng)電路如圖3所示。

控制器處理流程分工作模式1和工作模式2。傳感器信號(hào)通過(guò)P2.0與芯片連接。在工作模式1狀態(tài)下連續(xù)采集10次數(shù)據(jù)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后，進(jìn)行對(duì)比，小于閾值，繼續(xù)循環(huán)執(zhí)行采集轉(zhuǎn)換比對(duì)程序;當(dāng)采集數(shù)據(jù)大于閾值時(shí)，啟動(dòng)工作模式2。存儲(chǔ)10次數(shù)據(jù)平均值，再執(zhí)行2次循環(huán)采集，對(duì)比3次數(shù)據(jù)平均值，如數(shù)據(jù)均大于閾值且其值相近，則判定有溢油現(xiàn)象發(fā)生。收集首次發(fā)生數(shù)據(jù)的時(shí)間，本節(jié)點(diǎn)地址、連續(xù)數(shù)據(jù)及報(bào)警控制信號(hào)整理成數(shù)據(jù)包備份并發(fā)送?？紤]到掉電后數(shù)據(jù)丟失的情況，CC2530還接了一個(gè)AT24C04電可擦芯片，AT24C04的SDA和SCL腳分別與CC2530的P1.0和P1.1相連，數(shù)據(jù)先通過(guò)IIC協(xié)議傳送給AT24C04，再啟動(dòng)ZigBee傳輸數(shù)據(jù)給數(shù)據(jù)中心，并控制區(qū)域報(bào)警裝置工作。區(qū)域報(bào)警裝置安裝在近航道監(jiān)測(cè)區(qū)域的臨近碼頭上，屬于ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，由硬件電路和報(bào)警設(shè)備構(gòu)成，工作原理是當(dāng)裝置接收到報(bào)警信號(hào)后，啟動(dòng)報(bào)警鈴聲和報(bào)警閃爍燈，通知碼頭工作人員盡快做出處理，防止溢油事故擴(kuò)大。

2.3 ZigBee無(wú)線傳輸技術(shù)

ZigBee是Zigzag和Bee蜜蜂的合成詞，ZigBee技術(shù)是一種個(gè)域網(wǎng)協(xié)議，主要以IEEE802.15.4為指標(biāo)，并且適合無(wú)線連接、低功耗、低數(shù)據(jù)傳輸速率、低成本、低復(fù)雜度類型的檢測(cè)與調(diào)控的綜合系統(tǒng)[4，5]。相比常用無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)，ZigBee無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)更適用于傳感器采集與控制系統(tǒng)，要求系統(tǒng)資源占用小、傳輸功耗低、待機(jī)時(shí)間長(zhǎng)以及星狀片狀高容量組網(wǎng)。常用無(wú)線傳輸與ZigBee對(duì)比見(jiàn)表1。根據(jù)ZigBee傳輸特點(diǎn)，故本系統(tǒng)采用ZigBee技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)溢油數(shù)據(jù)的傳輸。

表1 ZigBee無(wú)線傳輸與其他數(shù)據(jù)傳輸

[傳輸內(nèi)容 GPRS WiFi ZigBee 應(yīng)用 聲音、數(shù)據(jù) Web、視頻 監(jiān)測(cè)、控制 系統(tǒng)資源 ≥16MB ≥1MB 4～6KB 電池壽命 1～7d 0.5～5d 100～1 000d 傳輸范圍 ≥1km 1～100m 1～100m ]

本系統(tǒng)ZigBee硬件外圍電路見(jiàn)圖3。由于本系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)所是比較空曠的碼頭，所以ZigBee組網(wǎng)采用星型結(jié)構(gòu)，一個(gè)FFD中心節(jié)點(diǎn)和幾個(gè)RFD終端節(jié)點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4。

<C：＼Users＼hnkj＼Desktop＼河南科技（創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)）2019年第01期_103595＼Image＼B～EQWMLWV_$EG$XX7%0NYWY.png>[RFD][RFD][RFD][FFD][RFD]

圖4 星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)中心配置FFD中心節(jié)點(diǎn)，起協(xié)調(diào)器作用，搜索頻段內(nèi)空閑的信道，建立ZigBee網(wǎng)絡(luò)，等待終端節(jié)點(diǎn)加入，當(dāng)有節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)時(shí)，收集信息傳入上位機(jī)，并根據(jù)上位機(jī)命令將控制信號(hào)發(fā)送給終端節(jié)點(diǎn)，控制終端執(zhí)行報(bào)警命令。每一個(gè)溢油監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置一個(gè)RFD終端節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的發(fā)送與FFD通信，區(qū)域報(bào)警裝置設(shè)置一個(gè)終端節(jié)點(diǎn)，用于區(qū)域報(bào)警。當(dāng)需要數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，節(jié)點(diǎn)會(huì)發(fā)送一個(gè)命令的格式包，等待FFD節(jié)點(diǎn)反應(yīng)，當(dāng)FFD節(jié)點(diǎn)返回值為請(qǐng)發(fā)送格式包時(shí)，終端節(jié)點(diǎn)即可發(fā)送數(shù)據(jù)包。其發(fā)送數(shù)據(jù)流程見(jiàn)圖5。

<F：＼歡歡文件夾＼201904＼河南科技201901＼河南科技（創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)）2019年第01期_103595＼Image＼XFG0（{5K%PW0BNGX]LG（AIJ.png>[開(kāi)始][采集溢油數(shù)據(jù)][判斷是

否溢油][CC2530模式設(shè)置][判斷計(jì)數(shù)][判斷計(jì)數(shù)次數(shù)][>10次][整理打包數(shù)據(jù)][發(fā)送數(shù)據(jù)包請(qǐng)求][收到應(yīng)答][發(fā)送數(shù)據(jù)][切換CC2530工作模式][Y][N][判斷是

否溢油][存儲(chǔ)數(shù)據(jù)]

圖5 終端節(jié)點(diǎn)控制流程圖

FFD節(jié)點(diǎn)與上位機(jī)通過(guò)RS485通信，上位機(jī)軟件用于內(nèi)置通信協(xié)議的組態(tài)王軟件編寫(xiě)而成，其功能主要有顯示當(dāng)前各終端節(jié)點(diǎn)狀況，有狀況顯示為紅色報(bào)警燈，無(wú)狀況為綠色燈表示在線，另一個(gè)功能則是歷史數(shù)據(jù)查詢，見(jiàn)圖6。

<F：＼歡歡文件夾＼201904＼河南科技201901＼河南科技（創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)）2019年第01期_103595＼Image＼image7_1.png>

圖6 歷史數(shù)據(jù)查詢界面

3 結(jié)論

本系統(tǒng)已通過(guò)了實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，下一步將在寧波港碼頭中試用一段時(shí)間。相比衛(wèi)星遙感等大型監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，本系統(tǒng)具有組網(wǎng)靈活簡(jiǎn)單、性價(jià)比高、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，可根據(jù)需要增加終端節(jié)點(diǎn)自主性強(qiáng)等特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)的溢油信息管理軟件，方便海事監(jiān)管工作人員對(duì)現(xiàn)場(chǎng)油污染狀況的監(jiān)視，查詢歷史信息，足不出戶就可了解現(xiàn)場(chǎng)信息，豐富了數(shù)字化海事的內(nèi)容，對(duì)于近航道的溢油監(jiān)測(cè)特別適用，也可用于河道或江道的溢油監(jiān)測(cè)。

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