侯 陸（淮南舜泰化工有限公司,安徽 淮南 232000）

基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的H2S預(yù)警系統(tǒng)研究

侯 陸
（淮南舜泰化工有限公司,安徽 淮南 232000）

摘 要：油氣管道的長(zhǎng)輸系統(tǒng)是由管道主干線以及穿跨越段、泵站和油庫(kù)所組成的一串聯(lián)可修系統(tǒng)。為保障油氣管道維修人員的安全，需提高管線事故的維搶修人員的裝備技術(shù)水平。本文通過電化學(xué)H2S傳感器對(duì)維修班組的作業(yè)環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并采用無線的方式實(shí)時(shí)將報(bào)警信息傳送給維修點(diǎn)周圍的班組人員以便采取相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施。提高維修人員的作業(yè)環(huán)境安全。通過實(shí)際測(cè)試及應(yīng)用，效果良好，具有一定的市場(chǎng)應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：電化學(xué)；H2S；安全；環(huán)境

0 引言

保證油氣管道的安全是我國(guó)石油質(zhì)量、安全、健康、環(huán)境方針的重要內(nèi)容。隨著時(shí)間的推移，老管道的安全維護(hù)成了管道管理者的重要工作內(nèi)容。為了保證維修班組在管道搶修及維護(hù)過程中，避免管道周圍環(huán)境中存在高濃度的H2S氣體對(duì)人體造成傷害，本文設(shè)計(jì)了基于基站式的班組維修H2S無線預(yù)警系統(tǒng)。

本系統(tǒng)主要采用電化學(xué)傳感元件作為對(duì)H2S氣體濃度的檢測(cè)，通過無線方式將實(shí)時(shí)的濃度計(jì)報(bào)警信息傳給班組周圍的維修人員，從而使得在維修過程中，分布在不同位置的班組維修人員都能夠?qū)崟r(shí)的了解到工作環(huán)境的安全性，從而保證維修作業(yè)人員的安全。

1　 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)架構(gòu)如圖所示：

該系統(tǒng)主要包括氣體濃度檢測(cè)基站和檢修人員配帶的無線遠(yuǎn)程報(bào)警裝置組成?；局饕旁诠ぷ鳝h(huán)境現(xiàn)場(chǎng)，遠(yuǎn)程報(bào)警裝置由每一個(gè)檢修人員隨身佩戴。當(dāng)環(huán)境出現(xiàn)H2S氣體超標(biāo)時(shí)，在不同位置的檢修人員可迅速得到報(bào)警信息，及時(shí)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行相應(yīng)的處理，保證作業(yè)安全。

2　 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)及工作原理

如圖所示，整個(gè)硫化氫無線傳感預(yù)警系統(tǒng)分為兩個(gè)部分。第一部分為基站數(shù)據(jù)采集及發(fā)送部分，此部分主要采用電化學(xué)探頭對(duì)H2S進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，經(jīng)過運(yùn)放及AD數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，將探頭采集到的硫化氫氣體的模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，通過超微功耗單片機(jī)將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理及補(bǔ)償，從而實(shí)時(shí)的檢測(cè)環(huán)境中的硫化氫含量，當(dāng)空氣中的硫化氫含量超過設(shè)定的報(bào)警值則發(fā)出聲光報(bào)警并將報(bào)警信息通過NRF24L01無線模塊傳送出去。第二部分為班組操作人員所佩戴的無線接收模塊，此部分主要由NRF24L01接收模塊接收數(shù)據(jù)，當(dāng)接收到報(bào)警信息時(shí)，班組人員所佩戴的裝置將發(fā)出聲光報(bào)警，從而便于在操作現(xiàn)場(chǎng)附近作業(yè)的每個(gè)人都能及時(shí)獲得周圍的環(huán)境信息，保證人身安全。

3　 主要硬件電路設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)主要包括單片機(jī)最小系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集電路來實(shí)現(xiàn)電化學(xué)傳感器電流信號(hào)的采集；通過聲光報(bào)警及無線收發(fā)電路實(shí)現(xiàn)報(bào)警信息的遠(yuǎn)傳；通過電源調(diào)理電路實(shí)現(xiàn)蓄電池供電。

3.1 電化學(xué)原理及數(shù)據(jù)采集電路

如圖所示在基站數(shù)據(jù)采集的電化學(xué)探頭采用ME3-H2S型電化學(xué)氣敏元件做為傳感器的采集元件，此電化學(xué)探頭的工作原理是利用待測(cè)氣體在電解池中工作電極上發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)時(shí)產(chǎn)生的電流與其濃度成正比并遵循法拉第定律。其電路如圖所示：

如圖2所示，電路中要求U1D主要為電化學(xué)傳感器電路提供1.2V左右的偏壓。圖中的J1為MOS，主要用來當(dāng)傳感器不工作時(shí)提供一個(gè)通路。圖中U1B主要將電路采集的小電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)并放大。

3.2 無線數(shù)據(jù)傳感

nRF24L01主要工作在2.4 GHz～2.5 GHz頻段內(nèi)。信號(hào)的輸出功率計(jì)通信頻道可以通過接口SPI進(jìn)行配置，方便與各種型號(hào)的單片機(jī)進(jìn)行通訊，聯(lián)合完成數(shù)據(jù)的傳輸和接收工作。最大傳輸距離可達(dá)百米。

4　軟件設(shè)計(jì)

如圖3所示為基站的工作流程?；局饕獙?shí)現(xiàn)對(duì)硫化氫氣體的的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，當(dāng)濃度高于報(bào)警點(diǎn)時(shí)，將報(bào)警信息發(fā)送出去。接收節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)聽報(bào)警信息，當(dāng)有報(bào)警信息收到時(shí)，啟動(dòng)聲光報(bào)警，提醒作業(yè)人員。

5　總結(jié)

本文以MSP430超微功耗單片機(jī)為主控制器設(shè)計(jì)了主從無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的硫化氫預(yù)警系統(tǒng)。本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了將環(huán)境中的硫化氫濃度超標(biāo)報(bào)警信息實(shí)時(shí)傳輸?shù)矫恳粋€(gè)班組不同地點(diǎn)的作業(yè)人員身上。創(chuàng)新的設(shè)計(jì)思路使得不僅僅是燃油燃?xì)夤艿谰S修中可以使用，一些特殊場(chǎng)合（如地下管道、下水道等）相關(guān)高危險(xiǎn)性氣體環(huán)境下也能使用，確保作業(yè)班組中每一個(gè)作業(yè)人員的安全。具有一定的推廣價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]袁友祥,劉佳,要建東.基于C8051F021單片機(jī)的多通道氣體監(jiān)測(cè)儀設(shè)計(jì)[J].石油機(jī)械，2011,39(09):41-43,49.