鐘成，張曉維，陸貴榮

（1.常州新奧燃?xì)夤こ逃邢薰?，江蘇 常州 213161；2.常州大學(xué)懷德學(xué)院，江蘇 靖江 214500）

1 前言

當(dāng)前，世界各國的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)研究正處在大發(fā)展階段：美、歐盟等都啟動了以物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)的”智慧地球”等戰(zhàn)略規(guī)劃?；谖锫?lián)網(wǎng)技術(shù)的油氣過程及設(shè)備運行狀態(tài)，健康檢測技術(shù)也隨之得到迅速發(fā)展。燃?xì)忾y井也是燃?xì)鈨\過程的重要設(shè)備之一，目前，預(yù)防燃?xì)忾y井泄漏燃?xì)獗O(jiān)測、水浸報警、閥井井蓋移動等的普遍方式是大量人工巡檢判斷，這種方式做不到連續(xù)監(jiān)測且費時費力。因此，為了在線掌握燃?xì)忾y井的健康運行狀態(tài)，做到閥井隱患及時發(fā)現(xiàn)，及時搶險維修，且降低維護(hù)保養(yǎng)成本，一個基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的燃?xì)忾y井?dāng)?shù)智化監(jiān)測系統(tǒng)被設(shè)計。

近年來，各種檢測監(jiān)測技術(shù)被研究者嘗試用于燃?xì)忾y井的健康監(jiān)測。如周中偉研究了城鎮(zhèn)燃?xì)庵悄荛y井監(jiān)測技術(shù)中的燃?xì)鈧鞲衅骷夹g(shù)：半導(dǎo)體敏感法不適合用于受車輛經(jīng)過引起振動影響較大的潮濕環(huán)境；催化燃燒傳感法只對可燃?xì)怏w有反應(yīng)，適用野外安裝；紅外線傳感法具有良好的選擇特性，響應(yīng)快速，穩(wěn)定性好。張孟宇等研究了閥井內(nèi)燃?xì)庑孤z測系統(tǒng)研究與應(yīng)用技術(shù)，他們選擇了點式紅外可燃?xì)怏w檢測儀，并大大降低了企業(yè)維護(hù)閥井運行的人力成本。此外還有光纖敏感法，該方法是非常有效并且定位準(zhǔn)確的。但也會存在幾個問題：當(dāng)泄漏量較小時，泄漏源附近溫度變化較小，對光纖傳感器靈敏度要求非常高，所以成本也會偏高，此外即使光纖與管道泄漏源離得很近，由于光纖和泄漏點處于管道的不同位置，仍然無法敏感到泄漏并報警，國外文獻(xiàn)報到，光纖敏感檢測系統(tǒng)里的光纖需要3根均勻分布在管道周圍，才能確保管道燃?xì)庑孤┚瘓蟆?/p>

2 傳感系統(tǒng)模塊設(shè)計及原理

2.1 檢測模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計

設(shè)計的傳感系統(tǒng)模塊框圖如圖1所示，由復(fù)合傳感器、微處理器、無線通信模塊和電源模塊組成。其中敏感單元-復(fù)合傳感模塊包括了傾角傳感器（ADXL345）、燃?xì)鈧鞲衅鳎↗X-CH4-103）、水浸傳感器（HSM-WT206）等；微處理器STM32F407是數(shù)據(jù)采集、加工中心，由其嵌入程序采集診斷并上報閥井?dāng)?shù)據(jù)；無線通信模塊內(nèi)嵌了基于NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)卡，該模塊搭建了微處理器和云服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)橋梁。

2.2 傳感器特色及其敏感原理

傾角傳感器采用ADXL345，它是一款超低功耗小而薄的3軸加速度計，其高分辨率(3.9mg/LSB)，能夠測量不到1°的傾斜角度變化。它能通過串口SPI(3線或4線)或I2C數(shù)字接口訪問。ADXL345可以在傾斜檢測應(yīng)用中測量靜態(tài)重力加速度，還可以測量運動或沖擊導(dǎo)致的動態(tài)加速度。

井蓋異動檢測原理是首先讀取傳感器3個方向的加速度值并轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的井蓋傾斜角度值，程序流程框架為：(1)初始化ADXL345；(2)讀取ADXL345 3個方向的加速度值；(3)轉(zhuǎn)換為自然坐標(biāo)系的傾斜角度值如下。

燃?xì)鈧鞲衅鞑捎昧薐X-CH4-103紅外氣體探測傳感器，它利用紅外原理（NDIR）檢測氣體濃度，其主要原理是由于各種氣體對不同波長紅外輻射的吸收程度各不相同，因此有對應(yīng)于不同的吸收光譜，而每種氣體在光譜中，對特定波長的光有較強(qiáng)的吸收，那么基于朗伯定律和比爾定律，通過檢測氣體對該波長的光的強(qiáng)度的影響，便可以確定氣體的成分及濃度。該方法具有抗中毒性好、反應(yīng)靈敏、氣體針對性強(qiáng)、超長使用壽命、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)良特點。

2.3 傳感器數(shù)據(jù)采集流程

傳感器數(shù)據(jù)的采集采用了嵌入式處理器（MCU）硬件條件，其軟件系統(tǒng)是基于C語言程序流程圖如圖2所示，它的主要任務(wù)是不斷發(fā)送開始條件START和從機(jī)地址→發(fā)送要讀取的地址→讀取數(shù)據(jù)→存儲數(shù)據(jù)→數(shù)據(jù)解析→數(shù)據(jù)評價等流程來運行，如果某個結(jié)果數(shù)據(jù)解析后大于設(shè)定的閾值，則系統(tǒng)判斷為有閥井健康狀況異動并立即通過物聯(lián)網(wǎng)上報云服務(wù)器報警信息，如果不大于閾值則按照定時上報心跳數(shù)據(jù)和閥井監(jiān)測等運行數(shù)據(jù)，其中心跳數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)可作為監(jiān)測系統(tǒng)在線的運行判斷依據(jù)。

3 上位機(jī)軟件設(shè)計

測量系統(tǒng)上位機(jī)軟件是一個物聯(lián)網(wǎng)平臺，采用了京東云服務(wù)器硬件模式，其軟件流程圖如圖3所示，采用了語法簡單明了、易于編寫維護(hù)、面向?qū)ο驤AVA高級語言作為其編程語言，它的工作流程是不斷查詢來自下位機(jī)通過物聯(lián)網(wǎng)上報的數(shù)據(jù)接口狀態(tài)，如果查詢到有下位機(jī)數(shù)據(jù)流上傳，則立即啟動數(shù)據(jù)接收程序，然后存儲數(shù)據(jù)到對應(yīng)的寄存器，接下來是解析數(shù)據(jù)，判斷結(jié)果是否大于閾值，如果大于說明閥井運行沒有處于健康狀態(tài)，可能有燃?xì)庑孤┗蚓w異動或存在水浸等情況，并立即推送報警信息給手機(jī)等終端等待處理。

4 系統(tǒng)測試及結(jié)果

本文所設(shè)計系統(tǒng)是否可行，測試驗證環(huán)節(jié)是必須的，為此一個用于系統(tǒng)測試的燃?xì)忾y井模型在實驗室自制成功，表1所示的測試數(shù)據(jù)都是基于該模型測得，實驗過程中的燃?xì)庑孤?、井蓋異動和水浸狀態(tài)都是人為設(shè)置的，井蓋傾斜角度、燃?xì)鉂舛燃八?shù)均測試了6個數(shù)據(jù)，從表數(shù)據(jù)可以看出，測量值和設(shè)定值是非常接近的，最大誤差分別為2.8°/3LEL%/0，這個誤差是完全可以接受的，據(jù)此斷定了設(shè)計的閥井健康狀況監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)是完全可行的，顯示了良好的應(yīng)用前景。

表1 測試數(shù)據(jù)

5 結(jié)語

本文學(xué)習(xí)了現(xiàn)有文獻(xiàn)中燃?xì)忾y井健康運行監(jiān)測方案，研究了閥井?dāng)?shù)據(jù)如燃?xì)庑孤?、井蓋異動和水浸狀態(tài)敏感等系統(tǒng)工作原理，建立并測試了基于ADXL345等傳感器的燃?xì)忾y井健康狀況測量系統(tǒng)。實驗數(shù)據(jù)顯示，設(shè)計的物聯(lián)網(wǎng)閥井健康狀況監(jiān)測系統(tǒng)是完全可行的，測試經(jīng)過證明所設(shè)計的物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)具有合格的閥井?dāng)?shù)據(jù)測量表現(xiàn)和良好的應(yīng)用發(fā)展前景。