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(guó)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(dòng)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(guò)程及設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，健康檢測(cè)技術(shù)也隨之得到迅速發(fā)展。燃?xì)忾y井也是燃?xì)鈨?chǔ)運(yùn)過(guò)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(cè)、水浸報(bào)警、閥井井蓋移動(dòng)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(cè)且費(fèi)時(shí)費(fèi)力。因此，為了在線掌握燃?xì)忾y井的健康運(yùn)行狀態(tài)，做到閥井隱患及時(shí)發(fā)現(xiàn)，及時(shí)搶險(xiǎn)維修，且降低維護(hù)保養(yǎng)成本，一個(gè)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的燃?xì)忾y井?dāng)?shù)智化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)被設(shè)計(jì)。

近年來(lái)，各種檢測(cè)監(jiān)測(cè)技術(shù)被研究者嘗試用于燃?xì)忾y井的健康監(jiān)測(cè)。如周中偉研究了城鎮(zhèn)燃?xì)庵悄荛y井監(jiān)測(cè)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(chē)輛經(jīng)過(guò)引起振動(dòng)影響較大的潮濕環(huán)境；催化燃燒傳感法只對(duì)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(cè)系統(tǒng)研究與應(yīng)用技術(shù)，他們選擇了點(diǎn)式紅外可燃?xì)怏w檢測(cè)儀，并大大降低了企業(yè)維護(hù)閥井運(yùn)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(huì)存在幾個(gè)問(wèn)題：當(dāng)泄漏量較小時(shí)，泄漏源附近溫度變化較小，對(duì)光纖傳感器靈敏度要求非常高，所以成本也會(huì)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(diǎn)處于管道的不同位置，仍然無(wú)法敏感到泄漏并報(bào)警，國(guó)外文獻(xiàn)報(bào)到，光纖敏感檢測(cè)系統(tǒng)里的光纖需要3根均勻分布在管道周?chē)拍艽_保管道燃?xì)庑孤┚瘓?bào)。

2 傳感系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)及原理

2.1 檢測(cè)模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)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(wú)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(bào)閥井?dāng)?shù)據(jù)；無(wú)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(jì)，其高分辨率(3.9mg/LSB)，能夠測(cè)量不到1°的傾斜角度變化。它能通過(guò)串口SPI(3線或4線)或I2C數(shù)字接口訪問(wèn)。ADXL345可以在傾斜檢測(cè)應(yīng)用中測(cè)量靜態(tài)重力加速度，還可以測(cè)量運(yùn)動(dòng)或沖擊導(dǎo)致的動(dòng)態(tài)加速度。

井蓋異動(dòng)檢測(cè)原理是首先讀取傳感器3個(gè)方向的加速度值并轉(zhuǎn)換為對(duì)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(gè)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(cè)傳感器，它利用紅外原理（NDIR）檢測(cè)氣體濃度，其主要原理是由于各種氣體對(duì)不同波長(zhǎng)紅外輻射的吸收程度各不相同，因此有對(duì)應(yīng)于不同的吸收光譜，而每種氣體在光譜中，對(duì)特定波長(zhǎng)的光有較強(qiáng)的吸收，那么基于朗伯定律和比爾定律，通過(guò)檢測(cè)氣體對(duì)該波長(zhǎng)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(duì)性強(qiáng)、超長(zhǎng)使用壽命、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)良特點(diǎn)。

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(yǔ)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(kāi)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(chǔ)數(shù)據(jù)→數(shù)據(jù)解析→數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)等流程來(lái)運(yùn)行，如果某個(gè)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(dòng)并立即通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)上報(bào)云服務(wù)器報(bào)警信息，如果不大于閾值則按照定時(shí)上報(bào)心跳數(shù)據(jù)和閥井監(jiān)測(cè)等運(yùn)行數(shù)據(jù)，其中心跳數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)可作為監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在線的運(yùn)行判斷依據(jù)。

3 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

測(cè)量系統(tǒng)上位機(jī)軟件是一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，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(yǔ)法簡(jiǎn)單明了、易于編寫(xiě)維護(hù)、面向?qū)ο驤AVA高級(jí)語(yǔ)言作為其編程語(yǔ)言，它的工作流程是不斷查詢(xún)來(lái)自下位機(jī)通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)上報(bào)的數(shù)據(jù)接口狀態(tài)，如果查詢(xún)到有下位機(jī)數(shù)據(jù)流上傳，則立即啟動(dòng)數(shù)據(jù)接收程序，然后存儲(chǔ)數(shù)據(jù)到對(duì)應(yīng)的寄存器，接下來(lái)是解析數(shù)據(jù)，判斷結(jié)果是否大于閾值，如果大于說(shuō)明閥井運(yùn)行沒(méi)有處于健康狀態(tài)，可能有燃?xì)庑孤┗蚓w異動(dòng)或存在水浸等情況，并立即推送報(bào)警信息給手機(jī)等終端等待處理。

4 系統(tǒng)測(cè)試及結(jié)果

本文所設(shè)計(jì)系統(tǒng)是否可行，測(cè)試驗(yàn)證環(huán)節(jié)是必須的，為此一個(gè)用于系統(tǒng)測(cè)試的燃?xì)忾y井模型在實(shí)驗(yàn)室自制成功，表1所示的測(cè)試數(shù)據(jù)都是基于該模型測(cè)得，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的燃?xì)庑孤?、井蓋異動(dòng)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(cè)試了6個(gè)數(shù)據(jù)，從表數(shù)據(jù)可以看出，測(cè)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(gè)誤差是完全可以接受的，據(jù)此斷定了設(shè)計(jì)的閥井健康狀況監(jiān)測(cè)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(cè)試數(shù)據(jù)

5 結(jié)語(yǔ)

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