摘 要：針對(duì)油氣管線所處位置偏僻、線路過(guò)長(zhǎng)導(dǎo)致閥室分散，無(wú)法及時(shí)檢測(cè)閥室環(huán)境參數(shù)的問(wèn)題，文中設(shè)計(jì)了一款基于多傳感器的閥室環(huán)境參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)由溫濕度傳感器（DHT11）、智能煙感探測(cè)器、人體紅外感應(yīng)模塊（HC-SR501）、ZigBee模塊等組成。系統(tǒng)借助終端采集數(shù)據(jù)并上傳至云端進(jìn)行分析處理，若測(cè)得的數(shù)據(jù)超過(guò)閾值，則云平臺(tái)將第一時(shí)間發(fā)送短信通知工作人員，便于工作人員及時(shí)采取科學(xué)有效的措施進(jìn)行處理，避免造成重大安全事故。經(jīng)驗(yàn)證，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，能夠有效檢測(cè)閥室各項(xiàng)環(huán)境參數(shù)，節(jié)省了大量人力、物力、財(cái)力，具有良好的社會(huì)效益與經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：溫濕度傳感器；智能煙感探測(cè)器；人體紅外感應(yīng)模塊；ZigBee模塊；云平臺(tái)；CC2530

中圖分類(lèi)號(hào)：TP212 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2024）07-0-03

0 引 言

閥室是長(zhǎng)輸油氣管道的重要組成部分，具有截?cái)唷⒎州數(shù)裙δ?，是保障分段作業(yè)順利進(jìn)行與工作人員人身安全的重要節(jié)點(diǎn)。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)閥室管理的自動(dòng)化要求逐步提升。近年來(lái)，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(wàn)別，且大多數(shù)閥室處于偏僻地區(qū)，自然環(huán)境惡劣，無(wú)人值守，導(dǎo)致工作人員無(wú)法實(shí)時(shí)掌握閥室的運(yùn)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(fèi)時(shí)費(fèi)力，不僅增加了工作人員的工作任務(wù)，更增加了單位的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。為避免閥室因外界因素影響而導(dǎo)致通信中斷、SCADA數(shù)據(jù)傳輸中斷、RTU宕機(jī)[1]，影響運(yùn)行調(diào)控，提高閥室環(huán)境參數(shù)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)能力是油氣管道自動(dòng)化管理的當(dāng)務(wù)之急。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該基于多傳感器的閥室環(huán)境參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)由溫濕度傳感器（DHT11）、智能煙感探測(cè)器、人體紅外感應(yīng)模塊、ZigBee模塊等組成，用于檢測(cè)閥室的環(huán)境參數(shù)，若出現(xiàn)環(huán)境參數(shù)異常等現(xiàn)象，云平臺(tái)將第一時(shí)間通知相關(guān)負(fù)責(zé)人，具有高效、便捷的特點(diǎn)。系統(tǒng)分為三層，分別為感知層、傳輸層和應(yīng)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(diǎn)，如溫濕度傳感器（DHT11）、智能煙感探測(cè)器、人體紅外感應(yīng)模塊，負(fù)責(zé)將采集的環(huán)境數(shù)據(jù)經(jīng)由ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。

（2）傳輸層。該層須與應(yīng)用層建立連接，負(fù)責(zé)終端節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)的通信。由協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)并記錄，之后通過(guò)網(wǎng)關(guān)發(fā)送至云平臺(tái)。

（3）應(yīng)用層。該層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)融合處理和遠(yuǎn)程控制。將上位機(jī)部署在阿里云中，采用TCP/IP協(xié)議與網(wǎng)關(guān)相連，將接收的閥室環(huán)境數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中，可通過(guò)網(wǎng)頁(yè)進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢(xún)及可視化展示，使用者也可通過(guò)手機(jī)端進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件

2.1 溫濕度監(jiān)測(cè)模塊

系統(tǒng)選用DHT11溫濕度傳感器。它是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出且集濕溫度監(jiān)測(cè)于一體的數(shù)字傳感器，由一個(gè)電阻式測(cè)濕元件和一個(gè)NTC測(cè)溫元件組成。該傳感器與一個(gè)高性能8位單片機(jī)相連，通過(guò)搭建微處理器電路即可實(shí)時(shí)采集機(jī)電柜的濕度和溫度信息[2]。DHT11與單片機(jī)間借助I/O口通信，可將傳感器采集的溫濕度數(shù)據(jù)（共計(jì)40 bit）傳至單片機(jī)。DHT11的數(shù)據(jù)傳輸格式如下：

8 bit濕度整數(shù)+8 bit濕度小數(shù)+8 bit溫度整數(shù)+8 bit溫度小數(shù)+8 bit校驗(yàn)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(chǎng)景。DHT11溫濕度傳感器接線圖如圖2所示。

2.2 智能煙霧探測(cè)器

智能煙霧探測(cè)器具有布設(shè)簡(jiǎn)單、性?xún)r(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在建筑領(lǐng)域、工業(yè)領(lǐng)域。但考慮到傳統(tǒng)的獨(dú)立式煙霧探測(cè)器存在布線繁瑣、誤報(bào)率高、實(shí)時(shí)性差等缺陷，導(dǎo)致其無(wú)法應(yīng)用在油氣管道火災(zāi)預(yù)防領(lǐng)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(cè)器。該探測(cè)器擁有3C消防認(rèn)證，可360°探測(cè)煙霧且續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)，能夠確保在無(wú)人值守的閥室實(shí)現(xiàn)24小時(shí)火災(zāi)監(jiān)測(cè)[3]。這款智能煙霧探測(cè)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(cè)面積達(dá)40 m2；同時(shí)能夠消除因蚊蟲(chóng)、灰塵、器件老化等因素引起的基線漂移現(xiàn)象，能夠自適應(yīng)調(diào)整煙感報(bào)警器的感知門(mén)限及背景閾值，大幅降低該煙霧探測(cè)器因環(huán)境因素引起的火災(zāi)誤報(bào)率[4]。

若閥室中的煙霧探測(cè)器檢測(cè)到空氣中的煙霧濃度升高且超出閾值后，會(huì)第一時(shí)間通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)將測(cè)量數(shù)據(jù)上傳至云平臺(tái)，由云平臺(tái)發(fā)送短信告知負(fù)責(zé)人，負(fù)責(zé)人可以及時(shí)安排人員前往閥室檢查是否出現(xiàn)異常，并采取科學(xué)、合理的措施消除安全隱患，避免造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失[5-6]。

2.3 人體紅外感應(yīng)模塊

HC-SR501是基于紅外線技術(shù)實(shí)現(xiàn)的人體紅外感應(yīng)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(dāng)人員進(jìn)入該模塊的感應(yīng)范圍后，則輸出高電平；人員離開(kāi)該模塊的感應(yīng)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(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化控制領(lǐng)域。

HC-SR501人體紅外感應(yīng)模塊擁有兩種觸發(fā)方式：

（1）不可重復(fù)觸發(fā)方式：感應(yīng)輸出高電平后，延時(shí)時(shí)間段結(jié)束，則輸出立即從高電平變?yōu)榈碗娖健?/p>

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

HC-SR501人體紅外感應(yīng)模塊實(shí)物如圖3所示。

將HC-SR501人體紅外感應(yīng)模塊安裝于閥室機(jī)電柜內(nèi)部靠近門(mén)的一側(cè)，便能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)入侵信號(hào)，倘若有人或者動(dòng)物入侵，則該模塊能夠及時(shí)上傳信號(hào)至云平臺(tái)，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(wǎng)及云平臺(tái)連接

ZigBee模塊選用以CC2530為主控芯片的開(kāi)發(fā)板，其擁有256 KB程序存儲(chǔ)器和8 KB RAM，工作頻帶為2 405～2 480 MHz，數(shù)據(jù)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(qiáng)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(shí)，CC2530擁有不同的運(yùn)行模式，完全滿足超低功耗系統(tǒng)的運(yùn)行要求。

ZigBee的組網(wǎng)過(guò)程如下：

（1）網(wǎng)絡(luò)初始化。確定網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，判斷全功能節(jié)點(diǎn)

（Full Function Device， FFD）在網(wǎng)絡(luò)中是否已存在協(xié)調(diào)器，之后通過(guò)主動(dòng)掃描發(fā)送信標(biāo)請(qǐng)求命令。若在掃描期限內(nèi)未檢測(cè)到信標(biāo)，則建立ZigBee網(wǎng)絡(luò)。完成信道掃描，對(duì)指定的信道或者默認(rèn)信道進(jìn)行能量檢測(cè)以避免可能的干擾，之后搜索節(jié)點(diǎn)通信半徑內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)信息，獲得信標(biāo)幀；設(shè)置網(wǎng)絡(luò)ID，需確保其所使用的信道唯一，不會(huì)與其他ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)生沖突，同時(shí)還應(yīng)注意，不能使用保留地址0xFFFF。

（2）節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)。查找網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，通過(guò)主動(dòng)掃描，獲得協(xié)調(diào)器相關(guān)信息，發(fā)出連接請(qǐng)求，若未檢測(cè)到，則間隔固定時(shí)間后再次掃描；向協(xié)調(diào)器發(fā)送關(guān)聯(lián)請(qǐng)求命令，協(xié)調(diào)器收到后回復(fù)ACK，同時(shí)向上層發(fā)送連接指示原語(yǔ)；等待協(xié)調(diào)器處理，若協(xié)調(diào)器資源充足，其將為節(jié)點(diǎn)分配一個(gè)16位的短地址，并產(chǎn)生包含新地址和連接成功狀態(tài)的響應(yīng)命令，此時(shí)節(jié)點(diǎn)成功與協(xié)調(diào)器建立連接，允許通信；向協(xié)調(diào)器發(fā)送數(shù)據(jù)請(qǐng)求命令，待協(xié)調(diào)器收到該命令且回復(fù)ACK后，將存儲(chǔ)的關(guān)聯(lián)響應(yīng)命令發(fā)送至節(jié)點(diǎn)；節(jié)點(diǎn)收到關(guān)聯(lián)響應(yīng)命令后，向協(xié)調(diào)器回復(fù)確認(rèn)幀（ACK），并保存協(xié)調(diào)器的短地址和擴(kuò)展地址，MLME向上層發(fā)送連接確認(rèn)原語(yǔ)，告知成功加入信息。

ZigBee的通信流程如下：（1）組網(wǎng)：調(diào)用協(xié)議棧組網(wǎng)函數(shù)，加入網(wǎng)絡(luò)函數(shù)，建立網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)；（2）發(fā)送數(shù)據(jù)：發(fā)送節(jié)點(diǎn)通過(guò)調(diào)用無(wú)線數(shù)據(jù)發(fā)送函數(shù)來(lái)發(fā)送數(shù)據(jù)；（3）接收數(shù)據(jù)：接收節(jié)點(diǎn)調(diào)用無(wú)線數(shù)據(jù)接收函數(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)接收。

為了成功連接云平臺(tái)，首先將ZigBee模塊的串口與STM32單片機(jī)的串口連接，設(shè)置兩者的波特率為115 200 b/s。之后連接網(wǎng)關(guān)設(shè)備，即將ZigBee協(xié)調(diào)器與網(wǎng)關(guān)連接[12]。然后設(shè)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(shè)置連接參數(shù)，包括設(shè)備標(biāo)識(shí)、密鑰、端口等。完成上述操作并生成API密鑰后即可創(chuàng)建項(xiàng)目，添加設(shè)備[13-14]。

4 系統(tǒng)測(cè)試

為驗(yàn)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(jī)柜處各進(jìn)行高溫?zé)熿F測(cè)試3次，入侵檢測(cè)3次，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)均能迅速反饋預(yù)警，識(shí)別準(zhǔn)確率達(dá)100%，完全可滿足環(huán)境信號(hào)檢測(cè)及時(shí)反饋的需求。

5 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)輸油氣管線長(zhǎng)、閥室多、人工巡線管理低效的現(xiàn)狀，文中設(shè)計(jì)了一款基于多傳感器的閥室環(huán)境參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確、迅速反饋異常數(shù)據(jù)，有助于工作人員及時(shí)了解閥室的運(yùn)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(jí)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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