基于無線傳感器網絡的油罐區火災監測系統

北華航天工業學院

基于無線傳感器網絡的油罐區火災監測系統

蔡文龍北華航天工業學院

為了有效地監測油罐區的狀態和實時預警油罐區火情，設計了基于無線網絡的油罐區火災監測系統。將無線傳感器技術應用于油罐區的火災監測，選擇溫度、濕度、煙霧、一氧化碳、二氧化碳、可燃氣體這6個物理量作為監測對象，采集油罐區各個油罐的相關參數，實時將數據傳輸到服務器和客戶端。設計油罐區火災預警專家系統，實時分析油罐區溫度、濕度、煙霧、一氧化碳、二氧化碳、可燃氣體等數據變化，監測油罐區狀態。基于無線網絡的油罐區火災監測系統，硬件結構只有數據采集節點模塊、網關、服務器端，價格便宜，系統無需現場布線及復雜的安裝調試過程，安裝方便，經濟性遠高于其他監測系統。

油罐區；火災監測；無線網絡；無線傳感器；設計

隨著無線傳感器技術（WSN）的發展，可以更加方便、快捷地在油罐區布置數據采集設備，無需復雜的線路設計，既減少安裝成本，又可提高油罐區安全性，減少設備維護巡查時間[1]。因此，將無線傳感器技術應用于油罐區的火災監測，具有重要的意義。

1系統總體設計

1.1 系統功能與結構

油罐區火災監測系統應具有以下功能：①油罐區數據采集和傳輸，包括設計安裝多種傳感器，采集油罐區每個儲油罐的狀態參數(溫度、壓力、可燃氣體)[2]，然后根據油罐區無線傳感器節點網絡拓撲結構，設計各傳感器節點數據傳輸協議、路由算法等；②數據實時處理、存儲、查詢和異常預測，包括初步處理采集的油罐區狀態數據，實現利用客戶端和移動設備實時查看油罐區狀態，同時對油罐區數據進行監測，有效預報油罐區的異常[3]；③火情響應機制，當油罐區火災監測系統監測到異常情況時，需要及時采取措施，對現場進行檢查、確認，對火情進行應急響應，同時向油罐區和周邊所有工作人員進行火情通報，進行緊急的人員疏散。圖1所示為基于無線網絡的油罐區火災監測系統結構。

1.2 系統網絡設計

在油罐區進行火災監測時，需要嚴格執行相關國家標準，包括《火災報警控制器（GB4717—2005）》、《點型感溫火災探測器（GB4716—2005）》、《點型感煙火災探測器（GB4715—2005）》、《可燃氣體探測器（GB15322.1—2003）》等，選擇溫度、濕度、煙霧、一氧化碳、二氧化碳、可燃氣體這6個物理量作為監測對象[4]。傳感器節點模塊設計完成后，將模塊安置于罐區每個油罐頂部，監測油罐內原油狀態。

在設計無線傳感器網絡和火災預警系統時，嚴格按照規定，選擇相關傳感器部件，設計軟硬件，進行網絡布置、電氣設計等，并符合國家消防安全資格認證（CCCF認證）。根據油罐區的布局特點和現狀，進行油罐區火災監測系統無線網絡設計，如圖2所示。

基于無線傳感器網絡的油罐區火災監測系統所使用的傳感器、芯片、配件、設備等價格便宜、可靠性高，系統所需成本低，而且系統維護、更新方便，非常適用于油罐區的火災監測。

圖1 基于無線網絡的油罐區火災監測系統結構

2系統軟件的選擇

圖2 油罐區火災監測系統無線網絡

設計和布置油罐區火災監測系統硬件結構后，需要對油罐區的火災監測系統軟件進行選擇。目前火災檢測系統軟件都比較成熟，軟件需要包括以下幾個功能：

（1）網絡各數據采集節點的數據采集、傳輸程序設計。每個數據采集節點包括多種傳感器，因此需要決定傳感器采集數據的間隔、數據傳送出去的時間，以及數據以何種方式傳輸。

（2）無線網絡的組網算法設計。油罐區面積較大，數據采集節點較多，網絡覆蓋范圍廣，無線模塊數據傳輸距離有限，數據傳輸距離越遠，需要的能量越大。而節點采用電池供電，不合理的無線數據傳輸網絡將影響節點的使用壽命。

（3）油罐區火災監測專家系統。服務器端接收到油罐區現場數據后，需要對數據進行分析，以確定油罐區油罐的工作狀態，需要其能及時發現油罐區油罐的異常，對油罐的火情快發現，及時預警，減少損失。

（4）油罐區火情監測預警專家系統。根據采集到的油罐工作狀態數據，需要根據溫度、濕度、煙霧、一氧化碳、二氧化碳、可燃氣體這6個物理量，分析數據的變化趨勢，建立油罐區火災監測和預警專家系統，實現在線、實時的油罐區火災預警。同時，隨著時間推移服務器端將接收到大量的油罐區現場數據，因此需要建立油罐區工作狀態的實時數據庫，對油罐區現場數據進行管理、存儲。

3可行性與經濟性分析

在實際的油罐區火災監測中，每個儲油罐頂部安裝有1個無線傳感器節點模塊及諸多傳感器單元。當火災發生時，位于油罐頂部的無線傳感器節點模塊能快速、準確地采集到油罐頂部附近的溫度、濕度、煙霧、一氧化碳、二氧化碳、可燃氣體這6個物理量參數，并將數據傳輸到服務器，專家系統對油罐的狀態做出判斷并進行火災預警。為了驗證本文設計的基于無線網絡的油罐區火災監測系統的有效性，對該系統的兩大主要功能進行驗證：①無線傳感器節點可以有效采集到節點附近環境的溫度、濕度、煙霧、一氧化碳、二氧化碳、可燃氣體這6個物理量參數；②采集到的數據，可以通過構建的無線網絡傳輸到服務器端。為此，設計了火災模擬環境，一共布置了4個無線傳感器節點，每個節點之間相隔100 m，在每個節點處，準備好原油樣本，同時在離4個節點較中間位置設置了網關節點，在離所有無線傳感器節點一定位置處，安放1臺筆記本作為服務器端。首先，調試各個無線傳感器節點模塊，調試網絡，搭建無線網絡，實現正常的網絡通信，筆記本可以成功接收到各節點傳輸來的數據。然后，點燃各傳感器節點處原油樣本，觀察接收到的節點處的環境參數數據。

根據實驗的結果，4個傳感器節點均能有效地采集到節點附近的溫度、濕度、煙霧、一氧化碳、二氧化碳、可燃氣體這6個物理量的變化。當原油被點燃后，溫度呈現逐漸上升趨勢，二氧化碳濃度明顯上升，濕度緩慢下降，一氧化碳濃度變化較小。由于傳感器精度限制和原油燃燒量較小，濕度和一氧化碳濃度的變化不明顯。圖3和圖4所示為實驗前后傳感器節點采集的溫度、二氧化碳濃度變化。

圖3 燃燒前后傳感器節點溫度變化

圖4 燃燒前后傳感器節點二氧化碳濃度變化

本實驗結果說明無線傳感器網絡各節點工作正常，可以采集節點附近的相關物理量數據，實現對油罐區溫度、濕度、煙霧、一氧化碳、二氧化碳、可燃氣體的變化進行實時觀察，從而實現油罐區的火災監測[5]。

基于無線網絡的油罐區火災監測系統硬件結構只有數據采集節點模塊、網關、服務器端，相比于傳統的監測方法，價格便宜，系統無需現場布線及復雜的安裝調試過程，安裝方便，經濟性遠高于其他監測系統。日常系統維護，只需要更換數據采集節點電池，大約1年1次，維護簡單。當系統出現問題時，只需要確定故障數據采集節點，直接更換，維護速度快。因此，基于無線網絡的油罐區火災監測系統既可以滿足油罐區火災監測和預警，可行性高，又具有很高的經濟性，能節約成本和人力資源。

4結語

設計了基于無線網絡的油罐區火災監測系統，以實現對油罐區各油罐的工作狀態進行實時監測，對油罐區火災實現即時預報。根據相關國家標準，選擇溫度、濕度、煙霧、一氧化碳、二氧化碳、可燃氣體這6個物理量作為監測對象，選用相關的傳感器，采集油罐的狀態數據，利用無線網絡，將數據傳輸到服務器和客戶端。無線傳感器網絡變有線為無線，使得油罐區的日常監測更加方便、安全、準確，可以降低監測成本，提高油罐區的安全性。

[1]劉甜，張少軒．基于無線傳感器網絡的油井監控系統[J]．油氣田地面工程，2014，33（3）：69-70.

[2]張乃祿，姚萱萱，李選鋒，等．基于無線網絡的遠程注水監控系統[J]．油氣田地面工程，2011，30（12）：61-63.

[3]吳洪貴．無線傳感器聲幅變密度測井技術[J]．油氣田地面工程，2014，33（12）：57-58.

[4]繆曉龍．基于無線傳感器網絡的油罐區火災監測節點研究[D]．南京：南京理工大學，2014：13-17．

[5]王熙康．基于傳感器網絡的油罐區火蔓延與火反演技術研究[D]．南京：南京理工大學，2014：22-23.

（欄目主持 關梅君）

表3 OPPC技術與通信光纜、電力線路比較

4OPPC光纖復合相線的維護與施工

（1）OPPC光纖復合相線具有與導線相近的電氣性能和機械性能，能按照常規導線架設施工方法進行施工，但由于其在過滑輪、放線、緊線過程中，造成其結構延伸以及溫度升高而產生蠕變伸長及膨脹伸長，因此對光纖的要求較高。

（2）為了保證光纖復合相線纜線中的光纖質量，施工時要注意保護光纖不受擠壓。

（3）為了防止潮氣進入光纖密閉管內而影響其使用壽命，應將光纖端頭置于防潮的接頭盒中。

（4）對正常運行的光纖復合相線應加強設備接頭紅外線測溫和監測，防止出現局部受熱的現象。

5結語

OPPC是一種新型的特種電力光纜，在國內的處于初步應用階段。OPPC解決了OPGW和ADSS光纜在低電壓網中難以通信的問題。通過單獨架設通信光纜與電力線路和OPPC技術對比發現，OPPC技術可應用于安塞油田數字化建設中，提高數字化建設的可靠性和安全性，能降低油田工程數字化建設成本，減少建設周期，有利于長慶油田實現“數字化、標準化、市場化”的建設目標。

參考文獻

[1]翟龍，呂陽偉，譚濱，等．采用OPPC實現數字化油田的光電一體化傳輸[C]．中國油氣田地面工程技術交流大會論文集，2013：899-901.

[2]吳勁松，黃琦，吳鐘博，等．光纖復合架空相線的工程應用研究[J]．中國電力，2013，46（10）：106-110.

[3]樂堅浩，梅沁，李祥珍，等．光纖復合低壓電纜(OPLC)和光纖復合相線(OPPC)故障診斷與在線監測系統研究[J]．信息通信，2013，19（1）：7-9.

[4]劉四聰．OPPC光纖復合架空相線應用研究[J]．企業技術開發：學術版，2012，31（11）：17-18，25.

[5]苗青．油田數字化建設中存在的問題及對策[J]．油氣田地面工程，2013，21（9）：120-121.

[6]董長青．計算機在油田數字化建設中的應用分析[J]．化工管理，2014，12（8）：24-24.

收稿日期2015-05-20

（欄目主持 關梅君）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.8.028

蔡文龍：碩士研究生，講師，2005年畢業于燕山大學，供職于北華航天工業學院電子系自動化教研室，主要研究領域為信號處理和智能控制。

18629353612、caiwenLongll@126.com

2015-06-08