基于無線傳感器網絡的H2S預警系統研究

侯 陸（淮南舜泰化工有限公司,安徽 淮南 232000）

基于無線傳感器網絡的H2S預警系統研究

侯 陸
（淮南舜泰化工有限公司,安徽 淮南 232000）

摘 要：油氣管道的長輸系統是由管道主干線以及穿跨越段、泵站和油庫所組成的一串聯可修系統。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水平。本文通過電化學H2S傳感器對維修班組的作業環境實時監測并采用無線的方式實時將報警信息傳送給維修點周圍的班組人員以便采取相應的應對措施。提高維修人員的作業環境安全。通過實際測試及應用，效果良好，具有一定的市場應用價值。

關鍵詞：電化學；H2S；安全；環境

0 引言

保證油氣管道的安全是我國石油質量、安全、健康、環境方針的重要內容。隨著時間的推移，老管道的安全維護成了管道管理者的重要工作內容。為了保證維修班組在管道搶修及維護過程中，避免管道周圍環境中存在高濃度的H2S氣體對人體造成傷害，本文設計了基于基站式的班組維修H2S無線預警系統。

本系統主要采用電化學傳感元件作為對H2S氣體濃度的檢測，通過無線方式將實時的濃度計報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實時的了解到工作環境的安全性，從而保證維修作業人員的安全。

1　 系統總體設計

本系統架構如圖所示：

該系統主要包括氣體濃度檢測基站和檢修人員配帶的無線遠程報警裝置組成。基站主要放在工作環境現場，遠程報警裝置由每一個檢修人員隨身佩戴。當環境出現H2S氣體超標時，在不同位置的檢修人員可迅速得到報警信息，及時對現場進行相應的處理，保證作業安全。

2　 系統硬件結構及工作原理

如圖所示，整個硫化氫無線傳感預警系統分為兩個部分。第一部分為基站數據采集及發送部分，此部分主要采用電化學探頭對H2S進行數據采集，經過運放及AD數據轉換，將探頭采集到的硫化氫氣體的模擬量轉換為數字量，通過超微功耗單片機將數據進行處理及補償，從而實時的檢測環境中的硫化氫含量，當空氣中的硫化氫含量超過設定的報警值則發出聲光報警并將報警信息通過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接收模塊接收數據，當接收到報警信息時，班組人員所佩戴的裝置將發出聲光報警，從而便于在操作現場附近作業的每個人都能及時獲得周圍的環境信息，保證人身安全。

3　 主要硬件電路設計

該系統主要包括單片機最小系統及數據采集電路來實現電化學傳感器電流信號的采集；通過聲光報警及無線收發電路實現報警信息的遠傳；通過電源調理電路實現蓄電池供電。

3.1 電化學原理及數據采集電路

如圖所示在基站數據采集的電化學探頭采用ME3-H2S型電化學氣敏元件做為傳感器的采集元件，此電化學探頭的工作原理是利用待測氣體在電解池中工作電極上發生電化學反應時產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，主要用來當傳感器不工作時提供一個通路。圖中U1B主要將電路采集的小電流信號轉換為電壓信號并放大。

3.2 無線數據傳感

nRF24L01主要工作在2.4 GHz～2.5 GHz頻段內。信號的輸出功率計通信頻道可以通過接口SPI進行配置，方便與各種型號的單片機進行通訊，聯合完成數據的傳輸和接收工作。最大傳輸距離可達百米。

4　軟件設計

如圖3所示為基站的工作流程。基站主要實現對硫化氫氣體的的實時監測，當濃度高于報警點時，將報警信息發送出去。接收節點實時監聽報警信息，當有報警信息收到時，啟動聲光報警，提醒作業人員。

5　總結

本文以MSP430超微功耗單片機為主控制器設計了主從無線傳感器網絡的硫化氫預警系統。本系統實現了將環境中的硫化氫濃度超標報警信息實時傳輸到每一個班組不同地點的作業人員身上。創新的設計思路使得不僅僅是燃油燃氣管道維修中可以使用，一些特殊場合（如地下管道、下水道等）相關高危險性氣體環境下也能使用，確保作業班組中每一個作業人員的安全。具有一定的推廣價值。

參考文獻：

[1]袁友祥,劉佳,要建東.基于C8051F021單片機的多通道氣體監測儀設計[J].石油機械，2011,39(09):41-43,49.