基于物聯(lián)網(wǎng)的波紋補償器無線監(jiān)測系統(tǒng)

倪洪啟, 孫鳳明, 王鳳雙

（1.沈陽化工大學(xué)機械工程學(xué)院,沈陽 110142;2.秦皇島北方管業(yè)有限公司,河北 秦皇島 066004）

基于物聯(lián)網(wǎng)的波紋補償器無線監(jiān)測系統(tǒng)

倪洪啟1, 孫鳳明1, 王鳳雙2

（1.沈陽化工大學(xué)機械工程學(xué)院,沈陽 110142;2.秦皇島北方管業(yè)有限公司,河北 秦皇島 066004）

波紋補償器作為一種補償元件，在現(xiàn)代管道系統(tǒng)里具有降低管道所受的應(yīng)力以及提高使用壽命的重要作用，而當前對于波紋補償器的工作狀態(tài)缺乏有效的監(jiān)測，為了實時監(jiān)測波紋補償器的工作狀態(tài)；及時發(fā)現(xiàn)波紋補償器的失效；避免輸送介質(zhì)泄漏造成的經(jīng)濟損失和生產(chǎn)事故?；谖锫?lián)網(wǎng)的概念，結(jié)合無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，在波紋補償器上安裝多個傳感器。然后將傳感器收集到的信號通過轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換，并由包含單片機的CC2530ZigBee射頻模塊發(fā)送到無線網(wǎng)絡(luò)，上傳至計算機并存儲，通過與數(shù)據(jù)庫內(nèi)的數(shù)據(jù)比對分析，達到實時無線監(jiān)測波紋補償器的工作狀態(tài)，并在各項數(shù)值異常時發(fā)出警報，提醒工作人員及時處理。實現(xiàn)信息化、遠程監(jiān)測和智能化的物聯(lián)網(wǎng)。

波紋補償器；物聯(lián)網(wǎng)；無線監(jiān)測；單片機；ZigBee

0 引言

物聯(lián)網(wǎng)（The Internet of Things）是指人與物或者物與物相連的互聯(lián)網(wǎng)，其定義是：“采用各式各樣的信息采集傳感儀器或設(shè)備，包括紅外傳感器、GPS定位儀、射頻識別系統(tǒng)、溫度壓力傳感器等，將采集到的信息發(fā)送到互聯(lián)網(wǎng)（Internet），這些信息采集儀器裝置與互聯(lián)網(wǎng)連接進行組網(wǎng)，成為物聯(lián)網(wǎng)。物聯(lián)網(wǎng)可以利用已知的各式各樣的感知設(shè)備實時采集被測物體信息，并且能夠?qū)⒉杉降男畔蚀_無誤地發(fā)送到物聯(lián)網(wǎng)，從而傳遞采集到的信息數(shù)據(jù)。通過物聯(lián)網(wǎng)可以對采集到的信息數(shù)據(jù)進行智能化分析和處理”[1]。

隨著我國經(jīng)濟、技術(shù)和科學(xué)的迅猛發(fā)展，對管道運輸?shù)男枨笠苍絹碓礁撸y補償器是維持現(xiàn)代管系正常工作的重要部件。它通常用來安裝在管道上吸收因溫度、壓力變化而引起的位移，以保障管道安全運行。波紋補償器的主要彈性元件是一層或者多層的不銹鋼波紋管，主要通過波紋管的伸縮和彎曲以用來對管道進行各個方向的補償，并通過吸收設(shè)備的振動，來減少對管道的影響，還有地震等由于環(huán)境改變所引起的管道變形。自20世紀80年代初在國內(nèi)市場應(yīng)用以來，至今已有30 a以上的歷史，它在石油、化工、供熱、電力、水泥、冶金等工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。波紋補償器所承受的外力復(fù)雜：既有軸向力又有徑向力，應(yīng)力較高，并且它的工作溫度高，工作介質(zhì)常常具有較強的腐蝕性，因而容易發(fā)生失效，一旦失效，會造成工作介質(zhì)泄漏，導(dǎo)致局部不能工作，如果輸送的是易燃易爆氣體或者液體，更可能誘發(fā)大火甚至爆炸，造成巨大經(jīng)濟損失，甚至對工作人員和管道周邊群眾產(chǎn)生生命威脅。而通過構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)對波紋補償器的工作狀態(tài)進行遠程實時監(jiān)測，可以及時發(fā)現(xiàn)波紋補償器的狀況異常，并采取應(yīng)對措施，從而提高安全生產(chǎn)系數(shù)。

1 監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

波紋補償器無線監(jiān)測系統(tǒng)主要功能包括：通過傳感器進行各種信號的采集，轉(zhuǎn)換信號并發(fā)送，計算機對信號的顯示、存儲和警報。主要通過溫度傳感器、位移傳感器、壓力傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器、帶有ZigBee功能模塊的單片機、計算機、聲光報警裝置等來實現(xiàn)上述功能。

采用磁性吸附式溫度傳感器測量波紋補償器的表面溫度，將溫度傳感器吸附在波紋補償器的接管表面，在測溫度的同時避免對波紋補償器結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞。由于波紋管承受位移量具有一定限度，在位移變化過大的時候極易發(fā)生失效，所以在波紋管兩端安裝支架，平行于波紋管安裝位移傳感器。由于波紋補償器承受應(yīng)力較高，所以需要安裝壓力傳感器及時對波紋補償器承受壓力狀況進行監(jiān)測，根據(jù)需要在接管處打孔，嵌入壓力傳感器。

由溫度傳感器、壓力傳感器、位移傳感器收集到的信號通過A/D轉(zhuǎn)換器變成數(shù)字信號，傳入帶有ZigBee功能模塊的單片機發(fā)送到無線傳感網(wǎng)絡(luò)，在遠端由計算機進行收集與分析，當發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常時，啟動聲光報警裝置。計算機內(nèi)部軟件實現(xiàn)功能主要包括一下幾個方面：1）數(shù)據(jù)的采集與存儲。就是將上述硬件采集到的數(shù)字信號收集到軟件模塊里并進行存儲。以方便調(diào)用。2）顯示界面。將采集到的溫度、位移、壓力信號實時顯示，以及時觀測波紋補償器的狀態(tài)。3）數(shù)據(jù)的分析。將實時數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫內(nèi)正常工作狀態(tài)下的數(shù)據(jù)進行對比分析，以用來判斷波紋補償器是否在正常工作。4）警報處理。如果數(shù)據(jù)分析后波紋補償器沒有正常工作，及時啟動聲光報警裝置，并對異常數(shù)據(jù)進行顯示及存儲，以提醒工人并及時發(fā)現(xiàn)問題所在。具體工作流程如圖1所示。

圖1 波紋補償器無線監(jiān)測系統(tǒng)工作流程圖

2 對無線網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)

2.1 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Networks，WSN）是一種分布式傳感網(wǎng)絡(luò)，它的末梢是可以感知和檢查外部世界的各種傳感器。傳感器用無線通信的方式，通過嵌入式系統(tǒng)各種傳感器采集的信息進行智能化的處理，因此網(wǎng)絡(luò)設(shè)置非常靈活，而且設(shè)備可以隨時改變位置，并通過有線連接或者無線連接的方式與互聯(lián)網(wǎng)通信。

各個節(jié)點間無線通信協(xié)議采用基于IEEE 802.15.4標準的Zigbee協(xié)議[3]（見圖1）。Zigbee協(xié)議支持星形和網(wǎng)狀等多種拓撲結(jié)構(gòu)，其具有較低的能量消耗、低廉的成本價格、較大網(wǎng)絡(luò)容量以及遠距離傳輸?shù)戎T多優(yōu)點，特別適合用于對管道系統(tǒng)中多個波紋補償器的狀況監(jiān)測。IEEE802.15.4標準是一種性價比高、效率高、數(shù)據(jù)傳輸速率比較慢（<250 kBps），在2.4 GHz或者是868/915 MHz頻率下工作的無線通信技術(shù)，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于個人局域網(wǎng)絡(luò)或者其他對等網(wǎng)絡(luò)。它是ZigBee技術(shù)應(yīng)用層和網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議的基礎(chǔ)。因為其應(yīng)用了免執(zhí)照的2.4 GHz和868/915 MHz的ISM頻段，所以能簡潔且不受限制地構(gòu)建局域網(wǎng)絡(luò)。

圖2 ZigBee協(xié)議結(jié)構(gòu)

2.2 網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)采用網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)（Mesh Network）（見圖3）[4]。網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的傳輸范圍相對其他結(jié)構(gòu)來說非常廣闊，并可以通過其他備份鏈路使得現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)可靠性得到非常大的提升。但由于是無線網(wǎng)絡(luò)，避免了傳統(tǒng)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)費用較高、不易管理和維護、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等缺點。而且在設(shè)計的傳輸距離內(nèi)的任意兩個節(jié)點都可以完成數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ堋．斈硟蓚€節(jié)點的線路應(yīng)為一些環(huán)境因素的影響而失去連接時，節(jié)點就會自動搜索傳輸距離內(nèi)的其他節(jié)點，重新構(gòu)建出一條新的線路以保證數(shù)據(jù)的傳輸。而且，網(wǎng)絡(luò)中的任意兩個設(shè)備之間都可以進行通信，如果超出了其直接通信的最遠距離，我們還可以通過設(shè)置多個中繼站的方式進行遠距離通信，這就是多跳的通信方式。動態(tài)路由以及多跳通信方式使得網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性以及抗干擾能力有了很大的提升，除了中心節(jié)點，其他任何節(jié)點的損壞都不會對整個網(wǎng)絡(luò)的運行產(chǎn)生影響。基于以上所述特性，網(wǎng)狀拓撲結(jié)構(gòu)非常適用于波紋補償器的無線監(jiān)測系統(tǒng)。不會因為任意一個節(jié)點的意外損壞而干擾對整個管系內(nèi)波紋補償器的監(jiān)測。

圖3 網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)示意圖

3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的硬件設(shè)計

本文的射頻模塊由CC2530芯片實現(xiàn)，CC2530是一款符合ZigBee標準的SoC芯片[7-8]，將其與無線電收發(fā)器、8051單片機內(nèi)核、串口、AD轉(zhuǎn)換器和定時器等外設(shè)集合于一體，利用CC2530作為實現(xiàn)ZigBee協(xié)議的解決方案，從而顯著降低了節(jié)點的成本、體積和功耗。

溫度傳感器選用HT-1430磁鐵式表面溫度傳感器，屬于PT100溫度傳感器，測量范圍可選-200～+850℃，可根據(jù)具體介質(zhì)選取合適的區(qū)間，選用磁鐵式還可以盡量減小對波紋補償器結(jié)構(gòu)的破壞。位移傳感器選擇KPM18系列位移傳感器，行程從15～300 mm可選，可根據(jù)具體波紋管伸縮量選取。壓力傳感器選擇ZYB-Y801壓力傳感器，可測量氣體或液體介質(zhì)，測量范圍在-0.1～25 MPa可選。上述各傳感器均采用三線制，一根電源正，一根電源負，一根信號輸出，且可與單片機使用同一電源供電，方便連接，節(jié)約成本。實物連接如圖4。

圖4 實物連接

4 結(jié)論

波紋補償器無線監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)建為現(xiàn)代管系的維護和保養(yǎng)開拓了新的思路。利用溫度、位移和壓力傳感器以及無線通信網(wǎng)絡(luò)實時監(jiān)測波紋補償器的狀態(tài)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到計算機進行分析與警報，工作人員可以在計算機前對管系中的多個波紋補償器實現(xiàn)遠程實時監(jiān)控，替代了原來需要經(jīng)常性的人為檢查，節(jié)省了人力與時間，避免了因為補償器的失效而引起的損失和生產(chǎn)事故，提高安全生產(chǎn)系數(shù)。隨著無線傳感技術(shù)的發(fā)展，其便利性、低成本、低能源消耗等優(yōu)勢將更加明顯。而隨著物聯(lián)網(wǎng)概念的普及，這種無線監(jiān)測系統(tǒng)將得到更廣泛的應(yīng)用。在智能設(shè)備飛速發(fā)展的今天，更可以開發(fā)基于ios系統(tǒng)和Android系統(tǒng)的移動端應(yīng)用，從而隨時隨地地對波紋補償器的狀態(tài)進行監(jiān)測，大大降低對人力的依賴，進一步降低成本，提高安全系數(shù)，同時也將監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)揮了更大的效用。

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Wireless Monitoring System of Corrugated Compensator Based on Internet of Things

NI Hongqi1,SUN Fengming1,WANG Fengshuang2
(1.School ofMechanical Engineering,ShenyangUniversityofChemical TechnologyCollege,Shenyang110142,China;2.QinhuangdaoNorth Metal Hose Co.,Ltd.,Qinhuangdao066004,China)

Corrugated compensator as a compensating element in the modern pipe system has important role to reduce the pipe deformation stress and improve the service life of the pipe.The working state of the corrugated compensator and the lack is not effectively monitored.In order to monitor the working state of the corrugated compensator,failure of compensator,and avoid leakage caused by the transmission medium economic losses and accidents,a number of sensors are installed on the corrugated compensator based on the concept of the Internet of things and the wireless network technology.Then the signals collected by sensor is converted using converter and sent to the wireless network by the CC2530 ZigBee RF module which contains the MCU microcomputer.The data is uploaded to the computer and stored in the database through data comparison analysis.Real-time wireless monitoring of compensator working state is achieved.When abnormal value occurs,alarm is used to remind staff to deal with in a timely manner.Remote monitoring informational and intelligent Internet of things is achieved.

corrugated compensator;internet of things;wireless monitoring;MCU;ZigBee

TP 274.5

A

1002－2333（2018）01－0042－03

（編輯明 濤）

倪洪啟（1967—），男，博士，副教授，主要研究方向為機械設(shè)計及自動化；

孫鳳明（1992—），男，碩士研究生，主要研究方向為機械設(shè)計及自動化。

2017-03-08