基于Wi-Fi 和云平臺的原油集輸監測系統設計

崔至昊

（中國石油大學< 華東> 山東 青島 266580）

0 引言

我國有龐大的工業體系和成熟、穩定的工業基礎[1]，大量的原油消耗使我國成為全球最主要的石油進口國之一[2]。油氣集輸是將油田開采出的原料進行集中處理，最終變成原油產品的過程，是原油開采過程中極為重要的一個環節。原油外輸的方式以長輸管道外運為主，主要采用原油動態計量方法進行原油交接計量。在計量過程中，由于受到溫度變化、氣體損失、管線泄露等因素的影響，原油輸量會產生偏差[3]。傳統的原油動態計量方法由計量人員來手動完成，計量人員首先需要逐個檢查管道，并手動記錄各種儀表的參數，再輸入計算機得到計量結果。此方法操作復雜，人工成本高，計量誤差大，無法實時監測原油的流量。通過智能化改造可以實時獲取管道的溫度、壓力等數據，可以對原油流量進行補償校準，從而提高計量的準確度[4-5]。

本文采用ESP8266 Wi-Fi 模塊，獲取到溫度、壓力數據，通過網絡上傳至云端，并設計了Web 監控系統實時顯示終端上傳的數據，實現了對輸油管道溫度、壓力等數據的實時監測。

1 系統整體設計方案

本系統基于無線通信技術和物聯網云平臺技術，主要由原油溫度、壓力數據采集、遠程監控顯示以及異常報警等3 部分組成，安置在管道上的無線傳感器通過Wi-Fi 傳輸數據。系統整體架構見圖1。

通常Wi-Fi無線組網有基礎網和自組網兩種拓撲結構，自組網網絡結構通常是由多個節點STA 組成的一種動態的對等網絡結構，在這種網絡結構下，沒有主節點AP的存在，各個節點STA 之間可以直接建立連接進行通信，無線自組網中的每個用戶終端都兼有路由器和主機兩種功能。基礎網網絡結構是設置一個主節點AP 和多個子節點STA 的結構，各個子節點連接主節點進行網絡通信，主節點相當于整個節點網絡的中心。

基礎網網絡拓撲結構具有網絡結構簡單、信息傳輸高效的優點，見圖2，本系統選用基礎網網絡結構來進行Wi-Fi 組網。輸油管道上的每個監測節點相當于一個STA，另外設置一個中心節點AP 來進行子節點與云平臺的數據通信，同時該AP 節點負責控制蜂鳴器實現報警功能。

本系統由多個ESP8266 Wi-Fi 模塊構成基礎網網絡拓撲結構，其中包括一個AP 主節點和多個STA 子節點。主節點由一個ESP8266 作為無線收發器，子節點由ESP8266分別和溫度傳感器、壓力傳感器組成。子節點位于廠房內不同輸油管路上，由相應的傳感器收集溫度、壓力等數據。主節點位于廠房房頂高處，用于子節點與云平臺的通信，還有一個子節點負責參數異常時的聲光報警。相比于人工操作，該系統可以更加精準、實時地監測各項數據，從而調整計算原油流量的參數，盡可能減小原油計量時的輸差。

2 硬件分析與選型

2.1 通信模塊分析與選型

本系統的數據傳輸是將傳感器測得的溫度、壓力等數

據上傳到云平臺，以及子節點在測得數據不正常時將報警信號發送到主節點。ESP8266 具有低功耗、低成本、尺寸小等優點，滿足系統需求，其芯片封裝及引腳圖見圖3。

2.2 溫度傳感器分析與選型

溫度傳感器主要分為兩種：數字溫度傳感器和由熱敏電阻電路構成的傳感器。與傳統的熱敏電阻測溫電路相比，DS18B20 數字溫度傳感器可以直接輸出數字信號，可按實際要求通過編程實現9 ～12 位的A/D 轉換精度。DS18B20采用單總線串行接口，具有體積小、功耗低、抗干擾能力強、測量精度高、替換方便等特點，適用于大部分的氣體和液體測溫。故本系統的原油溫度監測節點采用溫度傳感器DS18B20 數字溫度傳感器。

本設計原油溫度監測節點所使用的DS18B20 的TO-92封裝引腳結構見圖4。

2.3 壓力變送器

由于原油的特殊理化特性以及輸油管道內較高的壓力，普通的壓力傳感器無法在該環境下使用，因此本系統使用了為這種環境特殊設計的壓力變送器CYYZ11。該傳感器通過一個惠更斯電橋，被測原油壓力發生變化時，橋臂電阻值隨之發生變化，并產生一個差動電壓信號。經過信號調理后，可以被ESP8266 的片內ADC 采集。壓力信號采集框圖見圖5。

2.4 報警模塊分析與選型

系統的數據異常報警有兩種方式，即郵件報警和現場報警。郵件報警是當云平臺檢測到輸油管道的數據存在異常時，即向用戶郵箱發送報警郵件；現場報警是報警終端子節點接收云平臺服務器下發的報警命令時，控制報警裝置進行報警。報警裝置設置在原油計量站監控室內，為達到明顯報警信號，系統采用聲光報警相結合的方式。燈光報警使用LED 燈亮提醒，聲音報警選用蜂鳴器報警。

3 軟件設計

3.1 物聯網云平臺設計

OneNET云平臺是中國移動推出的物聯網開放云平臺，其具有非常完善的開發文檔，具有開發成本低、穩定性強、周期短等優點[6]。OneNET 平臺的所有服務均為免費開放，大大節省了開發者的成本，開發過程中只需要根據OneNET 云平臺的使用規范接入云平臺，添加設備，上傳數據，系統里所有上傳的數據均存儲在云端。平臺還提供觸發器功能，可以將滿足條件的數據主動推送給第三方。

3.2 ESP8266 模塊程序設計

ESP8266 模塊連接Wi-Fi 網絡流程圖見圖6。

在程序設計中，采用了Wi-Fi 一鍵配網（smartconfig）技術，在手機客戶端輸入路由器Wi-Fi 名（SSID）和密碼（psw）后，手機會在空中發送無線廣播，在ESP8266 模塊收到廣播后嘗試使用psw 不斷去連接Wi-Fi 名為SSID的路由器，連接成功后就會返回信息給手機客戶端通知配網成功。因此只要系統上電，ESP8266 模塊就能自動連接Wi-Fi 網絡。

3.3 傳感器軟件驅動設計

3.3.1 數字溫度傳感器

數字溫度傳感器DS18B20 在使用前要先進行初始化。ESP8266 需先拉低總線至少480 μs 產生復位脈沖，然后釋放總線，如果這條總線上存在可用的DS18B20，總線會返回一個低電平脈沖，表明DS18B20 已經建立好連接可以運行。收到應答脈沖后發送搜索ROM 指令F0H，搜索到

DS18B20 傳感器ID 號后發送讀取溫度指令BEH，搜索讀取反復進行，待傳感器數據讀取完畢后，一次溫度采集流程結束。ESP8266 與DS18B20 通信流程見圖7。

3.3.2 壓力變送器

壓力變送器CYYZ11 有3 種輸出方式：4 ～20 mA 兩線制電流輸出、RS485（標準Modbus-RTU 協議）輸出以及0～10 V、0 ～5 V、1 ～5 V、0.5 ～2.5 V DC 模擬信號輸出。ESP8266 模塊無法兼容電流信號輸出方式，RS485 協議需要在單片機與壓力變送器之間連接串口轉RS485 模塊，電路較為復雜。而ESP8266 模塊集成了一個通用的10 bit 精度的ADC，可檢測的模擬輸入電壓范圍在0 ～1 V，可以檢測傳感器輸出的電壓信號，因此本設計選用壓力變送器CYYZ11 的模擬電壓輸出方式。因輸出信號的電壓超過了ADC 的最高輸入電壓，還需一個分壓電路起到降壓的作用，分壓電路見圖8。

采用CYYZ11 的0 ～5 V 電壓輸出，用分壓電路將輸入ESP8266 模塊引腳的電壓降為0 ～1 V，ESP8266 模塊讀取電壓值后，會自動將其轉換為壓力值。

4 云平臺設計

本文所搭建的云平臺見圖9，該平臺共集成了兩個溫度傳感器節點和兩個壓力傳感器節點，均可以正常工作。由于有一路溫度傳感器溫度高于76 ℃，觸發了報警指示。以上現象說明了本文對原油集輸系統的智能化改造是成功和有效的。

5 結語

本文根據對傳統的原油集輸系統進行了智能化改造，將E S P8266 與數字溫度傳感器D S18B20 和壓力變送器C Y Y Z11 相結合，并且利用中國移動推出的OneNET 物聯網云平臺，實現了實時數據監測，有效解決了人工操作的測量繁瑣、測量誤差大等問題。采用該系統實時獲取的檢測數據，并配合相應的校準算法，能夠有效地降低原油集輸過程中的輸差，對于企業的發展具有重大意義。