基于多傳感器的閥室環(huán)境參數(shù)檢測系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

摘 要：針對油氣管線所處位置偏僻、線路過長導(dǎo)致閥室分散，無法及時檢測閥室環(huán)境參數(shù)的問題，文中設(shè)計了一款基于多傳感器的閥室環(huán)境參數(shù)檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)由溫濕度傳感器（DHT11）、智能煙感探測器、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，若測得的數(shù)據(jù)超過閾值，則云平臺將第一時間發(fā)送短信通知工作人員，便于工作人員及時采取科學(xué)有效的措施進(jìn)行處理，避免造成重大安全事故。經(jīng)驗證，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定，能夠有效檢測閥室各項環(huán)境參數(shù)，節(jié)省了大量人力、物力、財力，具有良好的社會效益與經(jīng)濟效益。

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

中圖分類號：TP212 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）07-0-03

0 引 言

閥室是長輸油氣管道的重要組成部分，具有截斷、分輸?shù)裙δ埽潜Ｕ戏侄巫鳂I(yè)順利進(jìn)行與工作人員人身安全的重要節(jié)點。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，對閥室管理的自動化要求逐步提升。近年來，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)境千差萬別，且大多數(shù)閥室處于偏僻地區(qū)，自然環(huán)境惡劣，無人值守，導(dǎo)致工作人員無法實時掌握閥室的運行狀態(tài)，只能采用人工巡線的方式定期檢查，以排除故障。這種方式費時費力，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[1]，影響運行調(diào)控，提高閥室環(huán)境參數(shù)的遠(yuǎn)程監(jiān)測能力是油氣管道自動化管理的當(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)檢測系統(tǒng)由溫濕度傳感器（DHT11）、智能煙感探測器、人體紅外感應(yīng)模塊、ZigBee模塊等組成，用于檢測閥室的環(huán)境參數(shù)，若出現(xiàn)環(huán)境參數(shù)異常等現(xiàn)象，云平臺將第一時間通知相關(guān)負(fù)責(zé)人，具有高效、便捷的特點。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，如溫濕度傳感器（DHT11）、智能煙感探測器、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。

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

（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)存儲到數(shù)據(jù)庫中，可通過網(wǎng)頁進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢及可視化展示，使用者也可通過手機端進(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)字信號輸出且集濕溫度監(jiān)測于一體的數(shù)字傳感器，由一個電阻式測濕元件和一個NTC測溫元件組成。該傳感器與一個高性能8位單片機相連，通過搭建微處理器電路即可實時采集機電柜的濕度和溫度信息[2]。DHT11與單片機間借助I/O口通信，可將傳感器采集的溫濕度數(shù)據(jù)（共計40 bit）傳至單片機。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），適用于閥室等場景。DHT11溫濕度傳感器接線圖如圖2所示。

2.2 智能煙霧探測器

智能煙霧探測器具有布設(shè)簡單、性價比高等優(yōu)點，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)的獨立式煙霧探測器存在布線繁瑣、誤報率高、實時性差等缺陷，導(dǎo)致其無法應(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器。該探測器擁有3C消防認(rèn)證，可360°探測煙霧且續(xù)航時間長，能夠確保在無人值守的閥室實現(xiàn)24小時火災(zāi)監(jiān)測[3]。這款智能煙霧探測器的工作溫度范圍為-10～50 ℃，功耗低，其靜態(tài)電流小于15 μA，探測面積達(dá)40 m2；同時能夠消除因蚊蟲、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)整煙感報警器的感知門限及背景閾值，大幅降低該煙霧探測器因環(huán)境因素引起的火災(zāi)誤報率[4]。

若閥室中的煙霧探測器檢測到空氣中的煙霧濃度升高且超出閾值后，會第一時間通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)將測量數(shù)據(jù)上傳至云平臺，由云平臺發(fā)送短信告知負(fù)責(zé)人，負(fù)責(zé)人可以及時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、可靠性強等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化控制領(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，延時時間段結(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，直至人員離開后，高電平變?yōu)榈碗娖健?/p>

HC-SR501人體紅外感應(yīng)模塊實物如圖3所示。

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

ZigBee模塊選用以CC2530為主控芯片的開發(fā)板，其擁有256 KB程序存儲器和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，CC2530擁有不同的運行模式，完全滿足超低功耗系統(tǒng)的運行要求。

ZigBee的組網(wǎng)過程如下：

（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

（Full Function Device， FFD）在網(wǎng)絡(luò)中是否已存在協(xié)調(diào)器，之后通過主動掃描發(fā)送信標(biāo)請求命令。若在掃描期限內(nèi)未檢測到信標(biāo)，則建立ZigBee網(wǎng)絡(luò)。完成信道掃描，對指定的信道或者默認(rèn)信道進(jìn)行能量檢測以避免可能的干擾，之后搜索節(jié)點通信半徑內(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，不會與其他ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)生沖突，同時還應(yīng)注意，不能使用保留地址0xFFFF。

（2）節(jié)點入網(wǎng)。查找網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，通過主動掃描，獲得協(xié)調(diào)器相關(guān)信息，發(fā)出連接請求，若未檢測到，則間隔固定時間后再次掃描；向協(xié)調(diào)器發(fā)送關(guān)聯(lián)請求命令，協(xié)調(diào)器收到后回復(fù)ACK，同時向上層發(fā)送連接指示原語；等待協(xié)調(diào)器處理，若協(xié)調(diào)器資源充足，其將為節(jié)點分配一個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，此時節(jié)點成功與協(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)請求命令，待協(xié)調(diào)器收到該命令且回復(fù)ACK后，將存儲的關(guān)聯(lián)響應(yīng)命令發(fā)送至節(jié)點；節(jié)點收到關(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)器的短地址和擴展地址，MLME向上層發(fā)送連接確認(rèn)原語，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)點入網(wǎng)；（2）發(fā)送數(shù)據(jù)：發(fā)送節(jié)點通過調(diào)用無線數(shù)據(jù)發(fā)送函數(shù)來發(fā)送數(shù)據(jù)；（3）接收數(shù)據(jù)：接收節(jié)點調(diào)用無線數(shù)據(jù)接收函數(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)接收。

為了成功連接云平臺，首先將ZigBee模塊的串口與STM32單片機的串口連接，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、密鑰、端口等。完成上述操作并生成API密鑰后即可創(chuàng)建項目，添加設(shè)備[13-14]。

4 系統(tǒng)測試

為驗證系統(tǒng)的靈敏性和穩(wěn)定性，挑選在29#閥室、30#閥室、44A#閥室的機柜處各進(jìn)行高溫?zé)熿F測試3次，入侵檢測3次，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)均能迅速反饋預(yù)警，識別準(zhǔn)確率達(dá)100%，完全可滿足環(huán)境信號檢測及時反饋的需求。

5 結(jié) 語

針對輸油氣管線長、閥室多、人工巡線管理低效的現(xiàn)狀，文中設(shè)計了一款基于多傳感器的閥室環(huán)境參數(shù)檢測系統(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了解閥室的運行狀態(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奠定了堅實的基礎(chǔ)。

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