引言

液化石油氣作為一種高效能源，已被廣泛應(yīng)用于日常生產(chǎn)生活當(dāng)中。近年來，液化石油氣鋼瓶事故時(shí)有發(fā)生，主要原因有鋼瓶質(zhì)量不合格、液化石油氣泄漏、高溫烘烤、運(yùn)輸環(huán)節(jié)事故、非法供氣等。目前，針對(duì)液化石油氣鋼瓶的安全問題,主要依靠的是使用人員自身的安全意識(shí)和人工巡檢，可靠性差，大規(guī)模檢查需要耗費(fèi)較多的人力物力，而且效率低、實(shí)時(shí)性差，發(fā)生事故不能及時(shí)報(bào)警處理。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種自組織的網(wǎng)絡(luò)，具有部署靈活、組網(wǎng)成本低、數(shù)據(jù)傳輸安全可靠等特點(diǎn)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、分布式數(shù)據(jù)處理技術(shù)和通信技術(shù)，通過感知終端采集監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)通過無線方式被發(fā)送，并以自組多跳的網(wǎng)絡(luò)方式傳送到業(yè)務(wù)應(yīng)用平臺(tái)。因此，將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)用于液化石油氣鋼瓶的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)人工檢測(cè)的不足。

針對(duì)危險(xiǎn)品鋼瓶的安全管理，目前已有了一些研究。文獻(xiàn)提出了一種針對(duì)液化石油氣罐裝生產(chǎn)線進(jìn)行監(jiān)控的計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)，并討論了RFID技術(shù)的應(yīng)用。文獻(xiàn)針對(duì)氧氣公司鋼瓶的生產(chǎn)需求設(shè)計(jì)了一種基于條形碼的鋼瓶管理系統(tǒng)。文獻(xiàn)研究了利用電子標(biāo)簽條碼對(duì)液氯鋼瓶進(jìn)行信息管理的方法。文獻(xiàn)提出了一種基于Mobitex技術(shù)的液化氣鋼瓶綜合管理系統(tǒng)。本文則設(shè)計(jì)了一種針對(duì)液化石油氣鋼瓶的運(yùn)輸、充裝、使用全流程監(jiān)測(cè)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)，并給出了集身份識(shí)別、狀態(tài)監(jiān)測(cè)和定位功能于一體的傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方法。同時(shí)，本系統(tǒng)還具有成本低、部署方便等優(yōu)點(diǎn)。

1基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的液化石油氣鋼瓶管理系統(tǒng)

基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的液化石油氣鋼瓶管理系統(tǒng)主要由三個(gè)部分構(gòu)成，圖1所示是其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

1.1數(shù)據(jù)采集層

數(shù)據(jù)采集層實(shí)現(xiàn)前端數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)打包發(fā)送及實(shí)地報(bào)警功能，采集的物理量包括鋼瓶表面溫度和可燃?xì)怏w濃度。該層主要由安裝在液化石油氣鋼瓶上的無線傳感器節(jié)點(diǎn)、中繼和網(wǎng)關(guān)設(shè)備構(gòu)成。傳感器節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)了鋼瓶的身份信息，并連接了氣體濃度傳感器和溫度傳感器，可以監(jiān)測(cè)可燃?xì)怏w泄漏情況及鋼瓶表面是否溫度過高。若檢測(cè)到有危險(xiǎn)情況，可通過蜂鳴器報(bào)警。基于RSSI（ReceivedSignalStrengthIndicator）實(shí)現(xiàn)對(duì)無線傳感器節(jié)點(diǎn)的定位。

圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2數(shù)據(jù)傳輸層

數(shù)據(jù)傳輸層實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集層和數(shù)據(jù)處理層之間的信息交互，主要包括鋼瓶信息上行傳輸和控制信息的下行發(fā)送功能。該層主要由公共基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，如以太網(wǎng)、WLAN、3G網(wǎng)絡(luò)、TD-LTE網(wǎng)絡(luò)等。本系統(tǒng)采用GPRS網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸。

1.3數(shù)據(jù)處理層

數(shù)據(jù)處理層接收來自數(shù)據(jù)采集層的數(shù)據(jù)報(bào)文，并對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析、存儲(chǔ)及分析處理。數(shù)據(jù)處理層由數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、存儲(chǔ)設(shè)備等構(gòu)成。

1.4應(yīng)用終端層

應(yīng)用終端層通過網(wǎng)絡(luò)可以訪問數(shù)據(jù)處理層，實(shí)現(xiàn)鋼瓶使用信息和監(jiān)管信息的查閱。應(yīng)用終端設(shè)備包括電腦、手機(jī)等訪問終端。政府監(jiān)管部門通過該層可以實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼瓶信息的統(tǒng)一監(jiān)測(cè),普通用戶通過該層實(shí)現(xiàn)對(duì)自家鋼瓶信息的查詢。

2用于液化石油氣鋼瓶監(jiān)測(cè)的無線傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

用于液化石油氣鋼瓶監(jiān)測(cè)的無線傳感器節(jié)點(diǎn)是數(shù)據(jù)采集層的關(guān)鍵設(shè)備，主要包括傳感器模塊、信號(hào)調(diào)理模塊、微處理器模塊、無線通信模塊、報(bào)警模塊、電源模塊等，圖2所示是本系統(tǒng)的傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖。

圖2中的傳感器模塊包括可燃?xì)怏w傳感器和溫度傳感器,主要用于監(jiān)測(cè)可燃?xì)怏w濃度和鋼瓶表面溫度。信號(hào)調(diào)理模塊用于對(duì)傳感器輸出的信號(hào)進(jìn)行放大、隔離、濾波等處理。微處理器模塊包括非易失性存儲(chǔ)器模塊，用于存儲(chǔ)嵌入式軟件程序、鋼瓶的身份信息（包括生產(chǎn)廠商、生產(chǎn)日期、年檢日期）等。微處理器模塊用于控制傳感器模塊、無線通信模塊、報(bào)警模塊的工作，同時(shí)處理傳感器模塊采集的數(shù)據(jù)和無線通信模塊接收的數(shù)據(jù)。無線通信模塊可將來自微處理器的數(shù)據(jù)上傳給中繼或網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，并可接收來自中繼或網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的下行查詢信息，將其送予微處理器處理。電源模塊用于為整個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)提供電源。扌艮警模塊用于產(chǎn)生聲光報(bào)警信號(hào)。

圖2傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)中的存儲(chǔ)器模塊信息由液化石油氣鋼瓶檢查機(jī)關(guān)寫入。當(dāng)檢查機(jī)關(guān)檢驗(yàn)鋼瓶質(zhì)量合格后，為鋼瓶安裝該無線傳感器節(jié)點(diǎn)，并將生產(chǎn)廠商、生產(chǎn)日期寫入非易失性存儲(chǔ)器模塊。鋼瓶檢查機(jī)關(guān)對(duì)鋼瓶定期檢測(cè)合格后，寫入最新的檢測(cè)日期。傳感器模塊受微處理器模塊控制對(duì)可燃?xì)怏w濃度和鋼瓶表面溫度進(jìn)行采樣。可燃?xì)怏w傳感器將可燃?xì)怏w濃度轉(zhuǎn)化為電信號(hào)輸出，經(jīng)模擬信號(hào)調(diào)理模塊處理后，接入微處理器，再經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)送予微處理器處理。溫度傳感器模塊將鋼瓶表面溫度信息轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)送予微處理器。微處理器對(duì)這兩種信號(hào)進(jìn)行分析處理，經(jīng)無線通信模塊上傳給中繼或網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，最終傳輸至數(shù)據(jù)中心。若經(jīng)微處理器分析發(fā)現(xiàn)可燃?xì)怏w濃度或鋼瓶溫度超出設(shè)定閾值，可能發(fā)生爆炸危險(xiǎn)時(shí)，系統(tǒng)將觸發(fā)報(bào)警器進(jìn)行聲光報(bào)警。

3系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案

無線傳感器節(jié)點(diǎn)的微處理器模塊采用TI公司的MSP430F149。MSP430F149是一種16位超低功耗微控制器，其CPU采用16位RISC架構(gòu)，內(nèi)部集成有60KB閃存、2KBRAM、12位A/D轉(zhuǎn)換和2個(gè)USART。將60KB閃存作為存儲(chǔ)器模塊，可用于嵌入式軟件程序和鋼瓶的身份信息（包括生產(chǎn)廠商、生產(chǎn)日期、年檢日期）。無線通信模塊采用ZigBee射頻芯片CC2420，并通過SPI接口與微處理器相連。電源模塊采用電池供電，然后通過電壓轉(zhuǎn)換電路輸出3.3V電壓為各模塊供電。

無線傳感器節(jié)點(diǎn)、中繼和網(wǎng)關(guān)采用ZigBee協(xié)議棧，可實(shí)現(xiàn)自組網(wǎng)。無線傳感器節(jié)點(diǎn)安裝于液化石油氣鋼瓶上，中繼或網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)安裝于小區(qū)樓房、鋼瓶充裝站及運(yùn)輸干道。當(dāng)鋼瓶被用戶在家使用、充裝、運(yùn)輸時(shí)，無線傳感器節(jié)點(diǎn)與中繼、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)組成傳感器網(wǎng)絡(luò)。這樣，一方面，網(wǎng)關(guān)可將無線傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采用GPRS發(fā)送至數(shù)據(jù)中心；另一方面，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)也會(huì)定期下發(fā)鋼瓶查詢信息，當(dāng)無線傳感器節(jié)點(diǎn)收到查詢信息后，即可將鋼瓶信息上傳，然后經(jīng)中繼、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn),最終送予數(shù)據(jù)中心。

無線傳感器節(jié)點(diǎn)的中繼和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的位置是固定的，故可以作為參考點(diǎn)，然后基于RSSI實(shí)現(xiàn)對(duì)無線傳感器節(jié)點(diǎn)的定位,從而確定鋼瓶所在的位置。

數(shù)據(jù)中心主要包括數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、管理服務(wù)器，主要實(shí)現(xiàn)液化石油氣鋼瓶的檔案管理、充裝站監(jiān)管、鋼瓶運(yùn)輸車輛在線跟蹤，為應(yīng)用終端提供網(wǎng)絡(luò)訪問服務(wù)。

4結(jié)語

針對(duì)目前液化石油氣鋼瓶質(zhì)量不合格、液化石油氣泄漏、高溫烘烤、運(yùn)輸環(huán)節(jié)事故、非法供氣等問題，本文提出了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的液化石油氣鋼瓶管理系統(tǒng)，同時(shí)設(shè)計(jì)了一種用于鋼瓶監(jiān)測(cè)的無線傳感器節(jié)點(diǎn)，從而通過無線傳感器節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)鋼瓶溫度和氣體濃度信息的檢測(cè)，并通過網(wǎng)關(guān)下發(fā)鋼瓶查詢信息、無線傳感器節(jié)點(diǎn)上傳鋼瓶身份信息，以實(shí)現(xiàn)鋼瓶信息的自動(dòng)查詢，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、自動(dòng)報(bào)警和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)上傳。本系統(tǒng)安全可靠，免除了人工巡檢工作，節(jié)省了人力物力。當(dāng)危險(xiǎn)發(fā)生時(shí)，一方面，無線傳感器節(jié)點(diǎn)可以自動(dòng)報(bào)警，提醒事發(fā)地人員及時(shí)處理；另一方面，監(jiān)控中心也可以通過監(jiān)測(cè)到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和定位信息來快速定位事故地點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)快速搶險(xiǎn),降低事故損失。

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