基于無線傳感器網(wǎng)絡技術(shù)的液化石油氣鋼瓶管理系統(tǒng)

摘要：針對液化石油氣鋼瓶監(jiān)測的應用需求，設計了一種用于液化石油氣鋼瓶監(jiān)測的無線傳感器節(jié)點，提出了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡枝術(shù)的液化石油氣鋼瓶管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)傳輸層、數(shù)據(jù)處理層及應用終端層組成，可實現(xiàn)對液化石油氣鋼瓶的身份識別、狀態(tài)監(jiān)測、定位及報警等功能。
關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡；管理系統(tǒng)；石油液化氣；鋼瓶

0 引言
    液化石油氣作為一種高效能源，已被廣泛應用于日常生產(chǎn)生活當中。近年來，液化石油氣鋼瓶事故時有發(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、運輸環(huán)節(jié)事故、非法供氣等。目前，針對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和人工巡檢，可靠性差，大規(guī)模檢查需要耗費較多的人力物力，而且效率低、實時性差，發(fā)生事故不能及時報警處理。
    無線傳感器網(wǎng)絡是一種自組織的網(wǎng)絡，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。無線傳感器網(wǎng)絡技術(shù)綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計算技術(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)測點的數(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)絡方式傳送到業(yè)務應用平臺。因此，將無線傳感器網(wǎng)絡技術(shù)用于液化石油氣鋼瓶的實時監(jiān)測，可以彌補傳統(tǒng)人工檢測的不足。
    針對危險品鋼瓶的安全管理，目前已有一些研究。文獻提出了一種針對液化石油氣罐裝生產(chǎn)線進行監(jiān)控的計算機管理系統(tǒng)，并討論了RFID技術(shù)的應用。文獻針對氧氣公司鋼瓶的生產(chǎn)需求設計了一種基于條形碼的鋼瓶管理系統(tǒng)。文獻研究了利用電子標簽條碼對液氯鋼瓶進行信息管理的方法。文獻提出了一種基于Mobitex技術(shù)的液化氣鋼瓶綜合管理系統(tǒng)。本文則設計了一種針對液化石油氣鋼瓶的運輸、充裝、使用全流程監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡管理系統(tǒng)，并給出了集身份識別、狀態(tài)監(jiān)測和定位功能于一體的傳感器節(jié)點設計方法。同時，本系統(tǒng)還具有成本低、部署方便等優(yōu)點。

1 基于無線傳感器網(wǎng)絡的液化石油氣鋼瓶管理系統(tǒng)
    基于無線傳感器網(wǎng)絡的液化石油氣鋼瓶管理系統(tǒng)主要由三個部分構(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)采集層實現(xiàn)前端數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)打包發(fā)送及實地報警功能，采集的物理量包括鋼瓶表面溫度和可燃氣體濃度。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、中繼和網(wǎng)關(guān)設備構(gòu)成。傳感器節(jié)點存儲了鋼瓶的身份信息，并連接了氣體濃度傳感器和溫度傳感器，可以監(jiān)測可燃氣體泄漏情況及鋼瓶表面是否溫度過高。若檢測到有危險情況，可通過蜂鳴器報警。基于RSSI(Received Signal Strength Indic ator)實現(xiàn)對無線傳感器節(jié)點的定位。
1．2 數(shù)據(jù)傳輸層
    數(shù)據(jù)傳輸層實現(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網(wǎng)絡構(gòu)成，如以太網(wǎng)、WLAN、3G網(wǎng)絡、TD—LTE網(wǎng)絡等。本系統(tǒng)采用GPRS網(wǎng)絡進行傳輸。
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)報文，并對數(shù)據(jù)包進行解析、存儲及分析處理。數(shù)據(jù)處理層由數(shù)據(jù)庫服務器、網(wǎng)絡服務器、存儲設備等構(gòu)成。
1．4 應用終端層
    應用終端層通過網(wǎng)絡可以訪問數(shù)據(jù)處理層，實現(xiàn)鋼瓶使用信息和監(jiān)管信息的查閱。應用終端設備包括電腦、手機等訪問終端。政府監(jiān)管部門通過該層可以實現(xiàn)對鋼瓶信息的統(tǒng)一監(jiān)測，普通用戶通過該層實現(xiàn)對自家鋼瓶信息的查詢。

2 用于液化石油氣鋼瓶監(jiān)測的無線傳感器節(jié)點設計
    用于液化石油氣鋼瓶監(jiān)測的無線傳感器節(jié)點是數(shù)據(jù)采集層的關(guān)鍵設備，主要包括傳感器模塊、信號調(diào)理模塊、微處理器模塊、無線通信模塊、報警模塊、電源模塊等，圖2所示是本系統(tǒng)的傳感器節(jié)點結(jié)構(gòu)圖。

    圖2中的傳感器模塊包括可燃氣體傳感器和溫度傳感器，主要用于監(jiān)測可燃氣體濃度和鋼瓶表面溫度。信號調(diào)理模塊用于對傳感器輸出的信號進行放大、隔離、濾波等處理。微處理器模塊包括非易失性存儲器模塊，用于存儲嵌入式軟件程序、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、報警模塊的工作，同時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，并可接收來自中繼或網(wǎng)關(guān)節(jié)點的下行查詢信息，將其送予微處理器處理。電源模塊用于為整個傳感器節(jié)點提供電源。報警模塊用于產(chǎn)生聲光報警信號。
    系統(tǒng)中的存儲器模塊信息由液化石油氣鋼瓶檢查機關(guān)寫入。當檢查機關(guān)檢驗鋼瓶質(zhì)量合格后，為鋼瓶安裝該無線傳感器節(jié)點，并將生產(chǎn)廠商、生產(chǎn)日期寫入非易失性存儲器模塊。鋼瓶檢查機關(guān)對鋼瓶定期檢測合格后，寫入最新的檢測日期。傳感器模塊受微處理器模塊控制對可燃氣體濃度和鋼瓶表面溫度進行采樣?？扇細怏w傳感器將可燃氣體濃度轉(zhuǎn)化為電信號輸出，經(jīng)模擬信號調(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)字信號送予微處理器。微處理器對這兩種信號進行分析處理，經(jīng)無線通信模塊上傳給中繼或網(wǎng)關(guān)節(jié)點，最終傳輸至數(shù)據(jù)中心。若經(jīng)微處理器分析發(fā)現(xiàn)可燃氣體濃度或鋼瓶溫度超出設定閾值，可能發(fā)生爆炸危險時，系統(tǒng)將觸發(fā)報警器進行聲光報警。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)方案
    無線傳感器節(jié)點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USART0將60 KB閃存作為存儲器模塊，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3．3 V電壓為各模塊供電。
    無線傳感器節(jié)點、中繼和網(wǎng)關(guān)采用ZigBee協(xié)議棧，可實現(xiàn)自組網(wǎng)。
    無線傳感器節(jié)點安裝于液化石油氣鋼瓶上，中繼或網(wǎng)關(guān)節(jié)點安裝于小區(qū)樓房、鋼瓶充裝站及運輸干道。當鋼瓶被用戶在家使用、充裝、運輸時，無線傳感器節(jié)點與中繼、網(wǎng)關(guān)節(jié)點組成傳感器網(wǎng)絡。這樣，一方面，網(wǎng)關(guān)可將無線傳感器節(jié)點的數(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)點也會定期下發(fā)鋼瓶查詢信息，當無線傳感器節(jié)點收到查詢信息后，即可將鋼瓶信息上傳，然后經(jīng)中繼、網(wǎng)關(guān)節(jié)點，最終送予數(shù)據(jù)中心。
    無線傳感器節(jié)點的中繼和網(wǎng)關(guān)節(jié)點的位置是固定的，故可以作為參考點，然后基于RSSI實現(xiàn)對無線傳感器節(jié)點的定位，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)庫服務器、網(wǎng)絡服務器、管理服務器，主要實現(xiàn)液化石油氣鋼瓶的檔案管理、充裝站監(jiān)管、鋼瓶運輸車輛在線跟蹤，為應用終端提供網(wǎng)絡訪問服務。

4 結(jié)語
    針對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)絡技術(shù)的液化石油氣鋼瓶管理系統(tǒng)，同時設計了一種用于鋼瓶監(jiān)測的無線傳感器節(jié)點。從而通過無線傳感器節(jié)點實現(xiàn)鋼瓶溫度和氣體濃度信息的檢測，并通過網(wǎng)關(guān)下發(fā)鋼瓶查詢信息、無線傳感器節(jié)點上傳鋼瓶身份信息，以實現(xiàn)鋼瓶信息的自動查詢，實現(xiàn)實時監(jiān)測、自動報警和監(jiān)測數(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。當危險發(fā)生時，一方面，無線傳感器節(jié)點可以自動報警，提醒事發(fā)地人員及時處理；另一方面，監(jiān)控中心也可以通過監(jiān)測到的實時數(shù)據(jù)和定位信息來快速定位事故地點，實現(xiàn)快速搶險，降低事故損失。