基于WSN的天然气管道压力预警监测仪装置设计

陈星玮+王学军+张+毅

摘 要：天然气管道的压力预警监测仪装置设计是实现天然气在管道中安全传输的关键。提出一种基于无线传感器网络（WSN）的天然气管道的压力预警监测仪设计方法，设计了天然气管道压力信号采集和预警识别算法，采用最小方差响应不变波束形成进行压力信号识别。进行监测仪系统硬件模块设计，设计压力传感器运算放大器电路，基于WSN实现天然气管道压力预警监测仪的改进设计。系统测试结果表明，该监测仪表装置能准确采集天然气管道压力信号，能提高对天然气管道压力信号的采集识别性能，为实现天然气管道压力预警监测仪提供准确的数据基础，监测仪装置能实现对管道内的各种参数的全面、实时、动态的监控。

关键词：WSN;天然气管道;仪表;压力预警

中图分类号：TH702                     文献标识码：A       文章编号：2095-1302（2015）01-00-02

0  引  言

无线传感器网络（Wireless Sensor Network， WSN）是由一组部署在被监测区域内、尺寸小、能耗低和价格低廉的传感器节点构成。引入WSN技术，对天然气管道的压力进行原始数据采集和信息处理，实现对天然气管道压力和预警和监测，具有可行性。天然气管道传输过程中，管道内的压力大，准确监测是保证天然气管道安全运行的关键[1]。研究基于WSN的天然气管道压力预警监测仪器仪表装置的设计，具有重要意义和工程价值[2]。

传统模型中，常见的天然气管道压力测量方法采用调制压力数据源产生周期性高低频压力信号，但仅能测试天然气管道的局部压力，且不能用于研发时的调试，并且都需要配备专门的AD采集卡、计算机等，因此体积庞大、不适合携带、不适用于野外作业[3-5]。本文对传统的天然气管道的压力预警监测仪进行改进设计，基于WSN传感器网络模型，对压力预警监测仪系统进行硬件模型设计和软件算法设计，通过网关技术实现对天然气管道压力数据的融合和实时采集，然后进行上位机控制程序的设计，保证了实时数据采集的可靠性及有效性，最后通过系统测试方法进行性能验证，得到有效结论。

1  WSN的体系结构与系统总体模型设计

1.1  天然气管道压力信号采集WSN体系结构

本文设计天然气管道的压力预警监测仪，原始信号模型是来自于WSN网络分布在各个野外管道节点终端的传感器进行压力信号，在WSN中，传感器节点是传感器网络最基本的组成单元，它具有传感、信号处理和无线通信能力。通过传感器节点实现对天然气管道压力信号的原始信息采集。传感器节点通常由传感器模块、处理器模块、电源模块和无线通信模块组成。天然气管道压力信号采集传感器节点的系统设计如图1所示。

图1  天然气管道压力信号采集传感器节点框图

WSN 网络中，各个节点都可以实时采集管道中的气体压力、温湿度等环境参数信息。本文设计的新方案在协调器往下都采用无线通信技术，每增加一块监控区域，仅添加路由节点便可实现，可移动性好、维护方便。

1.2  天然气管道压力信号采集和预警识别算法

在上述设计的WSN网络系统中，对各个传感器节点采集的压力信号进行识别和处理，作为压力预警监测仪装置设计的软件核心。本文采用最小方差响应不变波束形成算法对压力信号进行识别处理，改进对天然气远程传输过程中的管道压力信号采集识别，描述天然气管道压力情况的动态变化矩阵记为：

R=E[z（t）zH（t）]=BPSBH+σ2n    IM                      （1）

天然气管道压力的动态变化的加权向量为二阶矩形式：

E[stskH]=PSδ（t，k），E[ntnkH]=σ2n    IMδ（t，k）               （2）

天然气管道压力信号的信息呈现一种均匀分布，均匀分布矩形阵列最小方差为矩阵Q1（θ），非负定的共轭对称矩阵在x轴方向的阵元间距dx，y轴方向的阵元间距为dy，由此得到了管道传输天然气过程中的管道压力信号的最小方差响应不变波束形成结果为：

（3）

通过各种传感器实时采集管道中的压力信息，其中采集压力信号的功率谱密度为：

dx=dy=λ/2                                        （4）

考虑远程传输过程中的天然气管道压力受到WSN的传感采集精度的影响，进行最小方差响应不变误差补偿，得到输出的天然气管道压力信号的波束形成结果为：

a（θ）=[1，e-jπsin θ，e-j2πsin θ，…e-j（M-1）πsin θ ]T                （5）

综上可见，采用本文提出的最小方差响应不变波束形成，能提高对天然气管道压力信号的采集识别性能。

2  监测仪系统硬件模块设计关键技术

根据上述网络模型设计和算法改进设计，得到了天然气管道压力信号的采集识别的算法实现思路，以此为基础，设计基于WSN的天然气管道压力预警检测仪的系统模块。所设计的天然气管道压力检测系统软件实现的基本功能包括：A/D模数转换程序、采样数据处理、可控频率幅度信号发生器程序、衰减器控制、键盘控制、显示器控制、DSP与FPGA通信等。当telosB模块需要采集压力数据时，会发出一个控制信号，传感器板收到这个信号时，就会先打开传感器板和运算放大器，不同位置的压力传感器可以采集到不同的压力信号，微处理器对采集的压力信号进行处理，如果存在异常压力信号，则微处理器将异常压力信号通过调制解调器传输到地面上的监控中心，据此本文设计的传感器板运算放大器电路图如图2所示。

图2  压力传感器运算放大器

WSN的终端节点向无线路由器发送连接指令，等路由器进行确认后，压力检测系统融入无线传感器WSN网络。当定时器触发后，会启动压力传感器的采样：

event void Check.fired（） {

call ReadStream.postBuffer（pressureSamples， PRESSURE_SAMPLES）;

call ReadStream.read（PRESSURE_INTERVAL）;

}

采集完管道中的天然气压力数据后，运行一个任务，将数据发送至基站。

3  实验与结果分析

为了测试本文设计的基于WSN的天然气管道压力预警监测仪表装置的系统性能，进行系统测试与仿真实验，设定均匀矩形阵方位角θ从0°，30°，60°和90°进行天然气管道压力信号采集，并在WSN中进行波束形成实验，得到采集到得到的天然气管道压力信号如图3所示。实验时，将WSN终端节点放在天然气管道里，模拟天然气管道收到的压力，从图中可知，接收到的管道压力信号实时准确，采用本文设计的最小方差响应不变波束形成，能提高对天然气管道压力信号的采集识别性能。为实现天然气管道压力预警监测仪提供准确的数据。

图3  压力信号采集处理输出结果

把上述采集的压力信号输入到本文设计的压力预警监测仪中，得到监测仪的界面的输出结果如图4所示。

图4  修改配置表传感器进行各种应用开发界面

点击左边的alert表，可以查看报警记录，其中ID表示报警的压力传感器编号，time表示报警的时间，description表示报警的类型，它是由系统定义的。图5为预警监测仪的输出结果，其中index表示历史记录序号;maxVoltage表示允许的最大压力;minVoltage表示允许的最小压力;lostPeriod表示如果指定时间内没有采集到相关传感器的压力数据，则报警;mine表示管道;work表示工作面号。通过分析可见，采用本文设计的监测仪可以实现对管道内的各种参数的全面、实时、动态的监控，通过485网络或者以太网将数据上传至井上远端的计算机，及时掌握管道压力状态。

4  结  语

在西气东输工程中，天然气通过管道进行传输，管道内的压力大准确监测是保证天然气管道安全运行的关键。本文对传统的天然气管道的压力预警监测仪进行改进设计，提出一种基于无线传感器网络（WSN）的天然气管道的压力预警监测仪设计方法。研究得出，本文设计的压力预警监测仪装置能准确采集天然气管道压力信号，实现对管道内的各种参数的全面、实时、动态的监控。

图5  压力预警监测输出结果

参考文献

[1]杨明，郝亮，徐殿国.基于自适应陷波滤波器的在线机械谐振抑制[J].哈尔滨工业大学学报，2014，46（4）：63-69.

[2]王瑞，马艳.基于分数阶傅里叶变换的线性调频脉冲信号波达方向估计[J].兵工学报，2014，35（3）：421-427

[3]朱彦松，窦桂琴.一种基于多维度信任的WSN安全数据融合方法[J].武汉大学学报（理学版）， 2013， 59（2）：193-197

[4]徐晓斌，张光卫，孙其博，等. 一种误差可控传输均衡的 WSN 数据融合算法[J]. 电子学报， 2014， 42（6）：1205-1209.

[5]张子龙，薛静，乔鸿海，等.基于改进 SURF 算法的交通视频车辆检索方法研究[J].西北工业大学学报，2014，32（2）：297-301