基于蓝光检测技术的近海航道溢油 监测系统设计与应用

戴星

摘 要：海上溢油会对海洋环境和社会环境造成危害和影响，其不仅会对整片海域的生态环境造成直接性的破坏，也会对国家社会经济和人体健康造成一定程度的威胁。因此，提出了一种简单、全天候近海航道溢油监测系统，该系统由溢油监测传感器、控制器及数据中心组成。相比卫星遥感等大型监测系统，本系统具有组网灵活简单，性价比高，方便维护，节点增减自主性强等特点，对于近航道的溢油监测特别适用，也可用于河道或江道的溢油监测。

关键词：蓝光检测技术;溢油监测;ZigBee

中图分类号：TH39 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2019）01-0025-04

Design and Application of Oil Spill Monitoring System for

Offshore Waterway based on Blu-Ray Detection

DAI Xing

（Mianyang Polytechnic，Sichuan Mianyang 621000）

Abstract： Oil spill at sea will do harm to the marine environment and social environment. It will not only cause direct damage to the ecological environment of the whole sea area， but also pose a certain degree of threat to the national social economy and human health. Therefore， a simple and all-weather oil spill monitoring system for offshore waterways was proposed， which consisted of oil spill monitoring sensors， controllers and data centers. Compared with satellite remote sensing and other large-scale monitoring systems， this system has the characteristics of flexible and simple network， high cost-effective， convenient maintenance， strong autonomy of node increase and decrease， and is especially suitable for oil spill monitoring in near-sea channel， and can also be used for oil spill monitoring in river or river channel.

Keywords： blue light detection technology;oil spill monitoring;ZigBee

目前，隨着人们对能源需求量的增加，我国在海洋领域中的石油开发不断深入。由于石油能源的开发、运输、储存等多方面原因，会导致在海洋领域中出现溢油现象。据统计，我国从1973—2008年出现的溢油事故大约有3 000起，其中50 t之上的溢油事故约为70起，实际溢油量大约达到37 000 t，这些溢油事故不仅会造成经济上的损失，也会威胁到海域附近的旅游胜地。因此，对近海航道展开实时监测是解决溢油事故的关键。

1 近海航道溢油监测的主要模式

1.1 卫星遥感监测模式

卫星遥感监测模式主要是将人造卫星作为监测平台，充分利用人造卫星所搭载的遥感传感器，对地球表面的地物电磁波展开探测，并对探测到的相关信息数据进行分析与处理，最终识别出物质的状态与性质，属于一种较为综合的技术。这种监测模式是在20世纪60年代左右发展起来，到80年代时有很多国家和地区开始发射属于自己国家的人造卫星。例如：法国、欧洲、印度等。这种监测模式拥有监测范围较大、信息数据易处理、连续监测等特点，所以在西方国家环境监测中的实际应用较为广泛[1]。

1.2 航空遥感监测模式

航空遥感监测模式主要可以分为两种方式[2，3]，分别是航空遥感与航空观测。航空遥感监测模式主要是指在航空器中安装相关设施与传感器，使其在空中对海面的溢油状况展开大范围的连续监测，是海洋环境监测中较为关键的方式之一，也是经济发达国家对海洋展开实时监测的主要方式。它在效率、速度、范围以及分辨等多方面的优势较强，当海面出现溢油现象时，能够及时确定被污染的实际范围，也能够对溢油事故的扩散方向展开预测。我国在这方面的研究较晚，虽然已配置了海巡飞机，但由于其中的设施较为简单，因此不能全天对近海航道的溢油现象展开识别。

1.3 巡逻船监测模式

巡逻船监测模式通过充分利用航海雷达与反射信息的处理系统，对海面的溢油现象展开遥感监测。大约在20世纪80年代，美国、俄罗斯、加拿大等国家采用X波段的雷达对海面展开了多次试验，由加拿大分别在两艘船舶中安置型号不同的雷达展开试验，获得的成果十分可观，最终确定将船舶中的雷达与岸基上的雷达相互结合，监视海面中出现的溢油状况。我国在设计长传船舶时，公国石油化工集团、中海油田服务股份等公司分别设计了一艘溢油巡逻船，在设计巡逻船的过程中，采用的全部是荷兰雷达的溢油监测系统，由中海油田服务股份有限公司设计的巡逻船已正式投入应用。

2 溢油监测系统

本系统由溢油监测传感器、低功耗控制器、ZigBee无线传输组成。本文中全天候溢油监测传感器是溢油监测系统的核心原件。它必须要准确判别出是否有溢油现象的发生，还要保证全天候工作。

2.1 传感器系统设计

本传感器由激发光源、过滤装置、光感探测器以及调理电路等部分组成，安装在离水面一定距离进行监测。这种非接触形式的安装方式避免了水生污染，使得测量更加准确;同时，也可避免过路船的干扰和破坏。其系统架构见图1。

<C：＼Users＼hnkj＼Desktop＼河南科技（创新驱动）2019年第01期_103595＼Image＼9$9）GQ3823E95RCBJ@～`XSU.png>[传感器

控制系统][紫外光

发射器][蓝光

接收器][聚光片][滤光片][油膜]

图1 传感器系统结构图

根据传感器设计要求，紫外光发射器选择了L46系列闪烁氙灯及组件，该发射器闪光有频率高、亮度高、能耗少、体积小、寿命长以及紫外光波长集中等特点。蓝光接收器选择了H10722光点倍增管及组件，该蓝光接收器具有增益高、灵敏度高、偏置电压低以及纹波低等特点。溢油传感器见图2。

<F：＼欢欢文件夹＼201904＼河南科技201901＼河南科技（创新驱动）2019年第01期_103595＼Image＼image2_1.jpeg>

（a） 正面

<F：＼欢欢文件夹＼201904＼河南科技201901＼河南科技（创新驱动）2019年第01期_103595＼Image＼image3.jpeg>

（b） 侧面

图2 溢油监测传感器

2.2 控制模块

本系统控制模块选用CC2530模块，该模块有多种无线传输协议，可以建立强大的无线网络，方便单个溢油监测系统的组网管理;同时，该模块还有增强型8051CPU和多种工作模式，方便系统编程，实现工作模式的转换。为了满足低功耗工作模式和正常工作模式，本控制器設置了两套时钟系统，一套32MHz的晶体振荡电路;另一套用于低功耗模式下的32.768kHz的晶体振荡电路。时钟系统电路如图3所示。

控制器处理流程分工作模式1和工作模式2。传感器信号通过P2.0与芯片连接。在工作模式1状态下连续采集10次数据经A/D转换后，进行对比，小于阈值，继续循环执行采集转换比对程序;当采集数据大于阈值时，启动工作模式2。存储10次数据平均值，再执行2次循环采集，对比3次数据平均值，如数据均大于阈值且其值相近，则判定有溢油现象发生。收集首次发生数据的时间，本节点地址、连续数据及报警控制信号整理成数据包备份并发送。考虑到掉电后数据丢失的情况，CC2530还接了一个AT24C04电可擦芯片，AT24C04的SDA和SCL脚分别与CC2530的P1.0和P1.1相连，数据先通过IIC协议传送给AT24C04，再启动ZigBee传输数据给数据中心，并控制区域报警装置工作。区域报警装置安装在近航道监测区域的临近码头上，属于ZigBee无线网络中的一个节点，由硬件电路和报警设备构成，工作原理是当装置接收到报警信号后，启动报警铃声和报警闪烁灯，通知码头工作人员尽快做出处理，防止溢油事故扩大。

2.3 ZigBee无线传输技术

ZigBee是Zigzag和Bee蜜蜂的合成词，ZigBee技术是一种个域网协议，主要以IEEE802.15.4为指标，并且适合无线连接、低功耗、低数据传输速率、低成本、低复杂度类型的检测与调控的综合系统[4，5]。相比常用无线通信标准，ZigBee无线传输网络更适用于传感器采集与控制系统，要求系统资源占用小、传输功耗低、待机时间长以及星状片状高容量组网。常用无线传输与ZigBee对比见表1。根据ZigBee传输特点，故本系统采用ZigBee技术来实现溢油数据的传输。

表1 ZigBee无线传输与其他数据传输

[传输内容 GPRS WiFi ZigBee 应用 声音、数据 Web、视频 监测、控制 系统资源 ≥16MB ≥1MB 4～6KB 电池寿命 1～7d 0.5～5d 100～1 000d 传输范围 ≥1km 1～100m 1～100m ]

本系统ZigBee硬件外围电路见图3。由于本系统应用场所是比较空旷的码头，所以ZigBee组网采用星型结构，一个FFD中心节点和几个RFD终端节点，其结构见图4。

<C：＼Users＼hnkj＼Desktop＼河南科技（创新驱动）2019年第01期_103595＼Image＼B～EQWMLWV_$EG$XX7%0NYWY.png>[RFD][RFD][RFD][FFD][RFD]

图4 星型网络结构

数据中心配置FFD中心节点，起协调器作用，搜索频段内空闲的信道，建立ZigBee网络，等待终端节点加入，当有节点加入网络时，收集信息传入上位机，并根据上位机命令将控制信号发送给终端节点，控制终端执行报警命令。每一个溢油监测点设置一个RFD终端节点负责数据的发送与FFD通信，区域报警装置设置一个终端节点，用于区域报警。当需要数据传输时，节点会发送一个命令的格式包，等待FFD节点反应，当FFD节点返回值为请发送格式包时，终端节点即可发送数据包。其发送数据流程见图5。

<F：＼欢欢文件夹＼201904＼河南科技201901＼河南科技（创新驱动）2019年第01期_103595＼Image＼XFG0（{5K%PW0BNGX]LG（AIJ.png>[开始][采集溢油数据][判断是

否溢油][CC2530模式设置][判断计数][判断计数次数][>10次][整理打包数据][发送数据包请求][收到应答][发送数据][切换CC2530工作模式][Y][N][判断是

否溢油][存储数据]

图5 终端节点控制流程图

FFD节点与上位机通过RS485通信，上位机软件用于内置通信协议的组态王软件编写而成，其功能主要有显示当前各终端节点状况，有状况显示为红色报警灯，无状况为绿色灯表示在线，另一个功能则是历史数据查询，见图6。

<F：＼欢欢文件夹＼201904＼河南科技201901＼河南科技（创新驱动）2019年第01期_103595＼Image＼image7_1.png>

图6 历史数据查询界面

3 结论

本系统已通过了实验室测试，下一步将在宁波港码头中试用一段时间。相比卫星遥感等大型监测系统，本系统具有组网灵活简单、性价比高、维护方便等优点，可根据需要增加终端节点自主性强等特点，开发的溢油信息管理软件，方便海事监管工作人员对现场油污染状况的监视，查询历史信息，足不出户就可了解现场信息，丰富了数字化海事的内容，对于近航道的溢油监测特别适用，也可用于河道或江道的溢油监测。

参考文献：

[1]王良成.基于Zigbee的近海水环境监测系统设计[J].实验室科学，2016（1）：68-72.

[2]安居白.航空遥感探测海上溢油的技术[J].交通环保，2002（1）：24-26.

[3]Björn Looström.Swedish Remote Sensing Systems for Oil Spill Surveillance at Sea[J].Oil & Petrochemical Pollution，1983（4）：235-241.

[4]刘培学，陈玉杰，姜宝华.基于ZigBee技术的可组网环境监测系统设计[J].现代电子技术，2017（21）：27-30.

[5]张云勇.房秉毅基于物联网的智能家居技术标准化现状及发展建议[J].移动通信，2010（15）：31-35.