油库油品泄漏监测系统中传感器节点设计研究

吴忠,褚成浩

（中海石油宁波大榭石化有限公司，浙江宁波315812）

燃气是我国重要能源之一，当其发生泄漏时，容易带来爆炸与火灾，对人类生命和财产造成了严重威胁[1]。所以，如何防止燃气泄漏成为了当前重点解决问题。目前，油库中油罐、管道、控制阀门、各个储油区连接处发生油品泄漏情况比较多，主要原因包括设备密封性能较差、错误操作等[2，3]。为了及时发现油品泄漏问题，采取有效处理，需要在容易发生油品泄漏位置安装监测装置，起到实施监测作用，本文着重探究监测系统中传感器节点设计方案。

1 油库油品泄漏监测集气装置结构设计及传感器模块配置

1.1 传感器模块需求分析及传感器模块配置

本研究以航空燃油油品为例，探究油气泄漏监测系统中传感器节点布设方案。由于此类油品中由多种气体组成，以芳香烃类物质为主，所以本研究选取PID探测器作为监测装置。该装置支持芳香烃有机物电离，作业期间两个电极产生电流，其他惰性气体、CO2、O2不会受环境影响发生电离。其作业原理是将信号采取放大处理，经过转换处理输出的数据与浓度相关，利用单片机对输出数据进行二次处理，从而获取油品泄漏浓度值[4]。在PID检测装置的作用下，能够在不破坏气体的情况下获取原有气体浓度信息[5]。所以，PID探测器比较适合应用于油品泄漏监测系统开发中。

由于探测器需要准确检测有机混合物，从功耗、灵敏度、检测范围等多项指标综合考虑，选取型号为APP6018001装置作为探测器。该装置作业电流范围20～40mA，电压范围3.2～10V，输出模拟信号0.05～2.5V，3s内完成响应。其中，模拟信号将输送到单片机中，利用A/D转换模块处理，得到数据信号，作为油品泄漏判断依据[6]。

1.2 油库油品泄漏监测集气装置结构

当油气处于露天环境时，油气扩散方向及程度容易受环境气候影响，不利于油品泄漏监测，油气泄漏不严重情况下监测结果不准确[7]。为了提高装置监测灵敏度，需要添加一套高效气体收集装置，对该装置的探测器配置要求较高，利用探测器主动采集油气泄漏信息。按照此设计要求，本研究选取PID探测器作为监测装置，设计了一套漏斗形集气装置（见图1）。

图1 系统集气装置

图1中，系统集气装置由集气罩、传感器、气泵、罩壳、太阳面板4部分组成，选取ZPP6018001型号PID探测器作为监测工具，安装于气泵与漏斗之间。

该设计方案中集气装置存在以下三个特点，能够彰显出本装置设计方案优势：1）以漏斗形装置布设，可以大大提高气体汇入性能；2）该装置采用微型气泵作为气体汇入控制装置，功耗较低，吸入气体作业效率较高，测量稳定性较强；3）装置管道以变截面为主，通过控制气压，使得气体在检测室快速扩散，以此提高装置检测灵敏度。

关于集气装置气泵的选取，以功耗、外形体积、作业电压、负载电流等作为装置选取参考依据。综合各项需求，选取型号为GminniP-4装置作为微型泵配备材料，其作业功率为150mW，电压3V，负载电流50mA。考虑到本装置在露天环境下温度变化范围比较大，为了避免温度对检测精准度造成影响，本研究选取DS18B20作为温度测量仪器，该仪器测量精度为0.5℃，与现场温度测量需求相符。

2 传感器节点结构设计及工作原理

传感器节点结构以单片机作为控制中心，通过对无线收发模块、电源模块、传感器模块进行有效控制，从而实现油库环境中油品泄漏监测。为传感器节点结构设计方案（见图2）。

图2 传感器节点结构设计方案

图2中，该结构的核心控制器为MSP430F2618单片机，在单片机的控制下，使得各个模块有序作业。另外，选取CC2520模块作为信息发送和接收装置，以无线通信技术作为模块开发工具，以此减少节点信息发送与接收受环境的约束。传感器模块是节点结构的数据来源，利用PID控制器采集环境油品泄漏信息，为了避免数据精准度受环境影响，添加了温度补偿处理，以DS18B20采集到的温度信息作为补偿计算依据。结构中各个模块作业均依靠电源模块提供电能，根据设备作业供电电压需求不同，利用电压装换装置调节供电电压。

本设计方案采用周期循环作业管理模式，对油库环境中油品泄漏情况进行实时监测。工作原理为：在单片机作用下，开启气泵作业模式，而后下达传感器作业命令，利用PID传感器采集环境中的油品气体信息，利用温度传感器采集环境温度信息，利用后者采集到的信息，对前者气体检测结果进行温度补偿处理，在A/D转换作用下得到数据信号。将此数据与设定阈值范围进行对比，如果超出范围，则油品异常，反之，油品正常。如果检测结果为异常，关闭气泵，向管理中心发送油品异常信号，等待处理命令的下达。如果检测结果为正常，同样关闭气泵，向管理中心发送油品正常信号，结束本次监测操作，开启下一时段油品监测。按照此作业过程循环监测，从而实现油库现场油品泄漏实时监测。

3 单片机控制系统与传感器节点设计

3.1 单片机最小系统

本系统选取MSP430F2618单片机作为核心控制器，该装置支持4种工作模式，功耗较低，可以在1之内从休眠状态转入作业状态，具有极强的环境时应能力，满足系统开发需求。为单片机最小系统（见图3）。

图3 单片机最小系统

图3中，ADG821模拟控制开关与单片机P1.5接口和P1.6接口连接，作为作业模式模拟控制信号输入端，通过P3.4、UTXD0与PID控制器端口连接，实现油品环境信息采集。将单片机P2.0接口与DS18B20建立连接，为温度补偿处理提供数据，经过单片机内部A/D转换模块进行处理，从无线通信模块将数据传输至油库管理中心。其中，无线模块通信端口与单片机P3和P4接口连接。

3.2 信息采集

本研究方案利用单片机控制传感器作业状态，所以信息采集模块时在单片机的控制下进行作业，切换温度传感器和PID传感器作业状态，使得两种信号从模拟输入端进入单片机，完成信息采集。其中，开启气泵和传感器的控制开关为ADG821，当此开关从断开状态切入到闭合状态时，传感器开始作业。由于传感器输出信号的电压与A/D转换模块作业电压相同，所以省去了信号放大处理环节。

3.3 传感器测量温度补偿

依据PID传感器信号输出精度与环境温度之间的关系，设定传感器温度标定点为20℃。开启温度传感器作业模式后，采集到的环境温度数据会返回单片机，经过A/D转换得到温度数据。单片机程序运行下，自动计算此部分温度数据和标定温度的差值，从而推理出温度与PID传感器数据精度关系，依据温差修正PID输出数据，得到修正值。其中，PID数据修正处理是以软件程序控制的方式，完成了数据补偿处理。

3.4 无线通信设计

由于传感器布设节点数量较多，并且距离监控管理中心比较远，如果采用有线通信模式，不仅会加大通信成本，而且增加维护工作量。因此，本监控系统采用无线通信模式传输油品状态信息。考虑到油库环境较为特殊，容易受大风等天气影响，所以对无线通信装置的作业性能要求极高。另外，为了全面监测油库油品状态，所以需要大面积布设传感器节点，采用组建基站的模式，建立节点网状结构。综合考虑这些需求，本研究方案选取CC2520芯片作为控制装置，设定作业频率为2.4GHz。该作业频率满足IEEE802.15.4通信协议，能够搭建无线射频信息发送与接收链路。其中，单片机与CC2520芯片的SPI接口连接，实现信号传送连接。

3.5 系统供电设计

由于油气泄漏监测系统对供电装置的稳定性、安全性要求较高，所以本研究方案选取锂电池作为供电模块设计材料。目前，我国倡导节能，希望多项操作都可以利用可再生能源供电。因此，本系统供电模块利用太阳能电池板作为供电装置，将太阳能转化为电能。为了充分利用能源，本设计方案添加了充放电控制器，在满足系统装置供电需求的同时，将多余的电量存储在锂电池中。当太阳能不充足时，利用存储的电能供电，以保证系统可以在无阳光或者没有阳光的情况下长时间持续作业。

本供电模块选取TPS63031芯片作为供电状态控制芯片，用于切换模块充放电作业状态。其中，芯片的作业效率为96%，能够在-40～50℃环境下正常作业，输入电压范围1.8～5.5V，输出恒定电压为3.3V，电容为0.4F。为了尽可能减少能量损失，本设计方案添加了2CK9型号开关二极管，支持反向击穿电压、正向降压功能，以此避免能量损失过多。

4 性能测试分析

4.1 信息采集测试

本研究节点设计方案采集信息包括环境温度信息、PID传感器油气浓度信息，后者以经过温度补偿处理后的数据为准，通过对比实际数值和测量数据精准程度，从而判断本方案信息采集性能是否可靠。本次实验组织3次测试（见表1）。其中，温度数据测量精准度不得低于97%，油气浓度测试精准度不得低于96%。

表1 信息采集测试结果

表1中测试结果显示：本设计方案可以准确采集温度信息和油气泄漏浓度信息，精准度皆在97%以上。所以，利用本方案采集到的数据信息可以作为油气泄漏判断依据。

4.2 信息传输测试

无线通信模块作为节点信息传输工具，实现了信息采集的价值，即将油气泄漏信息从现场发送至监管中心，为油库油品管理提供可靠信息，从而实现本方案的应用价值。其中，通信模块信息传输准确性是实现应用价值的关键，本次测试对信息传输精准度进行测试（见表2）。

表2 信息传输测试结果

表2中，3组测试结果均显示无线信息传输模块设计方案可靠，利用该模块可以准确传输油气泄漏相关信息。

4.3 系统供电稳定性测试

系统供电装置作为节点架构中各个设备作业能源供应控制器，其供电稳定性对节点作业影响较大。本次测试以3个连续阴雨天气作为测试环境，检验该装置是否可以满足此条件下的系统供电需求（见表3）。

表3 系统供电稳定性测试结果

表3中测试结果显示：本供电方案支持连续3天阴雨天气供电，供电稳定性较高。

本文以油库油品泄漏问题处理作为研究切入点，提出油气泄漏监测系统中节点设计，根据监测功能、作业环境等需求，合理选取硬件设备，搭建系统节点框架结构。在MSP430F2618单片机控制下，通过PID传感器和DS18B20传感器采集数据信息，作为油气泄漏判断依据。测试结果表明，本设计方案能够精准采集数据信息，传输期间可以抵御环境干扰，支持长期阴雨天连续作业。