基于无线传感器网络技术的液化石油气钢瓶管理系统

摘要：针对液化石油气钢瓶监测的应用需求，设计了一种用于液化石油气钢瓶监测的无线传感器节点，提出了一种基于无线传感器网络枝术的液化石油气钢瓶管理系统。该系统由数据采集层、数据传输层、数据处理层及应用终端层组成，可实现对液化石油气钢瓶的身份识别、状态监测、定位及报警等功能。
关键词：无线传感器网络；管理系统；石油液化气；钢瓶

0 引言
    液化石油气作为一种高效能源，已被广泛应用于日常生产生活当中。近年来，液化石油气钢瓶事故时有发生，主要原因有钢瓶质量不合格、液化石油气泄漏、高温烘烤、运输环节事故、非法供气等。目前，针对液化石油气钢瓶的安全问题，主要依靠的是使用人员自身的安全意识和人工巡检，可靠性差，大规模检查需要耗费较多的人力物力，而且效率低、实时性差，发生事故不能及时报警处理。
    无线传感器网络是一种自组织的网络，具有部署灵活、组网成本低、数据传输安全可靠等特点。无线传感器网络技术综合了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式数据处理技术和通信技术，通过感知终端采集监测点的数据，这些数据通过无线方式被发送，并以自组多跳的网络方式传送到业务应用平台。因此，将无线传感器网络技术用于液化石油气钢瓶的实时监测，可以弥补传统人工检测的不足。
    针对危险品钢瓶的安全管理，目前已有一些研究。文献提出了一种针对液化石油气罐装生产线进行监控的计算机管理系统，并讨论了RFID技术的应用。文献针对氧气公司钢瓶的生产需求设计了一种基于条形码的钢瓶管理系统。文献研究了利用电子标签条码对液氯钢瓶进行信息管理的方法。文献提出了一种基于Mobitex技术的液化气钢瓶综合管理系统。本文则设计了一种针对液化石油气钢瓶的运输、充装、使用全流程监测的无线传感器网络管理系统，并给出了集身份识别、状态监测和定位功能于一体的传感器节点设计方法。同时，本系统还具有成本低、部署方便等优点。

1 基于无线传感器网络的液化石油气钢瓶管理系统
    基于无线传感器网络的液化石油气钢瓶管理系统主要由三个部分构成，图1所示是其系统结构图。

1．1 数据采集层
    数据采集层实现前端数据采集、数据打包发送及实地报警功能，采集的物理量包括钢瓶表面温度和可燃气体浓度。该层主要由安装在液化石油气钢瓶上的无线传感器节点、中继和网关设备构成。传感器节点存储了钢瓶的身份信息，并连接了气体浓度传感器和温度传感器，可以监测可燃气体泄漏情况及钢瓶表面是否温度过高。若检测到有危险情况，可通过蜂鸣器报警。基于RSSI(Received Signal Strength Indic ator)实现对无线传感器节点的定位。
1．2 数据传输层
    数据传输层实现数据采集层和数据处理层之间的信息交互，主要包括钢瓶信息上行传输和控制信息的下行发送功能。该层主要由公共基础网络构成，如以太网、WLAN、3G网络、TD—LTE网络等。本系统采用GPRS网络进行传输。
1．3 数据处理层
    数据处理层接收来自数据采集层的数据报文，并对数据包进行解析、存储及分析处理。数据处理层由数据库服务器、网络服务器、存储设备等构成。
1．4 应用终端层
    应用终端层通过网络可以访问数据处理层，实现钢瓶使用信息和监管信息的查阅。应用终端设备包括电脑、手机等访问终端。政府监管部门通过该层可以实现对钢瓶信息的统一监测，普通用户通过该层实现对自家钢瓶信息的查询。

2 用于液化石油气钢瓶监测的无线传感器节点设计
    用于液化石油气钢瓶监测的无线传感器节点是数据采集层的关键设备，主要包括传感器模块、信号调理模块、微处理器模块、无线通信模块、报警模块、电源模块等，图2所示是本系统的传感器节点结构图。

    图2中的传感器模块包括可燃气体传感器和温度传感器，主要用于监测可燃气体浓度和钢瓶表面温度。信号调理模块用于对传感器输出的信号进行放大、隔离、滤波等处理。微处理器模块包括非易失性存储器模块，用于存储嵌入式软件程序、钢瓶的身份信息(包括生产厂商、生产日期、年检日期)等。微处理器模块用于控制传感器模块、无线通信模块、报警模块的工作，同时处理传感器模块采集的数据和无线通信模块接收的数据。无线通信模块可将来自微处理器的数据上传给中继或网关节点，并可接收来自中继或网关节点的下行查询信息，将其送予微处理器处理。电源模块用于为整个传感器节点提供电源。报警模块用于产生声光报警信号。
    系统中的存储器模块信息由液化石油气钢瓶检查机关写入。当检查机关检验钢瓶质量合格后，为钢瓶安装该无线传感器节点，并将生产厂商、生产日期写入非易失性存储器模块。钢瓶检查机关对钢瓶定期检测合格后，写入最新的检测日期。传感器模块受微处理器模块控制对可燃气体浓度和钢瓶表面温度进行采样。可燃气体传感器将可燃气体浓度转化为电信号输出，经模拟信号调理模块处理后，接入微处理器，再经过A／D转换将其转化为数字信号送予微处理器处理。温度传感器模块将钢瓶表面温度信息转化为数字信号送予微处理器。微处理器对这两种信号进行分析处理，经无线通信模块上传给中继或网关节点，最终传输至数据中心。若经微处理器分析发现可燃气体浓度或钢瓶温度超出设定阈值，可能发生爆炸危险时，系统将触发报警器进行声光报警。

3 系统实现方案
    无线传感器节点的微处理器模块采用TI公司的MSP430F149。MSP430F149是一种16位超低功耗微控制器，其CPU采用16位RISC架构，内部集成有60KB闪存、2KBRAM、12位A／D转换和2个USART0将60 KB闪存作为存储器模块，可用于嵌入式软件程序和钢瓶的身份信息(包括生产厂商、生产日期、年检日期)。无线通信模块采用ZigBee射频芯片CC2420，并通过SPI接口与微处理器相连。电源模块采用电池供电，然后通过电压转换电路输出3．3 V电压为各模块供电。
    无线传感器节点、中继和网关采用ZigBee协议栈，可实现自组网。
    无线传感器节点安装于液化石油气钢瓶上，中继或网关节点安装于小区楼房、钢瓶充装站及运输干道。当钢瓶被用户在家使用、充装、运输时，无线传感器节点与中继、网关节点组成传感器网络。这样，一方面，网关可将无线传感器节点的数据采用GPRS发送至数据中心；另一方面，网关节点也会定期下发钢瓶查询信息，当无线传感器节点收到查询信息后，即可将钢瓶信息上传，然后经中继、网关节点，最终送予数据中心。
    无线传感器节点的中继和网关节点的位置是固定的，故可以作为参考点，然后基于RSSI实现对无线传感器节点的定位，从而确定钢瓶所在的位置。
    数据中心主要包括数据库服务器、网络服务器、管理服务器，主要实现液化石油气钢瓶的档案管理、充装站监管、钢瓶运输车辆在线跟踪，为应用终端提供网络访问服务。

4 结语
    针对目前液化石油气钢瓶质量不合格、液化石油气泄漏、高温烘烤、运输环节事故、非法供气等问题，本文提出了一种基于无线传感器网络技术的液化石油气钢瓶管理系统，同时设计了一种用于钢瓶监测的无线传感器节点。从而通过无线传感器节点实现钢瓶温度和气体浓度信息的检测，并通过网关下发钢瓶查询信息、无线传感器节点上传钢瓶身份信息，以实现钢瓶信息的自动查询，实现实时监测、自动报警和监测数据上传。本系统安全可靠，免除了人工巡检工作，节省了人力物力。当危险发生时，一方面，无线传感器节点可以自动报警，提醒事发地人员及时处理；另一方面，监控中心也可以通过监测到的实时数据和定位信息来快速定位事故地点，实现快速抢险，降低事故损失。