CN107835261A - 基于物联网的油气管道远程数据采集系统 - Google Patents

基于物联网的油气管道远程数据采集系统 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种基于物联网的油气管道远程数据采集系统，包括数据采集节点、数据汇聚节点、云服务器、云控制软件，所述数据采集节点用于采集油气管道的信号数据，利用基于IEEE802.15.4标准的无线传感器网络协议将信号数据上传至数据汇聚节点，数据汇聚节点响应请求后，利用SIM900A的GPRS功能，将采集到的压力、流量、温度等数据发送至云服务器的TCP端口；利用浏览器登陆基于物联网的油气管道远程数据采集系统，点击图表数据显示区即可方便查看油气管道的信号实时数据，很好地展现出来无线传感器网络所采集的信号数据；摆脱了单独使用传感器网络规模和距离的限制，实现了对油气管道全天候的远程实时数据采集。

Description

基于物联网的油气管道远程数据采集系统
技术领域
本发明涉及一种基于物联网的油气管道远程数据采集系统。
背景技术
随着油气管道在线监测技术的发展，搭建一种基于物联网的油气管道远程数据采集系统。利用数据采集节点终端采集油气管道的温度以及管道泄漏弹性波的信号数据，配合数据汇聚节点将信号数据上传至阿里云服务器；利用Workerman框架建立一个监听服务器端口的Worker容器，以监听数据汇聚节点上传数据；采用PHP Laraval这一MVC后台管理框架；利用其中的数据库交互机制Eloquent ORM，通过Active Record实现与数据库的交互；采用Vue.js前端Java Script MVC框架，搭建一个单页面界面；利用Highchats呈现管道的信号数据图形。用户可以利用浏览器即时登陆软件系统查看油气管道的实时信号数据，摆脱了单独使用传感器网络的规模距离限制，实现了对油气管道的全天候远程实时监控。
管道运输具有建设周期短、运输量大、耗能低、成本少、效益好等特点。此外管道运输对于原油等特殊资源的运输还具有良好的安全性和连续性。造成管道泄漏主要的原因有腐蚀穿孔、人为破坏等，一般不会出现在主干线上，而是大量出现在支线管道上。中国的石油管道铺设距离长，一般深埋在地下2～3m的位置，通过探测仪和人力巡查的方法不能及时对油气管道进行全面的监控，无法有效的保障油气管道的安全。为了降低管道泄漏事故率，针对多种监测信号源开展了管道泄漏定期检修系统与技术的研究，常用的监测信号源包括压力、流量、泄漏声音等。2种典型的管道泄漏定期检修系统：①Smartball系统，由加拿大Pure Technologies公司发明，其融合利用了声音、压力、温度的传感器信息，实现了对油气管道微小泄漏的检测，克服了传统利用压力、流量、气体追踪等方法无法检测微小泄漏的缺陷；②水下听声器监测系统，利用管道机器人引导水下听声器，实现了对管道泄漏声学信号的检测。为了及时发现泄漏事故并精确地定位泄漏源，管道泄漏的实时监测技术研究得到了广泛的开展，有3种典型的管道泄漏事故实时监测系统：①Smart Pipe系统，其将光纤传感器贴近管道埋设，通过监测管道外表面温度的实时变化，实现管道泄漏源的识别与定位，但该系统对光纤质量及其安装要求非常高；②MEMS加速度传感器管网监测系统利用加速度传感器监测管道振动信号，实现管道泄漏事故的报警；③声发射传感器管网监测系统声发射传感器监测微泄漏信号，通过对相应波形进行频谱分析，实现管道泄漏事故的报警和泄漏源的精确定位。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提出一种基于物联网的油气管道远程数据采集系统，摆脱了传感器网络的规模距离限制，旨在利用云平台技术为已有的理论研究提供大量实时的管道信号数据。以推进大数据、云平台以及物联网技术在管道实时监测技术中的应用进程，使管道监测更加智慧化、实时化、便捷化。
根据上述发明目的，本发明通过以下技术方案来实现：
一种基于物联网的油气管道远程数据采集系统，包括数据采集节点、数据汇聚节点、云服务器、云控制软件，所述数据采集节点用于采集油气管道的信号数据，利用基于IEEE802.15.4标准的无线传感器网络协议将信号数据上传至数据汇聚节点，数据汇聚节点响应请求后，利用SIM900A的GPRS功能，将采集到的压力、流量、温度等数据发送至云服务器的TCP端口；利用浏览器登陆基于物联网的油气管道远程数据采集系统，点击图表数据显示区即可方便查看油气管道的信号实时数据，很好地展现出来无线传感器网络所采集的信号数据；摆脱了单独使用传感器网络规模和距离的限制，实现了对油气管道全天候的远程实时数据采集。
作为优选地，基于物联网的油气管道远程数据采集系统的硬件主要包括：数据采集节点和数据汇聚节点，其中数据采集节点包括：传感器模块、Zig Bee发送模块、SD卡储存模块构成；数据汇聚节点包括：Zig Bee接收模块、GPRS模块。
作为优选地，所述数据采集节点由电源模块、传感存储模块及Zig Bee发送模块组成，所述电源管理模块为Zig Bee发送模块，提供工作电源和传感存储模块的参考电压；传感存储模块采集和存储油气管道的信号数据，所述Zig Bee发送模块将传感器中的信号数据上传至数据汇聚节点。
本发明的基于物联网的油气管道远程数据采集系统的开发，与传统的通过探测仪和人力巡逻的方法相比，实现了全天候不间断管道健康状态实时在线监测；结合Zig Bee、GPRS、服务器、域名及构建实时web应用框架，使得用户可以通过浏览器查询存储在服务器中来自数据采集节点采集油气管道的数据和波形图，便于对油气管道采集数据进行分析。该系统能快速并完整的采集到数据，达到了系统开发的要求，并且该系统具有良好的通用性和可扩展性。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
具体实施方式
为让本领域的技术人员更加清晰直观的了解本发明，下面将对本发明作进一步的说明。
基于物联网的油气管道远程数据采集系统主要由数据采集节点、数据汇聚节点、云服务器、云控制软件等组成。系统采用模块化设计的思想，由总体方案结构框图(图1)可以看出：数据采集节点主要采集油气管道的信号数据，利用基于IEEE802.15.4标准的无线传感器网络协议将信号数据上传至数据汇聚节点，数据汇聚节点响应请求后，利用SIM900A的GPRS功能，将采集到的压力、流量、温度等数据发送至云服务器的TCP端口；利用浏览器登陆基于物联网的油气管道远程数据采集系统，点击图表数据显示区即可方便查看油气管道的信号实时数据，很好地展现出来无线传感器网络所采集的信号数据。摆脱了单独使用传感器网络规模和距离的限制，实现了对油气管道全天候的远程实时数据采集。
硬件系统设计基于物联网的油气管道远程数据采集系统的硬件主要包括：数据采集节点和数据汇聚节点。其中数据采集节点包括：传感器模块、Zig Bee发送模块、SD卡储存模块构成；数据汇聚节点包括：Zig Bee接收模块、GPRS模块。
据采集节点的设计
数据采集节点采用TI公司的CC2530为主控芯片，芯片提供了IEEE802.15.4无线收发器、增强型8051CPU、8KB的RAM、256KB闪存、地址识别及数据包处理引擎，外设包括调试接口、I/O控制器、定时器、ADC及AES协助器。由数据采集节点逻辑框图可知：其节点是由电源模块、传感存储模块及Zig Bee发送模块组成。电源管理模块为Zig Bee发送模块，提供工作电源和传感存储模块的参考电压。传感存储模块采集和存储油气管道的信号数据。Zig Bee发送模块将传感器中的信号数据上传至数据汇聚节点。
外部电源电路设计
为解决芯片的假工作状态，外部电压不得低于3.2V，AMS1117-3.3正向低压降稳压器，其输入电压为4.75～10V，输出电压的典型值为3.3V，最小值为3.235V，最大值为3.365V。其输出端并联2.2μF、100n F的电容保证其稳定电压输出。考虑数据采集节点在野外的数据采集，采用TPS60211升压芯片，利用两个1.5V的干电池作为升压芯片的输入电压，其输出电压的典型值为3.3V，即可满足数据采集节点野外工作的条件。通过实验可得：其输入电压为2～3.3V，最小值为3.17V，最大值为3.43V，抓包软件未发现丢包现象。
Zig Bee发送模块设计
为了提高芯片电容工作的稳定性，片内1.8V稳压器(管脚40)和DVDD2(管脚39)接容值为1μF去耦电容。32MHz的石英晶振、2个22p F电容与管脚22、管脚23连接组成32MHz的晶振电路。32.768k Hz晶振、2个15p F电容与管脚32、管脚33连接组成用于睡眠的晶振电路。
CC2530芯片RF_P与RF_N管脚是一对差分输入输出信号，若所使用的天线是不平衡单极子天线，需要使用巴伦匹配电路进行射频收发信号的匹配，采用分立电容和电感元件实现射频收发信号的匹配。其中C6、L9、C10、C7、C11、L10分立元器件实现差分信号转单端(即平衡转换)的功能，其中C12、C13、L1、C14等分立元器件组成T型匹配电路从而实现与印制天线阻抗匹配的功能。
2.2数据汇聚节点的设计
据汇聚节点同样采用TI公司的CC2530为主控芯片，以TTL电平信号形式发送AT指令实现对GPRS模块控制。GPRS模块采用芯讯通公司的SIM900A芯片，其采用SMT封装，基于STE的单芯片案，采用ARM926EJ-S架构，内嵌TCP/IP协议可以实现与服务器进行数据通信。其节点由模块电源电路、GPRS模块及Zig Bee接收模块组成。Zig Bee接收模块的硬件电路与数据采集节点的Zig Bee发送模块的硬件电路相同，接收数据采集节点的数据信息。双向电平转换电路匹配Zig Bee模块和GPRS模块之间的电平信号。模块电源电路则管理Zig Bee模块与GPRS模块的供电。
模块电源电路设计模块电源电路利用3个自锁开关不同状态设计了一套电源管理电路：直流供电状态、锂电池充电状态及电池供电状态。电池供电是使系统能够在无外部电源供电情况下正常使用，考虑采集系统在野外工作。
在直流供电状态中，5V直流电源串联整流二极管IN4007，其正向压降为0.7V。SIM900A芯片供电电压输入范围从3.2～4.8V，可满足SIM900A芯片电压要求。瞬态抑制二极管可以有效吸收损坏SIM900A芯片的脉冲，并能消除由总线之间开关所引起的电流干扰。在锂电池充电状态中，5V直流电源断开了AMS1117正向低压降稳压器、整流二极管IN4007和FP6717升压芯片的连接，只给TP4056芯片供电。当电池充电完成时，内部开关拉到低电平，引脚相连的LED灯亮，表示充电完成；当电池正在充电时，管脚同样被拉到低电平，与之相连的LED灯亮，表示锂电池正在充电中。CE引脚为TP4056芯片使能输入端，故接入5V的高电平使充电芯片处于工作状态。在锂电池供电状态中，数据汇聚节点在没有外部电源状态下，FP6717同步升压整流芯片将4.2V锂电池电压转换成5V、2A的输出，接通AMS1117正向低压降稳压器、整流二极管IN 4007，分别对CC2530芯片和SIM900A芯片供电。利用该芯片设计升压电路，可以满足数据汇聚节点电压、功率的要求。
2.2.2GPRS模块的设计
SIM900A模块的开机是利用三极管的饱和、截止两种状态作为模块的开关：SIM900A的SIM卡接口为减少纹波以稳定电源输出，并联100n F去耦电容，模块检测到SIM卡时，SIM_VDD引脚输出2.8V电压，输出电流约为10m A。防止高频噪声对信号的影响。在数据信号引脚之间并联33p F电容。为了保护SIM卡，在接口连接SMF05C芯片来做静电保护。其RI引脚判断外部电话、短信、数据交互状态。net LED引脚信号驱动网络状态灯，慢闪则注册到网络，否则为未搜索网络。复位引脚NREST为低电平有效，解决通过外部复位使模块正常工作，其引脚连接上拉电阻R16、去耦电容C6以防止电压跌落导致的非必要的重启。
3油气管道云平台控制系统设计
3.1平台总体结构设计
油气管道云平台控制系统采用浏览器和服务器(B/S)架构，即服务器实现事件逻辑管理；客户机通过域名请求访问服务器，获得视图界面，并通过javascript的数据渲染获得相应的数据图表。其服务器的事件逻辑管理主要包括：实时scoket监听函数、数据库管理系统、网页服务组件以及服务容器框架程序。由平台控制系统的总体软件架构可知：socket监听函数接收数据汇聚节点通过TCP/IP协议发送过来的信号数据，利用HTML5的websocket协议实时推送给客户端实时数据界面，并且以PDO数据填充的方式上传至阿里云服务器的数据库管理系统中；当客户在浏览器上访问服务器，网页服务组件则发出登陆界面响应，通过登陆验证后，与网页服务组件绑定的服务容器框架则发出视图管理界面的响应至客户，通过浏览器解析出视图管理界面。其中服务容器框架与数据管理系统则通过Eloquent ORM方式交互操作。
本发明的基于物联网的油气管道远程数据采集系统的开发，与传统的通过探测仪和人力巡逻的方法相比，实现了全天候不间断管道健康状态实时在线监测；结合Zig Bee、GPRS、服务器、域名及构建实时web应用框架，使得用户可以通过浏览器查询存储在服务器中来自数据采集节点采集油气管道的数据和波形图，便于对油气管道采集数据进行分析。该系统能快速并完整的采集到数据，达到了系统开发的要求，并且该系统具有良好的通用性和可扩展性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于物联网的油气管道远程数据采集系统，其特征在于，包括数据采集节点、数据汇聚节点、云服务器、云控制软件，所述数据采集节点用于采集油气管道的信号数据，利用基于IEEE802.15.4标准的无线传感器网络协议将信号数据上传至数据汇聚节点，数据汇聚节点响应请求后，利用SIM900A的GPRS功能，将采集到的压力、流量、温度的数据发送至云服务器的TCP端口。
2.根据权利要求1所述的基于物联网的油气管道远程数据采集系统，其特征在于，基于物联网的油气管道远程数据采集系统的硬件主要包括：数据采集节点和数据汇聚节点，其中数据采集节点包括：传感器模块、Zig Bee发送模块、SD卡储存模块构成；数据汇聚节点包括：Zig Bee接收模块、GPRS模块。
3.根据权利要求1所述的基于物联网的油气管道远程数据采集系统，其特征在于，所述数据采集节点由电源模块、传感存储模块及Zig Bee发送模块组成，所述电源管理模块为Zig Bee发送模块，提供工作电源和传感存储模块的参考电压；传感存储模块采集和存储油气管道的信号数据，所述Zig Bee发送模块将传感器中的信号数据上传至数据汇聚节点。
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