CN109413579A - 室内可燃气体泄露源定位的远程预警系统、部署方法及其定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及可燃气体预警系统技术领域，尤其是涉及一种室内可燃气体泄露源定位的远程预警系统及其定位方法，包括传感器节点、移动灭火机器人、PC客户终端、INTERNET网络和路由器，所述PC客户终端通过所述路由器与所述INTERNET网络连接，所述移动灭火机器人通过路由器与所述INTERNET网络连接并实现与所述PC客户终端进行信息交互，所述移动灭火机器人包括主控芯片，所述主控芯片与所述传感器节点连接，本发明在使用时，通过固定传感器节点和随机传感器节点在监测区域构成三维空间三重最优覆盖模型，结合RSSI测距算法与锚内圆质心定位算法定位未知节点实现精确定位的同时减少冗余节点的存在。

Description

室内可燃气体泄露源定位的远程预警系统、部署方法及其定 位方法

技术领域

本发明涉及可燃气体预警系统技术领域，尤其是涉及一种室内可燃气体泄露源定位的远程预警系统、部署方法及其定位方法。

背景技术

国内外预警灭火机器人主要针对火焰图像、烟雾和温度进行预警，在石化行业可燃气体的泄漏也是石化领域导致火灾甚至爆炸的一大主要原因，如何快速准确地定位泄漏源并及时发送报警信号是问题的关键。近来，人们工作和生活的方方面面已出现无线传感器网络化技术的应用，通过对感兴趣的区域或重要目标，部署传感器节点，进行实时全方位监控、数据获取及预警，对监控对象的信息获取或安全防护有重要意义，另外无线传感器网络节点的不同部署策略直接影响着网络开销及覆盖感知效果，一个理想的覆盖部署策略能在很大程度上避免节点不必要的能量损耗，提高节点的计算处理能力和通讯能力。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：可燃气体的泄漏也是石化领域导致火灾甚至爆炸的一大主要原因，如何快速准确地定位泄漏源并及时发送报警信号的问题，现提供了一种室内可燃气体泄露源定位的远程预警系统、部署方法及其定位方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种室内可燃气体泄露源定位的远程预警系统，包括传感器节点、移动灭火机器人、PC客户终端、INTERNET 网络和路由器，所述PC客户终端通过所述路由器与所述INTERNET网络连接，所述移动灭火机器人通过路由器与所述INTERNET网络连接并实现与所述PC 客户终端进行信息交互，所述移动灭火机器人包括主控芯片，所述主控芯片与所述传感器节点连接。

进一步地，所述移动灭火机器人还包括短信报警模块，所述短信报警模块与所述主控芯片信号连接，所述INTERNET网络还与移动通信模块连接。

进一步地，所述传感器节点包括温度传感器和气体浓度传感器。

一种室内可燃气体泄露源定位的远程预警系统部署方法，包括如上述的远程预警系统，还包括以下步骤，

S1、首先传感器节点通过Zigbee无线连接，通过传感器节点下载自身位置，并通过Zigbee长地址识别来确定节点位置；

S2、将传感器的节点位置构建成三维长方体模型，再将长方体模型中任意处的传感器节点转化为二维平面，长和宽分别为x，y，并且构建的长方体 ABCDA'B'C'D'覆盖模型满足：

y＝r_s′

传感器节点的感知半径为r_s，则节点在平面ABCD的感知范围是半径为r_s′的圆形区域，且有：

根据上述约束条件，求解V＝xyz，为简化计算以长方体的高z作为自变量得到：

z∈(0，2r_s)

求极值解V＝xyz，可以得到在最优覆盖模型Ω_opt的最优结果如下：

一种室内可燃气体泄露源定位的远程预警系统定位方法，包括如上述的远程预警部署方法，还包括以下步骤，

S1、首先传感器节点将监测区域内泄漏源点的信息采集，并将传感器节点的位置发生至主控芯片，主控芯片根据传感器节点无线信号收发两端的发射功率、接收功率这两个参数通过RSSI测距，将RSSI值转化为锚圆半径值。无线信号的发射功率、接收功率和收发两端距离三者之间的关系可以下式表示：

P_R＝P_T/rⁿ

其中P_R是接收端接收到的无线信号的功率，P_T是发射端的无线信号功率，r 是收发两节点之间的距离，即锚圆半径，n为信号传播因子。

上式两边取对数：

10nlgr＝10lgP_T/P_R

并将芯片直接提供发射的功率P_T，即转换为dBm值A＝-10lgP_T，将A＝-10lgP_T代入上式中可得：

10lgP_R＝-(A+10n lg r)

上式左边接收信号功率10lgP_R转换为dBm值，可写成：

RSSI＝-(A+10n lg r)

S2、锚圆半径确定以后下一步就要对未知节点进行定位，设a1、a2、a3定位参考节点，并且以a1、a2、a3节点的信号强度辐射范围为半径做圆，这个圆称为锚圆，假设想要定位的节点K周围的节点为a1、a2、a3，节点K称为未知节点，节点K必然所示属于锚圆a1、a2与a3的交汇处。但未知节点K的位置在这个区域内仍无法确定，为了简化估计其位置，三个锚圆节点的叠加区域近似看做为一个三角形，假设未知节点K的位置就是这个三角形的质心，并设已知3个锚圆节点a1、a2、a3的位置坐标分别为(x_a1,y_a1)、(x_a2,y_a2)、(x_a3,y_a3)，所有节点的无线信号辐射范围半径为R，则3个锚圆的一个内交汇点e1的坐标(x_e1,y_e1) 可以通过下面的公式求出：

同理，由下面两组方程求解可以求出另外2个内交汇点e2的坐标(x_e2,y_e2)和 e3的坐标(x_e3,y_e3)

节点K的估计位置坐标由下式确定为：

节点K位置确定后，气体浓度值最大处的节点为泄漏源最终位置；

S3，移动灭火机器人的主控芯片接收节点K位置，并且对当前待监控现场环境中可燃气体信息及传感器节点位置数据信息进行分析处理，并且将分析的数据与主控芯片的数据库内的数据进行对比，当可燃气体超出安全阈值范围时，发送警报，当可燃气体未超出范围时不发生警报。

本发明的有益效果是：本发明在使用时，通过固定传感器节点在监测区域构成三维空间三重最优覆盖模型，结合RSSI测距算法与锚内圆质心定位算法定位未知节点实现精确定位的同时减少冗余节点的存在，不同等级的预警信息不仅可以发送到远程监控终端，还可以以短信方式发送到个人手机，提高预警的及时和有效性。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是整体系统架构图；

图2是系统硬件结构框图；

图3是泄漏源定位流程图；

图4是固定节点覆盖模型；

图5是两节点平面投影覆盖情况；

图6是四节点平面投影覆盖情况；

图7是五节点平面投影覆盖情况；

图8是七节点平面投影覆盖情况；

图9是节点信号交叉示意图；

图10是远程通信预警系统框图；

图11是远程预警流程图；

图12是短信预警流程图。

具体实施方式

现在结合附图对本发明做进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

一种室内可燃气体泄露源定位的远程预警系统，包括传感器节点、移动灭火机器人、PC客户终端、INTERNET网络和路由器，所述PC客户终端通过所述路由器与所述INTERNET网络连接，所述移动灭火机器人通过路由器与所述 INTERNET网络连接并实现与所述PC客户终端进行信息交互，所述移动灭火机器人包括主控芯片，所述主控芯片与所述传感器节点连接。

所述移动灭火机器人还包括短信报警模块，所述短信报警模块与所述主控芯片信号连接，所述INTERNET网络还与移动通信模块连接。

所述传感器节点包括温度传感器和气体浓度传感器。

图1为本发明的整体架构图，移动预警灭火机器人设有无线传感器网络节点，使其作为网络的一员，无线传感器网络节点采用固定和随机抛撒的部署方式，固定节点依据以保证空间任意一处均能被三个固定节点覆盖感知且同时保证覆盖三维空间最大来建立最优覆盖模型，随机抛撒节点随机分布于待检测空间。每个节点处装有气体浓度传感器和温度传感器，用于检测各自节点位置气体浓度和温度。预警灭火机器人所设节点为随机抛撒节点，如图2系统各模块连接示意图所示，移动预警灭火机器人获取并处理无线传感器网络采集的节点信息，计算自身和泄漏源的位置坐标。移动预警灭火机器人平台上安装云台摄像头、SIM800短信报警模块。灭火机器人工作现场的无线通信模块使用的是 LB-LINK无线网卡，系统采用的通信协议是802.11g，借助路由器器搭建WIFI 环境，依据可燃气体爆炸极限和自燃温度划分预警等级实现远程预警。具体实施方案由下面几个环节实现。

1、可燃气体检测传感器部署及泄漏源定位：

(1)传感器节点部署

以CC2530为主控制芯片，采用IEEE802.15.4协议，将传感节点采集到的数据信息，通过树形网络结构传输给中心节点。传感器节点通过Zigbee无线连接，通过向节点芯片中下载自身位置信息，并由Zigbee长地址识别芯片并确定节点位置，其定位流程图如图3所示。

三维空间三重最优覆盖模型建立：将实际三维空间描述成图4所示的长方体模型Ω。该覆盖模型Ω是一个长、宽、高依次为X、Y、Z的长方体。在长方体ABCDA'B'C'D'中，存在无数个与平面EFGH相平行的平面。由于传感器节点的感测范围的限制，其中平面ABCD与平面A'B'C'D'是最难被三个传感器同时感测到的。所以，当这两个平面任意一处都能被三个无线传感器感知监测到时，长方体中任意与平面EFGH平行的平面都满足同时被三个传感器感知检测的条件。因而，对三维空间三重覆盖监测的分析研究，可以根据几何对称性，转化为实现对二维平面ABCD三重覆盖的研究。假设传感器节点的感知半径为r_s，则节点在平面ABCD的感知范围是一个半径为r_s'的圆形区域，且有：此时，为了实现长方形ABCD的三重全覆盖，需保证覆盖模型Ω中的七个传感器节点在长方形ABCD上相重叠的部分均在三层及以上。以下根据长X、宽Y 和感知半径r_s'三者之间的关系界定长方体ABCDA'B'C'D'的大小及七个传感器节点分布：

步骤一：以r_s'为作为长方体ABCDA'B'C'D'宽，分别在图4的F、E两点设有固定传感器节点1和2，在投影面ABCD上形成图5所示的覆盖情况，仅存在单层和两层覆盖区域。

步骤二：添加固定节点3和4后，投影面ABCD上形成图6所示的覆盖情况，出现三层及以上覆盖区域。此时节点3、4分别与节点2、1以r_s'间隔分布。

步骤三：添加固定节点5后，投影面ABCD上形成图7所示的覆盖情况，进一步扩大三层及以上覆盖区域。此时节点5的投影点位于节点1、2以r_s'为半径的圆的相交处。

步骤四：添加固定节点6、7后，投影面ABCD上形成图8所示的覆盖情况，形成一个矩形理想覆盖区域(均由三层及以上覆盖区域组成)。此时节点6、7 分别与节点4、3以r_s'间隔分布。

设长和宽分别为x，y，通过以上四个步骤构建的长方体ABCDA'B'C'D'覆盖模型满足：

y＝r_s′

传感器节点的感知半径为r_s，则节点在平面ABCD的感知范围是半径为r_s'的圆形区域，且有：

根据上述约束条件，求解V＝xyz，为简化计算以长方体的高z作为自变量得到：

z∈(0，2r_s)

求极值解V＝xyz，可以得到在最优覆盖模型Ω_opt的最优结果如下：

(2)最接近泄漏源点的传感器节点的定位

泄漏源点的定位依据采集到室内最大浓度信息的节点位置作为泄漏源估计位置，因此确定所有未知节点位置是关键步骤，以下以一个节点位置定位为例进行说明。

CC2530提供了射频的信号强度，根据无线信号收发两端的发射功率、接收功率这两个参数通过RSSI测距，将RSSI值转化为锚圆半径值。无线信号的发射功率、接收功率和收发两端距离三者之间的关系可以下式表示：

P_R＝P_T/rⁿ

其中P_R是接收端接收到的无线信号的功率，P_T是发射端的无线信号功率，r 是收发两节点之间的距离，即锚圆半径，n为信号传播因子，其数值的大小表示无线信号传播环境的好坏。

上式两边取对数：

10nlgr＝10lgP_T/P_R

并将芯片直接提供发射的功率P_T，即转换为dBm值A＝-10lgP_T将A＝-10lgP_T入上式中可得：

10lgP_R＝-(A+10n lg r)

上式左边接收信号功率10lgP_R转换为dBm值，可写成：

RSSI＝-(A+10n lg r)

锚圆半径确定以后下一步就要对未知节点进行定位，随机抛撒结点随机分布于所建最优三维覆盖区域内。如图9节点信号交叉示意图所示，其中a1、a2、 a3定位参考节点，并且以a1、a2、a3节点的信号强度辐射范围为半径做圆，这个圆称为锚圆，假设想要定位的节点K周围的节点为a1、a2、a3，节点K称为未知节点。节点K必然如图9所示属于锚圆a1、a2与a3的交汇处。但未知节点 K的位置在这个区域内仍无法确定，为了简化估计其位置，三个锚圆节点的叠加区域近似看做为一个三角形，如图9中的三角形e1e2e3。假设未知节点K的位置就是这个三角形的质心，并设已知3个锚圆节点a1、a2、a3的位置坐标分别为(x_a1,y_a1)、(x_a2,y_a2)、(x_a3,y_a3)，所有节点的无线信号辐射范围半径为R，则3 个锚圆的一个内交汇点e1的坐标(x_e1,y_e1)可以通过下面的公式求出：

同理，由下面两组方程求解可以求出另外2个内交汇点e2的坐标(x_e2,y_e2)和 e3的坐标(x_e3,y_e3)

节点K的估计位置坐标由下式确定为：

节点位置确定后，近似认为气体浓度值最大处的节点为泄漏源最终位置。

2、远程通信预警单元

灭火机器人工作现场的无线通信模块使用的是LB-LINK无线网卡，系统采用的通信协议是802.11g，802.11g协议工作在2.4GHz频段，最高传输速率可达 54Mbit/s，借助路由器器搭建WIFI环境，使得灭火机器人在待监控现场活动更加灵活。

灭火机器人的远程通信预警单元主要由以下几个部分组成：

①待监控现场进行信息交互的PC机；

②能够向Internet提供信息服务的WEB服务器；

③待监控现场监控PC机与WEB服务器之间的数据库服务器；

④Internet与WEB服务器之间的防火墙；

⑤客户端PC机及访问WEB页面所需的Internet浏览器软件。

远程通信预警单元的总体结构如图10所示。其中在远程通信预警单元中，当前待监控现场环境中可燃气体浓度信息及传感器节点位置等数据信息和WEB 服务器高度集成，使用网络数据库的好处是没有必要在客户端上配设操作数据库系统客户端的一系列插件，利用WEB浏览器的特定访问就能完成对数据库一些常用操作。

可燃气体与空气(或氧气)必须在一定的浓度范围内均匀混合，形成预混气，遇着火源或温度达到自燃点才会发生爆炸，这个浓度范围称为爆炸极限，或爆炸浓度极限。例如一氧化碳与空气混合的爆炸极限为12.5％～74％，标准大气压下自燃温度为641℃；气态乙醇爆炸极限为3.5％～18％，标准大气压下自燃温度为390℃；丁烷爆炸极限为19％～84％，标准大气压下自燃温度为287℃。可燃性气体能够发生爆炸的最低浓度和最高浓度，分别称为爆炸下限和爆炸上限，这两者有时亦称为着火下限和着火上限。在低于爆炸下限时不爆炸也不着火；在高于爆炸上限时不会爆炸，但能燃烧。这是由于前者的可燃物浓度不够，过量空气的冷却作用，阻止了火焰的蔓延；而后者则是空气不足，导致火焰不能蔓延的缘故。

由于石油化工环境中易燃易爆气体浓度变化规律一般由低变为高，故将安全阈值设置为相应气体爆炸极限的下限值(LEL，Lower Explosive Limit)。针对爆炸下限设定2个等级判断报警，第1级报警界限15％LEL，第2级为50％LEL。当可燃气体浓度大于报警界限时立即向远程终端发送报警信息。对于超过 15％LEL，报警提示内容“可燃气体超标！”，对于超过50％LEL的报警提示内容为“可燃气体严重超标，请迅速采取紧急措施！”。另外，当待检测现场出现可燃气体泄露时，现场温度也是影响火灾发生的关键因素，每个无线传感器节点设有温度传感器用于实时检测待检测现场温度，报警温度设定值为可燃气体自燃温度的70％，报警提示内容“局部温度已接近自燃，请迅速撤离！”。远程预警流程如图11所示。

短信预警系统采用SIMCOM公司生产的SIM800模块，SIM800采用工业标准接口，工作在850/900/1800/1900Mhz频段，自带TCP/IP协议模块及蓝牙模块，采用232串口通信方式。通过配置SIM800短信报警控制器工作模式、服务报警号码、基本参数、报警参数、系统权限、开关量输入类型等实现短信报警功能。可燃气体浓度达到安全阈值触发中断发送预警信息，为避免重复预警，采用临界值触发并在中断中添加一定的延时时间，报警短信内容为“节点编号、采集的可燃气体种类、采集的可燃气体浓度、温度、当前时间、报警提示信息”。

Claims (5)

1.一种室内可燃气体泄露源定位的远程预警系统，其特征在于：包括传感器节点、移动灭火机器人、PC客户终端、INTERNET网络和路由器，所述PC客户终端通过所述路由器与所述INTERNET网络连接，所述移动灭火机器人通过路由器与所述INTERNET网络连接并实现与所述PC客户终端进行信息交互，所述移动灭火机器人包括主控芯片，所述主控芯片与所述传感器节点连接。

2.根据权利要1所述的室内可燃气体泄露源定位的远程预警系统，其特征在于：所述移动灭火机器人还包括短信报警模块，所述短信报警模块与所述主控芯片信号连接，所述INTERNET网络还与移动通信模块连接。

3.根据权利要1或2所述的室内可燃气体泄露源定位的远程预警系统，其特征在于：所述传感器节点包括温度传感器和气体浓度传感器。

4.一种室内可燃气体泄露源定位的远程预警系统部署方法，其特征在于：包括如权利要求1-3任一项所述的远程预警系统，还包括以下步骤，

S1、首先传感器节点通过Zigbee无线连接，通过传感器节点下载自身位置，并通过Zigbee长地址识别来确定节点位置；

S2、将传感器的节点位置构建成三维长方体模型，再将长方体模型中任意处的传感器节点转化为二维平面，长和宽分别为x，y，并且构建的长方体ABCDA'B'C'D'覆盖模型满足：

y＝r′_s

传感器节点的感知半径为r_s，则节点在平面ABCD的感知范围是半径为r_s′的圆形区域，且有：

根据上述约束条件，求解V＝xyz，为简化计算以长方体的高z作为自变量得到：

z∈(0，2r_s)

求极值解V＝xyz，可以得到在最优覆盖模型Ω_opt的最优结果如下：

5.一种室内可燃气体泄露源定位的远程预警系统定位方法，其特征在于：包括如权利要求4所述的远程预警部署方法，还包括以下步骤，

S1、首先传感器节点将监测区域内泄漏源点的信息采集，并将传感器节点的位置发生至主控芯片，主控芯片根据传感器节点无线信号收发两端的发射功率、接收功率这两个参数通过RSSI测距，将RSSI值转化为锚圆半径值。无线信号的发射功率、接收功率和收发两端距离三者之间的关系可以下式表示：

P_R＝P_T/rⁿ

其中P_R是接收端接收到的无线信号的功率，P_T是发射端的无线信号功率，r是收发两节点之间的距离，即锚圆半径，n为信号传播因子。

上式两边取对数：

10nlgr＝10lgP_T/P_R

并将芯片直接提供发射的功率P_T，即转换为dBm值A＝-10lgP_T，将A＝-10lgP_T代入上式中可得：

10lgP_R＝-(A+10n lg r)

上式左边接收信号功率10lgP_R转换为dBm值，可写成：

RSSI＝-(A+10n lg r)

S2、锚圆半径确定以后下一步就要对未知节点进行定位，设a1、a2、a3定位参考节点，并且以a1、a2、a3节点的信号强度辐射范围为半径做圆，这个圆称为锚圆，假设想要定位的节点K周围的节点为a1、a2、a3，节点K称为未知节点，节点K必然所示属于锚圆a1、a2与a3的交汇处。但未知节点K的位置在这个区域内仍无法确定，为了简化估计其位置，三个锚圆节点的叠加区域近似看做为一个三角形，假设未知节点K的位置就是这个三角形的质心，并设已知3个锚圆节点a1、a2、a3的位置坐标分别为(x_a1,y_a1)、(x_a2,y_a2)、(x_a3,y_a3)，所有节点的无线信号辐射范围半径为R，则3个锚圆的一个内交汇点e1的坐标(x_e1,y_e1)可以通过下面的公式求出：

同理，由下面两组方程求解可以求出另外2个内交汇点e2的坐标(x_e2,y_e2)和e3的坐标(x_e3,y_e3)

节点K的估计位置坐标由下式确定为：

节点K位置确定后，气体浓度值最大处的节点为泄漏源最终位置；

S3，移动灭火机器人的主控芯片接收节点K位置，并且对当前待监控现场环境中可燃气体信息及传感器节点位置数据信息进行分析处理，并且将分析的数据与主控芯片的数据库内的数据进行对比，当可燃气体超出安全阈值范围时，发送警报，当可燃气体未超出范围时不发生警报。