CN114060731B - 腐蚀位移形变融合监测终端及管道腐蚀位移形变监测系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种腐蚀位移形变融合监测终端及管道腐蚀位移形变监测系统和方法，包括双主控制器异构模型，双操作系统、调制采集电路、定位和解算模块、外设控制单元和数据传输模块；定位和解算模块用于获取待监测点的位置、位移和形变信号，调制采集电路在主控制器的控制下采集待监测管道腐蚀状态信号，并传输到数据处理电路中进行分析处理；AI主控芯片与调制采集电路、外设控制单元和解算模块连接；数据传输主控芯片与定位模块和数据传输模块连接。本发明提供的终端及系统运用物联网多路传感数据采集技术，融合管道腐蚀与形变位移监测通道,数据上传至云端，具有更高的软硬件可靠性，精确度，实时性，稳定性，安全性，边缘计算能力和较强的现实意义。
Description
技术领域
本发明涉及管道监测技术领域，特别是一种管道腐蚀位移形变融合监测的多系统物联网智能终端。
背景技术
在油气田的开发过程中，油气的输送管道是在管道运输方面最重要的一个组成部分。它是连续输送大量油气资源最快捷、最方便、最经济的运输方式。但是，油气在开采过程中通过管道输送时，含有的腐蚀性液气体会对管道产生腐蚀，严重时将会造成巨大的浪费和经济损失。同时由于管道所处环境为都为室外，野外施工、地质滑坡等可能导致管道形变位移形变引发事故。管道检测点相距甚远，往往对定期的检测和维护带来麻烦。以往的管道检测仪器大多存在以下问题：
1.监测功能单一
2.仪器可靠性差，通讯故障多，安全性能弱
3.处理性能弱，仪器功能简单，可扩展性不强，大数据背景下数据利用率不够
4.监测数据离散度大
5.人机交互功能单一，用户体验差
6.腐蚀传感器价格昂贵，对材料与加工精度要求高。对比以往的监测系统。
7.监测位置固定，监测测点不一定是故障最大概率发生测点。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种腐蚀位移形变融合监测终端及管道腐蚀位移形变监测系统和方法。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
本发明提供的腐蚀位移形变多参数融合监测终端，包括双主控制器异构模型，双操作系统、调制采集电路、定位模块、解算模块、外设控制单元和数据传输模块；
所述双主控制器包括AI主控芯片和数据传输主控芯片,所述AI主控芯片与调制采集电路、外设控制单元和解算模块连接；所述数据传输主控芯片与定位模块和数据传输模块连接；
所述定位模块和解算模块用于获取待监测点的位置、位移和形变信号；
所述调制采集电路在主控制器的控制下采集待监测管道腐蚀状态信号。
进一步，所述AI主控芯片采用linux操作系统，设计片上AI算法，组成设备运算与外设控制单元；
所述AI主控芯片设置有FPGA，利用FPGA实现卫星基带信号解算，以及腐蚀位移预测AI算法，所述AI主控芯片采用linux操作系统，实现软硬件协同方法分配计算任务，实现腐蚀与形变状态预测以及显示屏外设控制，并将处理后的腐蚀状态信号和位置信号通过数据传输模块向外发送；或
所述数据传输主控芯片采用鸿蒙liteos操作系统，利用鸿蒙分布式软总线技术实现腐蚀位移形变分布式监测传感互联，实现端口扩展与近场数据传输。
进一步，所述调制采集电路包括电阻腐蚀传感器、采集电路和调制电路；
所述调制电路与电阻腐蚀传感器连接，用于为电阻腐蚀传感器提供电能；
所述采集电路与电阻腐蚀传感器连接，用于处理电阻腐蚀传感器采集信号并将处理后的采集信号输入到主控制器中；
所述电阻腐蚀传感器通过接线端子与调制采集电路的接口端连接。
进一步，所述数据处理电路采用多处理器构建的多系统数据处理电路，所述多处理器的各处理器分别用来处理多传感器采集的对应数据，所述处理器件由UART通信。
进一步，所述电阻腐蚀传感器包括基底、第一感应片和第二感应片；
所述第一感应片和第二感应片分别设置于基底上；
所述第一感应片设置有密封层；所述第二感应片的参考端设置有密封层，形成密封感应片，所述第二感应片的另一部分形成暴露感应片；
所述第一感应片与第二感应片电连接并对称设置于基底两边。
进一步，所述暴露感应片与密封感应片的电阻比按照以下公式确定：
其中，Uin为输入电压，R为密封感应片阻值，Rx为暴露感应片阻值，|U′OUT|为输出电压变化率。
进一步，还包括分别与主控制器连接的NFC模块、本地存储模块和触摸屏显示器；所述NFC模块用于读写信息；所述本地存储模块用于存储数据，所述触摸屏显示器用于显示信息。
本发明提供的利用上述的腐蚀位移形变融合监测终端构建的管道腐蚀位移形变监测系统，包括腐蚀位移形变监测智能终端、云平台；
所述腐蚀位移形变监测智能终端通过电阻腐蚀传感器采集待监测管道腐蚀状态信号，并将管道腐蚀状态信号通过数据传输模块上传到云平台；所述云平台用于接收上传数据和分析处理以及生成控制指令并下发到腐蚀位移形变监测智能终端。
本发明提供的利用管道腐蚀位移形变监测系统来实现的管道腐蚀位移形变的监测方法，包括以下步骤：
设置腐蚀位移形变融合监测终端的初始化参数；
获取待监测管道的位置信号；
获取电阻腐蚀传感器采集待监测管道腐蚀状态信号；
通过计算待监测管道腐蚀状态信号得到腐蚀深度信号；
通过数据传输模块向云平台发送位置信号和腐蚀深度信号；
返回采集待监测管道腐蚀状态信号循环重复。
进一步，所述腐蚀位移形变融合监测终端中的数据处理电路采用改进卡尔曼滤波进行处理。
本发明的有益效果在于：
本发明提供的腐蚀位移形变融合监测终端及管道腐蚀位移形变监测系统和方法，基于物联网体系来采集多路数据，通过FPGA处理腐蚀数据得到腐蚀深度信号，通过获取卫星基带信号并解析处理得到管道位移形变信号，多系统采集多路数据，增加系统的可靠性和处理能力，通讯更稳定，提高边缘计算处理能力，采用改进卡尔曼滤波实时数据处理，监测结果平稳准确；运用物联网多路传感数据采集技术，融合管道腐蚀与形变位移形变监测通道,并将数据上传至云端，具有更高的软硬件可靠性，精确度，实时性，稳定性，安全性和较强的现实意义。
本发明提供的腐蚀位移形变融合监测终端，同时实时监测管道腐蚀与位移形变；单机和云端双监测处理平台，多系统和处理器的存在即使其中一个系统出现问题，也不会影响另一个系统的工作，提高仪器工作效率与安全性。终端具有通信更可靠，处理能力更强大，监测功能多，用户体验好，安全性和可扩展性强，成本低，准确度、实时性和稳定性更优等优点，对于提前发现问题，减小损失具有重大意义。
本发明的双系统采用鸿蒙liteOS和linux双系统，HI3861和ZYNQ7010双核架构，具有软硬件可靠性强，处理性能强，易于开发和拓展，灵敏度高等优点。利用鸿蒙分布式软总线技术，除腐蚀位移形变一体化监测终端外，可在其他更大概率故障监测位置布置位移形变监测等不同监测点，将算力集中在监测终端，硬件可扩展性强。基于FPGA实现部分数据采集、卫星基带信号处理以及腐蚀位移形变融合深度学习神经网络加速推算，基于FPGA实现卫星基带信号处理以及腐蚀位移形变融合深度学习神经网络加速推算，设计AI芯片，采取软硬件协同优化设计方法分配计算任务，实现腐蚀形变状态预测与工业互联网边缘计算能力。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为腐蚀位移形变监测系统整体架构图。
图2为腐蚀位移形变监测系统框架图。
图3为传感器二维装配图。
图4为腐蚀位移形变监测终端结构布局图。
图5为调制电路示意图。
图6为放大采集电路图。
图7为TXT采集文件示意图。
图8为结果趋势图。
图9为鸿蒙liteOS软件框架图。
图10为linux应用程序框架图。
图11为ZYNQ7010功能框图。
图12为人机交互界面图。
图13为基于移动onenet云平台示意图。
图中，图中，1为环氧树脂密封层，2为亚克力基底，3为电阻感应片；41-800*480lcd显示屏，42-天线，43-外壳，44-NFC扫描区，45腐蚀传感器，46接线端子，47、48位移形变传感器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
实施例1
如图1所示，图1为腐蚀位移形变监测系统整体架构图，本实施例提供的管道腐蚀位移形变融合监测的多系统物联网智能终端，本终端使用电阻法对腐蚀状态进行实时监测，通过北斗系统实现定位与形变监测，用融合神经网络和卡尔曼滤波实现数据处理，并由4G通信技术连接云平台实现数据收发，可分为两个部分：分别为硬件层，软件层。
本实施例中的硬件层包括传感器和硬件电路，其中，传感器采用电阻腐蚀传感器，将管道腐蚀深度转化为电阻变化，通过测量电阻变化实现对腐蚀状况的实时监测。电桥电路的设计，提高传感器灵敏度。
硬件电路采用ZYNQ7010和Hi3861双核主控，基于linux与鸿蒙liteOS双系统，同时兼具两者优点，具有高效可靠，通信稳定，易于扩展等优势。对管道位移形变的监测同样在这一层实现。
本实施例的软件层，主控与外设间由SPI，IIC，UART等总线协议进行通信，不同测点与监测终端基于分布式软总线实现数据互传，使用卡尔曼滤波对数据进行处理，并通过云平台和人机交互界面实现远程与现场监控。
使用时，将其置于野外欲监测管道，腐蚀传感器置于管道内部，传感器引线接入pcb端子接口，硬件pcb及外壳固定于管道上，将北斗与4G通信模块天线引出，保证数据收发信号。系统由12V电源供电，内置5V，3.3V，1.8V电压转换芯片，保证不同模块供电要求。
采集电路对传感器电信号进行实时采集，北斗模块对设备位置进行定位，并由主控单元进行解算，解算结果每个10分钟读取一次，分别以TXT文本的形式存放在SD卡中根文件系统目录下，并发送至onenet云端，以实现单机和远程监控。一旦数据异常，如腐蚀深度过大或设备发生明显位移形变，则发送报警信号，提示工作人员进一步确认。
如图2所示，图2为腐蚀位移形变监测功能框架图，具体如下：
管道监测终端功能模块包括：AI主控芯片，数据传输主控芯片，腐蚀监测模块，位置形变监测模块，串口通信，网络通信，NFC,人机交互，SD卡存储，电源模块和基础辅助电路等。图3为传感器二维图，图中，1为环氧树脂密封层，2为亚克力基底，3为电阻感应片，将两片感应片布置于亚克力板两端，一个感应片完全密封，另一个仅密封其参考端。使用时将传感器整个置于管道中，密封住的感应片不会发生腐蚀，而未密封由于腐蚀，电阻发生改变。惠斯通电桥电路扩大监测量程，增加仪器灵敏度，材料使用Q235钢，同样具有较好的效果，降低成本。暴露感应片与密封感应片电阻比根据公式进行计算，考虑较佳灵敏度以及使用寿命，暴露感应片阻值取值范围在密封感应片阻值的(0.6-0.8)倍最佳。其中，Uin为输入电压，R为密封感应片阻值，Rx为暴露感应片阻值，|U′OUT|为输出电压变化率；本实施例的暴露感应片与密封感应片电阻比为3：2，以达到最佳腐蚀监测速率。
传感器末端以焊锡与3mm铜线相连，节约成本，同时降低接触电压，提高监测灵敏度。传感器调零由软件实现，对加工精度要求不高，进一步减少成本。
本实施例的腐蚀深度信号可以按照以下公式进行计算：
由公式代入输入电压Uin＝6.4mV，R1，2＝10.5mΩ,R3＝7.3mΩ。
其中，d为腐蚀深度；P为AD7705采样量；vr为参考电压，本系统为3300mv；vc为系统误差，本系统为111.1313mv；G为AD620放大倍数，本系统
如图4所示，图4为腐蚀位移形变监测终端结构布局图，其终端结构外形如下，腐蚀传感器经过接线端子接入终端调制与采集接口，终端外壳内部集成主控核心板和直流电源，外部集成LCD屏，NFC扫描区，天线置于外壳顶部，其布局如下图。图中，41-800*480lcd显示屏，42-天线，43-外壳，44-NFC扫描区，45腐蚀传感器，46接线端子，47、48位移形变传感器；
硬件电路为ZYNQ7010和Hi3861双核主控，主要功能总体包括调制采集电路，4G通讯及北斗定位模块，NFC模块，本地存储模块，触摸屏显示部分。
ZYNQ7010为FPGA+ARM9架构，充分利用FPGA并行处理的特点实现传感器数据的高速采集，保证数据实时性；ARM9基于Linux内核便于实现软件层安全稳定调度与扩展，实现本地存储与触摸屏驱动控制及与HI3861间通信，并通过AXI接口接收FPGA上传数据。HI3861基于鸿蒙系统liteOS,充分利用其万物互联的优势，实现4G通讯，北斗定位与NFC功能。
调制采集电路是与传感器直接相连的电路，为适应传感器小阻值，低电压，大电流的特点，需要专门的调制采集电路。
图5为调制电路，调制电路为基于运放AD8538的同向放大电路，主要包括16位DAC控制器AD5541，运算放大器AD8538与NPN型三级管SS8050。ZYNQ7010通过SPI协议对AD5541发布指令，产生3.2Mv的电压并接入AD5541输入正极，再经过稳压电路输出6.4mv电压和500Ma电流。将此作为传感器输入电源。
图6为放大采集电路，采集电路接传感器输出端，输出电压经过单片IC仪表放大器AD620放大496倍后，进入16位ADC控制器AD7705，再通过SPI协议与ZYNQ7010进行数据交互。4G通讯及北斗定位功能使用H4GCAT1BDS724SIG(BDS/GPS+4G CAT1定位透传模组)，插入移动物联网卡，通过MQTT协议将腐蚀数据与定位数据上传至Onenet云平台。通过ipex接口连上天线可接收到北斗卫星信号，H4GCAT1BDS724SIG通过UART接口与HI3861通信。
本实施例提供的位移形变信号按照以下公式进行计算：
其中，(xi,yi,zi)为卫星空间位置；(xu,yu,zu)为管道空间位置；ρi为观测距离；c为光速；δtu为接收钟差。
显示屏采用RGB TFT-LCD，通过FPC座直接连接到控制板上，方便实现监测系统的单机控制。NFC芯片采用NT3H1101W0FHKH,内部存储网页端地址，通过IIC接口与HI3861相连，手机扫描后可弹出相应监测与控制界面。以太网口用于程序下载，usb串口与PC相连用于程序调试。
图7为TXT采集文件，图中为采集数据情况。图中，val_from_ad为AD采集数据；voltage为换算电压；resistence为暴露端阻值；corrosion_deep为腐蚀深度；deformation为监测形变
图8为结果趋势图。横坐标为监测时间，纵坐标为滤波后腐蚀深度。
图9为liteOS软件框架图，具体步骤如下：
确定任务1、任务2；其中，任务1为NFC等待程序；任务2为定位收发程序；
初始化IIC1；
向NFC写入链接地址；循环等待；
初始化UART1和UART2；
初始化定时器；
进入循环：判断是否触发，如果否，则返回循环；如果是，则打开看门狗；使能UART1，读取定位数据；向云平台发送腐蚀与定位数据；喂狗；关闭看门狗，返回循环；
打开看门狗前，包括以下步骤：
定时回调函数，使能UART2，从ZYNQ读取数据腐蚀数据向ZYNQ中发送定位数据；判断与上一次读数是否相同，如果是，则退回定时回调函数；如果否，则更新数据，并触发事件打开看门狗。
鸿蒙liteOS创建两个任务，任务1主要为通过IIC接口对NFC的操作程序，任务2主要负责腐蚀与定位数据的收发。UART1与北斗和4G通信模块相连；UART2与ZYNQ通信。HI3861通过UART1接口读取卫星定位数据，并将其与腐蚀深度数据整合发送给云平台，在发送数据前加入看门狗，数据完成发送后喂狗，防止网络信号异常导致程序卡死，增加程序稳定性。HI3861通过UART2口从ZYNQ中读取腐蚀数据并发送定位数据，UART协议为异步通信协议，减少时间同步带来的时间与资源损耗。采用定时器触发事件的方式，减少资源占用，提高系统效率，同时防止定时回调函数内容过多导致程序不稳定。
图10为linux应用程序框架图，具体步骤如下：
开始：启动程序；
打开AXI驱动文件；
打开ttymxc2文件；
读取传感器原始数据；
数据处理算法；
从HI3861读取北斗定位数据，向HI3861发送计算得到的腐蚀深度；
以追加方式打开cor_data文本文件；
写入时间和数据；
返回循环重复读取传感器原始数据。
Linux应用开发及对文件的操作，对于系统功能APP,主要分为对AD文件操作，对UART文件操作，对TXT文件操作。对AD文件操作主要为软件调零自动补偿传感器加工误差，读取寄存器0x43C60000中的值，并通过转化公式与卡尔曼滤波得到腐蚀深度。对UART的操作通过读写ttymxc2w文件来实现，主要为从缓存中读取定位数据，向缓存中发送腐蚀数据。对TXT文件的操作，即将监测数据，包括腐蚀和位移形变数据以TXT文本形式存入SD卡中。
图11为ZYNQ7010功能框图；图中，PL为FPGA，主要实现SPI通信，定义AD7705和AD5541两个IP核，和算法加速模块以及基带信号处理模块。PS为ARM9架构控制器，基于linux内核实现驱动，数据处理与计算任务调度。
图12人机交互单机界面，基于QT进行开发，主要分为3个部分。首先进入登陆界面，提前将账户密码放入sqlite3数据库中，用户输入正确的账号密码，点击确认即可进入第二个界面；第二个界面包括系统监测的所以主要信息，用户可以清晰看到设备当前腐蚀、形变等信息；当设备故障或其他情况，点击历史趋势图，即可进入第三个界面，快速了解近期历史数据，便于故障排查。图13为基于移动onenet云平台，构建数据处理云端。
上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。
Claims (8)
1.腐蚀位移形变多参数融合监测终端，其特征在于：包括双主控制器异构模型，双操作系统、调制采集电路、定位模块、解算模块、外设控制单元和数据传输模块；
所述双主控制器包括AI主控芯片和数据传输主控芯片,所述AI主控芯片与调制采集电路、外设控制单元和解算模块连接；所述数据传输主控芯片与定位模块和数据传输模块连接；
所述定位模块和解算模块用于获取待监测点的位置、位移形变信号；
所述调制采集电路在AI主控芯片的控制下采集待监测管道腐蚀状态信号；
所述AI主控芯片采用linux操作系统，设计片上AI算法，组成解算模块与外设控制单元；
所述AI主控芯片设置有FPGA，利用FPGA实现卫星基带信号解算，以及腐蚀位移形变预测AI算法，所述AI主控芯片采用linux操作系统，实现软硬件协同方法分配计算任务，实现腐蚀与位移形变状态预测以及显示屏外设控制，所述数据传输主控芯片将处理后的腐蚀状态信号和位置信号通过数据传输模块向外发送；
所述数据传输主控芯片采用鸿蒙liteos操作系统，利用鸿蒙分布式软总线技术实现腐蚀位移形变分布式监测传感互联，实现端口扩展与近场数据传输。
2.如权利要求1所述的腐蚀位移形变多参数融合监测终端，其特征在于：所述调制采集电路包括电阻腐蚀传感器、采集电路和调制电路；
所述调制电路与电阻腐蚀传感器连接，用于为电阻腐蚀传感器提供电能；
所述采集电路与电阻腐蚀传感器连接，用于处理电阻腐蚀传感器采集信号并将处理后的采集信号输入到AI主控芯片中；
所述电阻腐蚀传感器通过接线端子与调制采集电路的接口端连接。
3.如权利要求2所述的腐蚀位移形变多参数融合监测终端，其特征在于：所述电阻腐蚀传感器包括基底、第一感应片和第二感应片；
所述第一感应片和第二感应片分别设置于基底上；
所述第一感应片设置有密封层；所述第二感应片的参考端设置有密封层，形成密封感应片，所述第二感应片的另一部分形成暴露感应片；
所述第一感应片与第二感应片电连接并对称设置于基底两边。
4.如权利要求3所述的腐蚀位移形变多参数融合监测终端，其特征在于：所述暴露感应片与密封感应片的电阻比按照以下公式确定：
其中，Uin为输入电压，R为密封感应片阻值，Rx为暴露感应片阻值，|U′ OUT|为输出电压变化率。
5.如权利要求1所述的腐蚀位移形变多参数融合监测终端，其特征在于：还包括分别与数据传输主控芯片连接的NFC模块、本地存储模块和触摸屏显示器；所述NFC模块用于读写信息；所述本地存储模块用于存储数据，所述触摸屏显示器用于显示信息。
6.利用权利要求1-5任一项所述的腐蚀位移形变多参数融合监测终端构建的管道腐蚀位移形变监测系统，其特征在于：包括腐蚀位移形变多参数融合监测终端和云平台；
所述腐蚀位移形变多参数融合监测终端通过电阻腐蚀传感器采集待监测管道腐蚀状态信号，并将管道腐蚀状态信号通过数据传输模块上传到云平台；所述云平台用于接收上传数据和分析处理以及生成控制指令并下发到腐蚀位移形变多参数融合监测终端。
7.利用权利要求6所述的管道腐蚀位移形变监测系统来实现的腐蚀位移形变监测方法，其特征在于：包括以下步骤：
设置腐蚀位移形变多参数融合监测终端的初始化参数；
获取待监测管道的位置信号；
获取电阻腐蚀传感器采集待监测管道腐蚀状态信号；
通过计算待监测管道腐蚀状态信号得到腐蚀深度信号；
通过数据传输模块向云平台发送位置信号和腐蚀深度信号；
返回采集待监测管道腐蚀状态信号循环重复。
8.如权利要求7所述的腐蚀位移形变监测方法，其特征在于：还包括数据处理电路，所述腐蚀位移形变多参数融合监测终端中的数据处理电路采用改进卡尔曼滤波进行处理。
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