基于无线传感器网络技术液化石油气钢瓶管理系统

1、基于无线传感器网络技术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 于无线传感器网络技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 瓶中图分类号：tp393文献标识码：a文章编号： 2095-1302 (2013) 01-0020-020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

2、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1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

3、的不足。针对危险品钢瓶的安全管理，目前已有了一些研究。文 献2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3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4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5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

4、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 indicator)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

5、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

6、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釆 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

7、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

8、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60 kb闪存、2kb ram、12位a/d转换和2个usart。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

9、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

10、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。参考文献1崔莉，鞠海玲，苗勇，等无线传感器网络研究进 展j计算机研究与发展，2005 (1)： 163-174.李早液化石油气钢瓶灌装计算机监控管理系统开发d.天津：天津大学，20