气体液体输送管道可视化系统的设计

随着社会的发展，科学技术的进步，越来越多的智能产品出现在人们视野中，并逐渐进入了人们的生活。为了更全面的保障人民的生命财产安全，智能气体液体输送管道可视化系统的研究成为热点之一。基于此，本课题设计了一种基于树莓派的智能气体液体输送本系统以树莓派主板为核心控制单元，主要负责处理传感器采集的数据。压力传感器控制单元读取到数据后对其进行分析并作出相应响应。整个系统通过多重传感器组对管道内的气体、液体的实时状态进行数据采集、数据存储、数据上传等操作，最后以图形和数字的形式展现在中移OneNET平台上，以供用户实时查看管道的工作状态并达到实时监控第1章绪论世界上的各个国家，特别是西方较发达国家他们对水资源的供应与节约管理非常重加深入，他们比较注重对检测仪器的研究与开发，当全球第一台管道检测仪器问世时，发现由于它的体积庞大、精度较低，所以实用性非常差，只有不断的进行优化完善。直到1976年德国开发了便于携带的检测泄漏仪器，从检测探头到相关的仪器主机间用电缆连接或者采用无线连接。若干年间，英国、美国、日本等国家相继研发出了方便携带的可移动的检测泄漏仪器。国内外在可燃气体的运输方式上使用的运输材质大部分都一致，将钢制管作为载体深埋于地下进行可燃性气体液体的运输，就存在发生泄漏或破损不易被发现的风险。国外的相关组织与机构对近些年的管道事故进行了比较全面的统计与分析。这些掌握着丰富管道事故数据的组织机构：美国联邦政府下属的油气管道安全办公室、美国能源监督委员会、美国国家运输安全委员会，以及欧洲的天然气管道事件数据组等。在全球管道检测技术方面均具有极高的话语权。他们掌握着比较全面的管道事故数据。国外在检测方面较早使用管道线路检测技术，其中包含了管道信息技术、电路电子技术、机电控制技术等各种高级新兴技术的运用。使管道线路检测技术逐步实现机械化、自动化、标准化。并在高速发展的网络时代中不断提高技术，逐步将可燃气体输送管道远程检测变为现实。自我国新中国成立以来，我们对管道泄漏问题的重视程度不断加深，逐步在全国开展泄漏的排查调研工作，早期为最基本的管道事故抢修，不断积累经验，到后期依靠经验进行泄漏预防检测。对于多组管道网络的泄漏控制效果并不好。近年来，我国各个地方的水供应公司先后引进了许多前沿国家的先进的管道检测设备。有的公司还根据自身情况成立了相对应的管道检测团队，专门从事管道检测、管道泄漏排控等工作，并取得了一定的成果。但是从整体上来看我们和世界上的一些发达国家在整个管道检测及泄漏控制方面还存在一定的差距。首先我们的检测泄漏技术人员较少，其次专业技能技术能力较低，对先进设备的引进和使用也没有得到普及，虽然引进了先进的设备但是仍然无法取得较好的效果。随着我国综合国力的不断提升，相关组织将近年来发生的管道事故进行数据分析并不断的总结，使得我国管道检测技术稳步提升，尤其是当计算机技术应用于各种管道检测以后，各类水气运输管道的检测精度得到了前所未有的提升。同时，随着当今科技的进步与发展，各种技术也取得了长足的发展，伴随着后期处理成本压力的下降使得管道检测技术得到更好的支持，这将是推动检测系统广泛使用的基础。1.3管道监控系统设计概述本课题“智能气体液体输送管道可视化系统”,主要用于气体、液体管道输送的状态监第2章管道可视化系统硬件设计传感器平台压力传感器树莓派电磁阀图2-1管道监控系统设计流程图在于其CPU采用了64位4核ARMCortex-A53式控制器，具有独立完善的操作系统，还可以将51单片机和STM32无法完成的更复杂的命令进行执行、管理。极高的性价比使得树莓派3代B型主板被极大多数小型实物设计所选择，既具备计算机的基本功能，又拥有计算机没有的I0口，可以让底层传感器组直接与树莓派主板连接控制其功能。最大的优势在于可以将其联网实现物联网的远程控制和远程安装可视化系统时需要下载镜像并且使用Python软件进行烧录，与此同时还要使用安全外壳协议、MQTT传输协议和SMB协议(用于网络连接和用户客户端与服务器之间信息沟通)来完成整个管道可视化系统的系统配置。树莓派3代B型开发板实物图如图2-2图2-2树莓派3代B型开发板2.3传感感器部分本项目选用MQ-4甲烷传感器，它具有对甲烷，天然气等可燃气体的高灵敏性，又可快速的响应恢复的特性以及可靠的稳定性和长时间的使用寿命，同时低廉的价格，使得MQ-4甲烷传感器性价比极高。它对比于其他传感器，不同之处在于使用的二氧化锡在空气中电导率较低，可以非常精确的检测出传感器周围的甲烷、天然气等可燃性气体的浓度变化，并通过模数转换将气体浓度数据传输至控制单元，再上传至OneNET平台以供用户实时查询并作出响应。因此，综合各个方面来看，MQ-4甲烷传感器是一款适应性强、性价比高的优质可燃性气体传感器。MQ-4检测天然气甲烷传感器参数如表2-1所示。MQ-4检测天然气甲烷传感器实物如图2-3所示。MQ-4特点MQ-4应用探测范围广家庭场景天然气探测范围灵敏度高工厂环境沼气特征气体5000ppm甲烷快速响应恢复市政检测甲烷优异的稳定性公共管道监测瓦斯气寿命长响应时间≤10s驱动电路简单恢复时间≤30s加热电阻31Q±3Ω加热电流≤180mA管道可视化系统正常运行后，通过对管道内水压强的感应检测，将不同的水压模拟信号转换为数字信号，再及时将信号发送到树莓派，然后树莓派根据传感器发送来的信号与内部程序要求进行分析和处理，从而去控制电磁阀开关的断开和连接状态。无腐蚀性液体压力传感器参数如图2-4所示。工作原理：管道内部水压不同，输出电压不同(介于0.5-4.5V),模拟电压通过ADC高图2-4无腐蚀性液体压力传感器参数过1升水产生330个脉冲，通过脉冲计数，计算水流量，上传OneNET云平台。实物如图2-6所示。图2-6无腐蚀性液体流量传感器2.4AD转换器RPi-ADS1115-ADC模数转换器(ADC)是一款超小型的具有高的模数转化模块，其中的ADS1115是能够提供16位采样精度的芯片，使用的封装类型为超小型MSOP-10。数据传输采用串行接口传输，同时拥有4路I2C地址可供选择，工作电把模拟信号的操纵摇杆或其他模拟传感器如NTC,温度，粉尘传感器等设备通过这款表2-2AD转换器参数参数值尺寸电源模拟输入电压可编程数据速率8sps到860sps内部PGA支持采样精度16位I2c接口通过引脚选择地址通道数量4个单端或者2个差分输入可编程比较器(PGA)内部NTC支持2.5电磁阀设备，在工业中系统中使用它来进行管道内介质的状态控制(速度、流量、流向等)。本精度高、可适配电路类型多等特点。工作流程图如图2-8所示；本课题采用2W200-20先导式电磁阀，电磁阀参数如表2-3所示。表2-32W200-20先导式电磁阀参数参数值型号工作介质空气、水、油工作方式先导式型式常闭式流量孔径(mm)CV值接管口径使用流体粘滞度20CST以下使用压力(Kgf/cm²)空气0～7、水0～5、油：0～5最大耐压力(Kgf/cm²)工作温度(℃)使用电压范围本体材质黄铜油封材质管道阀门电磁阀电源图2-8电磁阀工作流程图图2-92W200-20先导式电磁阀(1)传感器内没有形成机械接触点，进而不会因为机械触电产生器件磨损，极大的(5)正常工作时器件整体稳定，不会出现器件的震动，并且继电器材质整体具有抗电压根据实际情况变化而变化(一般电压1-1.2V,电流4-20mA)。图2-10光耦隔离继电器第3章管道可视化系统软件设计本章根据智能气体液体输送管道可视化系统的功能分析和硬件设计对控制系统的软件进行设计。本系统所采用的树莓派3代B型开发板可支持C、Python平台进行开发，本(1)在设计前将功能模块进行详细划分，不仅可以降低在软件设计过程中出现bug(2)设计流程图的明确，不仅可以细化设计任务，更能有效地提高设计系统程序的(3)程序编写时，适当的添加相关功能段或是程序段的注释，不仅有利于后期进行智能气体液体输送管道可视化系统的若干传感器组是整个系统的下位机部分，中移(3)可以使用TCP/IP提供网络连接；(5)小型传输，开销会特别小(固定长度的头部是2字节),协议交换最小化，以体流程图如图3-1所示。物联网物联网OneNET云平台压力传感器组数据流量传感器组数据流量传感器B单元电磁阀c单元电磁阀A执行机构单元电磁阀B流量传感器A压力传感器c压力传感器B流量传感器c压力传感器A3.3中移OneNET物联网平台行业。最大功能是云平台，可以享受云端大数据，在它的帮助下，开发者可应用料化环境图3-2OneNET平台架构图数据采集部分程序是由主程序调用；其设计了各个传感器组对管道设备进行数据监开始开始调用子程序采集函数请求写入结束管道可视化系统完成上电处理以后，初始化流程结束，开始执行主程序调用数据采集defpressure():#读水压pressure=adc.get_last_result()#readwaterpressuusegpio21receivewaterflowpulseGPIO.setup(21,GPIO.IN,pull_up_down=GPIO.PUD_UP)#viaGPIO21readpulse,GPIO.setup(25,GPIO.IN,pull_upulse=GPIO.PWM(18,100)#GPIO18setasPWM,f=1HZpulse.start(50)#dutyratCounter=0#脉冲初值Counterl=0#升数GPIO.setup(16,GPI0.0UT)#controlGPIO.setup(26,GPIO.IN)#statusinputinspectGPIO.setup(26,GPIO.IN,pull_up_down=GPIO.PUD_UP)#defaultpullupdefon_connect(client,userdata,flags,rc):print("连接结果："+mqtt.connack_string(rc))#上传数据json_body=json.dumps(body)packet=build_payload(TYPE_JSON,json_body)client.publish("$dp",packet,q#从服务器接收发布消息时的回调。defon_message(client,userdata,msg):defon_publish(client,userdata,mid):defmain():client=mqtt.Client(client_id=DEV_ID,protocol=mqtt.MQTTv311)client.username_pw_set(username=PRNY程序运行开始SPI初始化输入输出空间分配输出方式设置看门狗设置中断设置结束图3-4可视化系统初始化流程图器时序的时候，把EMIF地址的建立时间、持续时间及脉冲宽度设置成0、1、9个时钟周作模式，时钟2分频是SPI的工作频率。(1)将数据完成格式化：在下行器件进行数据传输时是采用比较常见的并行数据进(3)实现数据传输速率的控制：在实现串行通信时串行通信接口应该对接入的数据(4)完成数据包的错误监测：在下位机进行数据打包发送时对需要进行传输的数据第4章管道可视化系统调试验证开发时间，尽量的去规避有问题的系统程序下载到硬件系统中后导致系统零件损坏的问(1)首先在keil4上打开系统程序，检查程序是否完整；(2)运行系统程序，检查反馈的数据参数是否合理且正常。4.3系统实现图4-2设备信息查询(场站浏览)图4-3进入建筑物内部图4-4旋转图4-5测距(地下管网结构)场站浏览和地下管网子系统中三种浏览模式相互切换有利于分清管网地上地下及建(1)系统通电以后发现系统指示灯异常，且没有听到电磁阀正常工作发出的声音，(2)系统程序下载到主板