基于WSN的天然氣管道運行狀態安全監測系統設計

程新根　馬朝華

摘 要：通過對天然氣管道運行狀態安全監測系統的優化設計，可保障西氣東輸管線網絡的穩定可靠運行。文中提出了一種基于無線傳感器網絡（WSN）信息自適應感知的天然氣管道運行狀態安全監測系統的設計方法，以構建天然氣管道安全運行狀態監測數據采集系統。該系統可負責天然氣管道安全運行狀態信息的采集、處理和與上位機的通信。系統基于DSP信號處理芯片，在CCS 2.20開發平臺下進行天然氣管道安全運行狀態監測的平臺集成編譯和接口連接，最后完成整個系統的硬件集成設計。實驗結果表明，采用該系統設計方法，能準確實現對天然氣管道運行狀態的信息采集和狀態分析，從而實現對天然氣運輸管道的安全監測和管理。

關鍵詞：天然氣；西氣東輸；管道；無線傳感器網絡；安全監測

中圖分類號：TP271 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2015）10-00-03

0 引 言

“西氣東輸”工程是我國距離最長、口徑最大的天然氣管道網絡工程，西氣東輸的天然氣管道西起塔里木盆地的輪南，東至上海，東西橫貫新疆、甘肅、寧夏等9個省市區，全長為4 200千米。西氣東輸管道投資的67%都在中西部地區，有效拉動了沿線地區的機械、電力、化工等工業的發展。由于西氣東輸的天然氣管道組網復雜，工作環境惡劣，需要對管道網絡的運行狀態進行安全監測，保障西氣東輸管線網絡的穩定可靠運行。研究西氣東輸天然氣管道的運行狀態安全監測系統設計方法具有重要意義。傳統的天然氣管道運行狀態安全監測系統采用壓力預警方法，結合FPGA邏輯控制，實現天然氣管道的安全監測和預警，但在系統設計中，需要配備專門的壓力信息采集卡，管道運行狀態信息的自組織能力較差，應用性不好[1]。

針對上述問題，本文提出了一種基于無線傳感器網絡（Wireless Sensor Network， WSN）信息自適應感知的天然氣管道運行狀態安全監測系統設計方法。首先進行了系統的總體設計描述，設計天然氣管道安全運行狀態監測數據采集系統，負責天然氣管道安全運行狀態信息的信號采集、處理和與上位機通信，基于DSP信號處理芯片，在CCS 2.20開發平臺下進行天然氣管道安全運行狀態監測的平臺集成編譯和接口連接，并進行能量收集電路設計，延長系統的壽命周期。最后通過仿真實驗進行了性能測試，展示了本文設計系統的可靠性和優越性，從而得出有效結論。本文將對系統總體設計描述及功能模塊分析與系統硬件電路設計與實現作出詳細介紹。

1 系統總體設計描述及功能模塊分析

1.1 系統總體設計框架

天然氣管道運行狀態安全監測系統主要是實現對天然氣管道的野外運行狀態進行監測，系統主要由分布在監測站的無線傳感器WSN模塊、核心控制處理器模塊、數據無線收發模塊和能量供給模塊組成[2-4]。其中，天然氣管道的壓力傳感器節點是天然氣管道運行狀態安全監測系統最基本的組成單元，它具有傳感、信號處理和無線通信能力。由此得到本文設計的天然氣管道運行狀態安全監測系統的總體結構框圖如圖1所示。

圖1 系統總體結構框圖

圖1中，傳感器模塊負責監控管道運行網絡系統內的原始信息，并進行數據采集，被監控的管道運行狀態信息決定了傳感器的類型，比如壓力傳感器、振動傳感器和故障信息采集傳感器等，無線通信模塊負責傳感器之間的無線通信，并實現與上位機的數據交換。電源模塊負責為整個節點提供能量，通過能量收集，保障系統的穩定運行[5]。

1.2 系統的功能模塊設計

在天然氣管道運行狀態安全監測系統設計中，基于WSN信息自適應感知，進行功能模塊設計，重點對系統供電功能模塊的電路設計方案進行描述，針對本設計的天然氣安全監測系統，考慮采用能量收集芯片LTC3105搭建微弱太陽能收集電路。LTC3105是一款高性能同步升壓型DC/DC轉換器，其啟動電壓低至250 mV，輸入電壓范圍寬至0.2～5 V，輸出電壓范圍為1.5～5.25 V，適用于高阻抗可替代能源的收集，如太陽能電池、溫差電池和燃料電池等。LTC3105具有最大功率點控制MPPC功能，通過一個簡單電阻即可設置最大功率點，極大地提高了光電能量的轉換效率，特別適合于微能源領域。由此得到能量收集電路設計如圖2所示，該單元可產生恒定的直流電壓，可供節點負載工作，同時后續模塊還能將多余的能量儲存起來，實現無線傳感WSN節點的連續供電。

上述電路設計的主要參數計算描述如下：

（1）升壓轉換器輸出Vout。通過連接在引腳OUT和FB之間的電阻分壓器，控制升壓轉換器的輸出電壓Vout，計算公式如下：

（1）

在本設計中，輸出電壓要求為4.1 V，R1取1 MΩ，R2取301 kΩ。

（2）最大功率點跟蹤設置。最大功率點電壓由MPPC引腳和GND之間的電阻阻值確定，計算公式如下：

VMPPC=10μA×R （2）

通過上述設計，能有效滿足西氣東輸天然氣管道野外運行狀態安全監測的需求。

2 系統硬件電路設計與實現

天然氣管道安全運行狀態監測具有高效動態性及靜態特性，系統主要包括了能耗監測的硬件模塊和軟件模塊設計，本文設計的天然氣管道安全運行狀態監測模塊的主要技術指標描述如下：FIR帶通濾波動態范圍為-30 dB～+40 dB，WSN節點信號采集接收信號的幅度采樣率≥200 kHz ；安全運行狀態監測的D/A分辨率為12位。

天然氣管道運行狀態安全監測的硬件模塊設計通過串行通信轉移到PC上得到WSN信息自適應感知的輸出采樣為：

（3）

其中，e（t）為WSN信息自適應感知誤差分量，kp為數據采樣周期，天然氣管道運行狀態安全監測電路主要是對寫信號進行功率損耗測量處理，其構成主要有加法電路、計數電路。采用STM32F101xx芯片設計功耗監測的功率放大電路，在設計時，將STM32F101xx給予功率增益控制。從功率增益控制P-V管線可以看出，存在一個點M，對應的輸出功率P最大，把這一點稱為最大功率點，所對應的電流和電壓分別為峰值電流Im和峰值電壓Um。

基于ADP3339的線性穩壓主頻分離測距測量技術，在切斷或者導通后繼續使穩壓模塊與之前的濾波模塊連接，從而實現對各個測量點上不同時間調整下的數據資料分別進行處理，提取各自的分離曲線，比較不同時間對主頻測量信息的影響，將TRF7960的I/O_0～I/O_7作為并口輸入輸出端，得到天然氣管道運行狀態監測系統的功率放大模塊設計如圖3所示。

圖3中，假設系統采樣率至少200 kHz，系統第一級放大倍數的建立時間為23 ns（達到0.01%），系統的功耗?。▋H為34 mW）。由于單晶硅電池片的實驗室轉換效率只有20%左右，為了提高系統的功率轉換效率，可使用最大功率追蹤MPPT方法，基于WSN信息自適應感知，使電池片的輸出功率最大。天然氣管道運行狀態安全監測的阻抗能等效成并聯回路，此時負載僅為G。設計PCI接口，在EPM7128AETI100上連入各芯片的讀寫信號，由于運行狀態監測節點使用單晶硅單片，WSN能量采集開路電壓Uoc與電池片面積無關，約為0.6 V，峰值電壓約為0.45～0.5 V，短路電流和功率則與電池片面積成正比?？梢酝ㄟ^將太陽能電池片串并聯的方式，以滿足系統設計電壓和電流的要求。綜上分析，得到本文設計的天然氣管道安全運行狀態監測系統的硬件集成電路如圖4所示。

3 系統實驗與結果分析

為了測試本文設計的系統在實現天然氣運行狀態數據采集和監測的性能，進行仿真實驗。實驗中，假設CC2530芯片的工作電壓范圍為2～3.6 V，傳感器DS18B20工作電壓范圍為3～5 V，而鋰電池的供電電壓范圍為3.7～4.2 V，在天然氣管道運行狀態監測中需要進行DC-DC轉換。本設計中選用LTC3537DC/DC轉換器，可提供1.5～5.25 V的穩定電壓。天然氣管道運行狀態安全監測系統的輸出壓電電壓E=vl×B，管道氣體壓力采集儀的輸出轉矩為15 N·m，天然氣管道運行狀態安全監測控制模塊的宿主機安裝了Windows 7系統，模擬100個安全監測的請求任務?；谏鲜龇抡姝h境和參數設定，進行天然氣運行狀態數據采集，WSN采用水聽器進行分布式組網布陣，得到水聽器接收到的管道安全運行狀態信號采集結果如圖5所示。

從圖5可見，采用本文設計的監測系統能準確實現對天然氣管道運行狀態的信號采集，天然氣管道壓力波動的幅度為28 kPa，數據監測的準確度為98.13%，數據監測結果準確。以此為數據輸入，進行安全運行狀態分析，實現對天然氣管道運行狀態的實時評估和監測預警。

圖5 WSN節點對天然氣管道運行狀態的信號采集結果

4 結 語

對天然氣管道運行狀態安全監測系統進行優化設計，保障西氣東輸管線網絡的穩定可靠運行。本文提出一種基于無線傳感器網絡信息自適應感知的天然氣管道運行狀態安全監測系統設計方法。設計天然氣管道安全運行狀態監測數據采集系統，進行系統的硬件電路集成設計。系統仿真實驗結果表明，采用本文優化系統設計，能準確實現對天然氣管道運行狀態的信號和數據的自適應采集和特征分析，從而實現對天然氣管道的安全監測和管理。

參考文獻

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