陳星瑋+王學(xué)軍+張+毅

摘 要：天然氣管道的壓力預(yù)警監(jiān)測(cè)儀裝置設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)天然氣在管道中安全傳輸?shù)年P(guān)鍵。提出一種基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）的天然氣管道的壓力預(yù)警監(jiān)測(cè)儀設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)了天然氣管道壓力信號(hào)采集和預(yù)警識(shí)別算法，采用最小方差響應(yīng)不變波束形成進(jìn)行壓力信號(hào)識(shí)別。進(jìn)行監(jiān)測(cè)儀系統(tǒng)硬件模塊設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)壓力傳感器運(yùn)算放大器電路，基于WSN實(shí)現(xiàn)天然氣管道壓力預(yù)警監(jiān)測(cè)儀的改進(jìn)設(shè)計(jì)。系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果表明，該監(jiān)測(cè)儀表裝置能準(zhǔn)確采集天然氣管道壓力信號(hào)，能提高對(duì)天然氣管道壓力信號(hào)的采集識(shí)別性能，為實(shí)現(xiàn)天然氣管道壓力預(yù)警監(jiān)測(cè)儀提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，監(jiān)測(cè)儀裝置能實(shí)現(xiàn)對(duì)管道內(nèi)的各種參數(shù)的全面、實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)的監(jiān)控。

關(guān)鍵詞：WSN;天然氣管道;儀表;壓力預(yù)警

中圖分類號(hào)：TH702 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? 文章編號(hào)：2095-1302（2015）01-00-02

0 ?引 ?言

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network， WSN）是由一組部署在被監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)、尺寸小、能耗低和價(jià)格低廉的傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。引入WSN技術(shù)，對(duì)天然氣管道的壓力進(jìn)行原始數(shù)據(jù)采集和信息處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)天然氣管道壓力和預(yù)警和監(jiān)測(cè)，具有可行性。天然氣管道傳輸過(guò)程中，管道內(nèi)的壓力大，準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)是保證天然氣管道安全運(yùn)行的關(guān)鍵[1]。研究基于WSN的天然氣管道壓力預(yù)警監(jiān)測(cè)儀器儀表裝置的設(shè)計(jì)，具有重要意義和工程價(jià)值[2]。

傳統(tǒng)模型中，常見(jiàn)的天然氣管道壓力測(cè)量方法采用調(diào)制壓力數(shù)據(jù)源產(chǎn)生周期性高低頻壓力信號(hào)，但僅能測(cè)試天然氣管道的局部壓力，且不能用于研發(fā)時(shí)的調(diào)試，并且都需要配備專門(mén)的AD采集卡、計(jì)算機(jī)等，因此體積龐大、不適合攜帶、不適用于野外作業(yè)[3-5]。本文對(duì)傳統(tǒng)的天然氣管道的壓力預(yù)警監(jiān)測(cè)儀進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，基于WSN傳感器網(wǎng)絡(luò)模型，對(duì)壓力預(yù)警監(jiān)測(cè)儀系統(tǒng)進(jìn)行硬件模型設(shè)計(jì)和軟件算法設(shè)計(jì)，通過(guò)網(wǎng)關(guān)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)天然氣管道壓力數(shù)據(jù)的融合和實(shí)時(shí)采集，然后進(jìn)行上位機(jī)控制程序的設(shè)計(jì)，保證了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集的可靠性及有效性，最后通過(guò)系統(tǒng)測(cè)試方法進(jìn)行性能驗(yàn)證，得到有效結(jié)論。

1 ?WSN的體系結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)總體模型設(shè)計(jì)

1.1 ?天然氣管道壓力信號(hào)采集WSN體系結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)天然氣管道的壓力預(yù)警監(jiān)測(cè)儀，原始信號(hào)模型是來(lái)自于WSN網(wǎng)絡(luò)分布在各個(gè)野外管道節(jié)點(diǎn)終端的傳感器進(jìn)行壓力信號(hào)，在WSN中，傳感器節(jié)點(diǎn)是傳感器網(wǎng)絡(luò)最基本的組成單元，它具有傳感、信號(hào)處理和無(wú)線通信能力。通過(guò)傳感器節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)對(duì)天然氣管道壓力信號(hào)的原始信息采集。傳感器節(jié)點(diǎn)通常由傳感器模塊、處理器模塊、電源模塊和無(wú)線通信模塊組成。天然氣管道壓力信號(hào)采集傳感器節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 ?天然氣管道壓力信號(hào)采集傳感器節(jié)點(diǎn)框圖

WSN 網(wǎng)絡(luò)中，各個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以實(shí)時(shí)采集管道中的氣體壓力、溫濕度等環(huán)境參數(shù)信息。本文設(shè)計(jì)的新方案在協(xié)調(diào)器往下都采用無(wú)線通信技術(shù)，每增加一塊監(jiān)控區(qū)域，僅添加路由節(jié)點(diǎn)便可實(shí)現(xiàn)，可移動(dòng)性好、維護(hù)方便。

1.2 ?天然氣管道壓力信號(hào)采集和預(yù)警識(shí)別算法

在上述設(shè)計(jì)的WSN網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，對(duì)各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)采集的壓力信號(hào)進(jìn)行識(shí)別和處理，作為壓力預(yù)警監(jiān)測(cè)儀裝置設(shè)計(jì)的軟件核心。本文采用最小方差響應(yīng)不變波束形成算法對(duì)壓力信號(hào)進(jìn)行識(shí)別處理，改進(jìn)對(duì)天然氣遠(yuǎn)程傳輸過(guò)程中的管道壓力信號(hào)采集識(shí)別，描述天然氣管道壓力情況的動(dòng)態(tài)變化矩陣記為：

R=E[z（t）zH（t）]=BPSBH+σ2n ? ?IM ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

天然氣管道壓力的動(dòng)態(tài)變化的加權(quán)向量為二階矩形式：

E[stskH]=PSδ（t，k），E[ntnkH]=σ2n ? ?IMδ（t，k） ? ? ? ? ? ? ? （2）

天然氣管道壓力信號(hào)的信息呈現(xiàn)一種均勻分布，均勻分布矩形陣列最小方差為矩陣Q1（θ），非負(fù)定的共軛對(duì)稱矩陣在x軸方向的陣元間距dx，y軸方向的陣元間距為dy，由此得到了管道傳輸天然氣過(guò)程中的管道壓力信號(hào)的最小方差響應(yīng)不變波束形成結(jié)果為：

（3）

通過(guò)各種傳感器實(shí)時(shí)采集管道中的壓力信息，其中采集壓力信號(hào)的功率譜密度為：

dx=dy=λ/2 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（4）

考慮遠(yuǎn)程傳輸過(guò)程中的天然氣管道壓力受到WSN的傳感采集精度的影響，進(jìn)行最小方差響應(yīng)不變誤差補(bǔ)償，得到輸出的天然氣管道壓力信號(hào)的波束形成結(jié)果為：

a（θ）=[1，e-jπsin θ，e-j2πsin θ，…e-j（M-1）πsin θ ]T ? ? ? ? ? ? ? ?（5）

綜上可見(jiàn)，采用本文提出的最小方差響應(yīng)不變波束形成，能提高對(duì)天然氣管道壓力信號(hào)的采集識(shí)別性能。

2 ?監(jiān)測(cè)儀系統(tǒng)硬件模塊設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

根據(jù)上述網(wǎng)絡(luò)模型設(shè)計(jì)和算法改進(jìn)設(shè)計(jì)，得到了天然氣管道壓力信號(hào)的采集識(shí)別的算法實(shí)現(xiàn)思路，以此為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)基于WSN的天然氣管道壓力預(yù)警檢測(cè)儀的系統(tǒng)模塊。所設(shè)計(jì)的天然氣管道壓力檢測(cè)系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)的基本功能包括：A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換程序、采樣數(shù)據(jù)處理、可控頻率幅度信號(hào)發(fā)生器程序、衰減器控制、鍵盤(pán)控制、顯示器控制、DSP與FPGA通信等。當(dāng)telosB模塊需要采集壓力數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)發(fā)出一個(gè)控制信號(hào)，傳感器板收到這個(gè)信號(hào)時(shí)，就會(huì)先打開(kāi)傳感器板和運(yùn)算放大器，不同位置的壓力傳感器可以采集到不同的壓力信號(hào)，微處理器對(duì)采集的壓力信號(hào)進(jìn)行處理，如果存在異常壓力信號(hào)，則微處理器將異常壓力信號(hào)通過(guò)調(diào)制解調(diào)器傳輸?shù)降孛嫔系谋O(jiān)控中心，據(jù)此本文設(shè)計(jì)的傳感器板運(yùn)算放大器電路圖如圖2所示。

圖2 ?壓力傳感器運(yùn)算放大器

WSN的終端節(jié)點(diǎn)向無(wú)線路由器發(fā)送連接指令，等路由器進(jìn)行確認(rèn)后，壓力檢測(cè)系統(tǒng)融入無(wú)線傳感器WSN網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)定時(shí)器觸發(fā)后，會(huì)啟動(dòng)壓力傳感器的采樣：

event void Check.fired（） {

call ReadStream.postBuffer（pressureSamples， PRESSURE_SAMPLES）;

call ReadStream.read（PRESSURE_INTERVAL）;

}

采集完管道中的天然氣壓力數(shù)據(jù)后，運(yùn)行一個(gè)任務(wù)，將數(shù)據(jù)發(fā)送至基站。

3 ?實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

為了測(cè)試本文設(shè)計(jì)的基于WSN的天然氣管道壓力預(yù)警監(jiān)測(cè)儀表裝置的系統(tǒng)性能，進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試與仿真實(shí)驗(yàn)，設(shè)定均勻矩形陣方位角θ從0°，30°，60°和90°進(jìn)行天然氣管道壓力信號(hào)采集，并在WSN中進(jìn)行波束形成實(shí)驗(yàn)，得到采集到得到的天然氣管道壓力信號(hào)如圖3所示。實(shí)驗(yàn)時(shí)，將WSN終端節(jié)點(diǎn)放在天然氣管道里，模擬天然氣管道收到的壓力，從圖中可知，接收到的管道壓力信號(hào)實(shí)時(shí)準(zhǔn)確，采用本文設(shè)計(jì)的最小方差響應(yīng)不變波束形成，能提高對(duì)天然氣管道壓力信號(hào)的采集識(shí)別性能。為實(shí)現(xiàn)天然氣管道壓力預(yù)警監(jiān)測(cè)儀提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

圖3 ?壓力信號(hào)采集處理輸出結(jié)果

把上述采集的壓力信號(hào)輸入到本文設(shè)計(jì)的壓力預(yù)警監(jiān)測(cè)儀中，得到監(jiān)測(cè)儀的界面的輸出結(jié)果如圖4所示。

圖4 ?修改配置表傳感器進(jìn)行各種應(yīng)用開(kāi)發(fā)界面

點(diǎn)擊左邊的alert表，可以查看報(bào)警記錄，其中ID表示報(bào)警的壓力傳感器編號(hào)，time表示報(bào)警的時(shí)間，description表示報(bào)警的類型，它是由系統(tǒng)定義的。圖5為預(yù)警監(jiān)測(cè)儀的輸出結(jié)果，其中index表示歷史記錄序號(hào);maxVoltage表示允許的最大壓力;minVoltage表示允許的最小壓力;lostPeriod表示如果指定時(shí)間內(nèi)沒(méi)有采集到相關(guān)傳感器的壓力數(shù)據(jù)，則報(bào)警;mine表示管道;work表示工作面號(hào)。通過(guò)分析可見(jiàn)，采用本文設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)儀可以實(shí)現(xiàn)對(duì)管道內(nèi)的各種參數(shù)的全面、實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)的監(jiān)控，通過(guò)485網(wǎng)絡(luò)或者以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)上傳至井上遠(yuǎn)端的計(jì)算機(jī)，及時(shí)掌握管道壓力狀態(tài)。

4 ?結(jié) ?語(yǔ)

在西氣東輸工程中，天然氣通過(guò)管道進(jìn)行傳輸，管道內(nèi)的壓力大準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)是保證天然氣管道安全運(yùn)行的關(guān)鍵。本文對(duì)傳統(tǒng)的天然氣管道的壓力預(yù)警監(jiān)測(cè)儀進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，提出一種基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）的天然氣管道的壓力預(yù)警監(jiān)測(cè)儀設(shè)計(jì)方法。研究得出，本文設(shè)計(jì)的壓力預(yù)警監(jiān)測(cè)儀裝置能準(zhǔn)確采集天然氣管道壓力信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)管道內(nèi)的各種參數(shù)的全面、實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)的監(jiān)控。

圖5 ?壓力預(yù)警監(jiān)測(cè)輸出結(jié)果

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