戴星

摘 要：海上溢油會對海洋環(huán)境和社會環(huán)境造成危害和影響，其不僅會對整片海域的生態(tài)環(huán)境造成直接性的破壞，也會對國家社會經(jīng)濟和人體健康造成一定程度的威脅。因此，提出了一種簡單、全天候近海航道溢油監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)由溢油監(jiān)測傳感器、控制器及數(shù)據(jù)中心組成。相比衛(wèi)星遙感等大型監(jiān)測系統(tǒng)，本系統(tǒng)具有組網(wǎng)靈活簡單，性價比高，方便維護，節(jié)點增減自主性強等特點，對于近航道的溢油監(jiān)測特別適用，也可用于河道或江道的溢油監(jiān)測。

關鍵詞：藍光檢測技術;溢油監(jiān)測;ZigBee

中圖分類號：TH39 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）01-0025-04

Design and Application of Oil Spill Monitoring System for

Offshore Waterway based on Blu-Ray Detection

DAI Xing

（Mianyang Polytechnic，Sichuan Mianyang 621000）

Abstract： Oil spill at sea will do harm to the marine environment and social environment. It will not only cause direct damage to the ecological environment of the whole sea area， but also pose a certain degree of threat to the national social economy and human health. Therefore， a simple and all-weather oil spill monitoring system for offshore waterways was proposed， which consisted of oil spill monitoring sensors， controllers and data centers. Compared with satellite remote sensing and other large-scale monitoring systems， this system has the characteristics of flexible and simple network， high cost-effective， convenient maintenance， strong autonomy of node increase and decrease， and is especially suitable for oil spill monitoring in near-sea channel， and can also be used for oil spill monitoring in river or river channel.

Keywords： blue light detection technology;oil spill monitoring;ZigBee

目前，隨著人們對能源需求量的增加，我國在海洋領域中的石油開發(fā)不斷深入。由于石油能源的開發(fā)、運輸、儲存等多方面原因，會導致在海洋領域中出現(xiàn)溢油現(xiàn)象。據(jù)統(tǒng)計，我國從1973—2008年出現(xiàn)的溢油事故大約有3 000起，其中50 t之上的溢油事故約為70起，實際溢油量大約達到37 000 t，這些溢油事故不僅會造成經(jīng)濟上的損失，也會威脅到海域附近的旅游勝地。因此，對近海航道展開實時監(jiān)測是解決溢油事故的關鍵。

1 近海航道溢油監(jiān)測的主要模式

1.1 衛(wèi)星遙感監(jiān)測模式

衛(wèi)星遙感監(jiān)測模式主要是將人造衛(wèi)星作為監(jiān)測平臺，充分利用人造衛(wèi)星所搭載的遙感傳感器，對地球表面的地物電磁波展開探測，并對探測到的相關信息數(shù)據(jù)進行分析與處理，最終識別出物質(zhì)的狀態(tài)與性質(zhì)，屬于一種較為綜合的技術。這種監(jiān)測模式是在20世紀60年代左右發(fā)展起來，到80年代時有很多國家和地區(qū)開始發(fā)射屬于自己國家的人造衛(wèi)星。例如：法國、歐洲、印度等。這種監(jiān)測模式擁有監(jiān)測范圍較大、信息數(shù)據(jù)易處理、連續(xù)監(jiān)測等特點，所以在西方國家環(huán)境監(jiān)測中的實際應用較為廣泛[1]。

1.2 航空遙感監(jiān)測模式

航空遙感監(jiān)測模式主要可以分為兩種方式[2，3]，分別是航空遙感與航空觀測。航空遙感監(jiān)測模式主要是指在航空器中安裝相關設施與傳感器，使其在空中對海面的溢油狀況展開大范圍的連續(xù)監(jiān)測，是海洋環(huán)境監(jiān)測中較為關鍵的方式之一，也是經(jīng)濟發(fā)達國家對海洋展開實時監(jiān)測的主要方式。它在效率、速度、范圍以及分辨等多方面的優(yōu)勢較強，當海面出現(xiàn)溢油現(xiàn)象時，能夠及時確定被污染的實際范圍，也能夠?qū)σ缬褪鹿实臄U散方向展開預測。我國在這方面的研究較晚，雖然已配置了海巡飛機，但由于其中的設施較為簡單，因此不能全天對近海航道的溢油現(xiàn)象展開識別。

1.3 巡邏船監(jiān)測模式

巡邏船監(jiān)測模式通過充分利用航海雷達與反射信息的處理系統(tǒng)，對海面的溢油現(xiàn)象展開遙感監(jiān)測。大約在20世紀80年代，美國、俄羅斯、加拿大等國家采用X波段的雷達對海面展開了多次試驗，由加拿大分別在兩艘船舶中安置型號不同的雷達展開試驗，獲得的成果十分可觀，最終確定將船舶中的雷達與岸基上的雷達相互結合，監(jiān)視海面中出現(xiàn)的溢油狀況。我國在設計長傳船舶時，公國石油化工集團、中海油田服務股份等公司分別設計了一艘溢油巡邏船，在設計巡邏船的過程中，采用的全部是荷蘭雷達的溢油監(jiān)測系統(tǒng)，由中海油田服務股份有限公司設計的巡邏船已正式投入應用。

2 溢油監(jiān)測系統(tǒng)

本系統(tǒng)由溢油監(jiān)測傳感器、低功耗控制器、ZigBee無線傳輸組成。本文中全天候溢油監(jiān)測傳感器是溢油監(jiān)測系統(tǒng)的核心原件。它必須要準確判別出是否有溢油現(xiàn)象的發(fā)生，還要保證全天候工作。

2.1 傳感器系統(tǒng)設計

本傳感器由激發(fā)光源、過濾裝置、光感探測器以及調(diào)理電路等部分組成，安裝在離水面一定距離進行監(jiān)測。這種非接觸形式的安裝方式避免了水生污染，使得測量更加準確;同時，也可避免過路船的干擾和破壞。其系統(tǒng)架構見圖1。

<C：＼Users＼hnkj＼Desktop＼河南科技（創(chuàng)新驅(qū)動）2019年第01期_103595＼Image＼9$9）GQ3823E95RCBJ@～`XSU.png>[傳感器

控制系統(tǒng)][紫外光

發(fā)射器][藍光

接收器][聚光片][濾光片][油膜]

圖1 傳感器系統(tǒng)結構圖

根據(jù)傳感器設計要求，紫外光發(fā)射器選擇了L46系列閃爍氙燈及組件，該發(fā)射器閃光有頻率高、亮度高、能耗少、體積小、壽命長以及紫外光波長集中等特點。藍光接收器選擇了H10722光點倍增管及組件，該藍光接收器具有增益高、靈敏度高、偏置電壓低以及紋波低等特點。溢油傳感器見圖2。

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（a） 正面

<F：＼歡歡文件夾＼201904＼河南科技201901＼河南科技（創(chuàng)新驅(qū)動）2019年第01期_103595＼Image＼image3.jpeg>

（b） 側面

圖2 溢油監(jiān)測傳感器

2.2 控制模塊

本系統(tǒng)控制模塊選用CC2530模塊，該模塊有多種無線傳輸協(xié)議，可以建立強大的無線網(wǎng)絡，方便單個溢油監(jiān)測系統(tǒng)的組網(wǎng)管理;同時，該模塊還有增強型8051CPU和多種工作模式，方便系統(tǒng)編程，實現(xiàn)工作模式的轉(zhuǎn)換。為了滿足低功耗工作模式和正常工作模式，本控制器設置了兩套時鐘系統(tǒng)，一套32MHz的晶體振蕩電路;另一套用于低功耗模式下的32.768kHz的晶體振蕩電路。時鐘系統(tǒng)電路如圖3所示。

控制器處理流程分工作模式1和工作模式2。傳感器信號通過P2.0與芯片連接。在工作模式1狀態(tài)下連續(xù)采集10次數(shù)據(jù)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后，進行對比，小于閾值，繼續(xù)循環(huán)執(zhí)行采集轉(zhuǎn)換比對程序;當采集數(shù)據(jù)大于閾值時，啟動工作模式2。存儲10次數(shù)據(jù)平均值，再執(zhí)行2次循環(huán)采集，對比3次數(shù)據(jù)平均值，如數(shù)據(jù)均大于閾值且其值相近，則判定有溢油現(xiàn)象發(fā)生。收集首次發(fā)生數(shù)據(jù)的時間，本節(jié)點地址、連續(xù)數(shù)據(jù)及報警控制信號整理成數(shù)據(jù)包備份并發(fā)送?？紤]到掉電后數(shù)據(jù)丟失的情況，CC2530還接了一個AT24C04電可擦芯片，AT24C04的SDA和SCL腳分別與CC2530的P1.0和P1.1相連，數(shù)據(jù)先通過IIC協(xié)議傳送給AT24C04，再啟動ZigBee傳輸數(shù)據(jù)給數(shù)據(jù)中心，并控制區(qū)域報警裝置工作。區(qū)域報警裝置安裝在近航道監(jiān)測區(qū)域的臨近碼頭上，屬于ZigBee無線網(wǎng)絡中的一個節(jié)點，由硬件電路和報警設備構成，工作原理是當裝置接收到報警信號后，啟動報警鈴聲和報警閃爍燈，通知碼頭工作人員盡快做出處理，防止溢油事故擴大。

2.3 ZigBee無線傳輸技術

ZigBee是Zigzag和Bee蜜蜂的合成詞，ZigBee技術是一種個域網(wǎng)協(xié)議，主要以IEEE802.15.4為指標，并且適合無線連接、低功耗、低數(shù)據(jù)傳輸速率、低成本、低復雜度類型的檢測與調(diào)控的綜合系統(tǒng)[4，5]。相比常用無線通信標準，ZigBee無線傳輸網(wǎng)絡更適用于傳感器采集與控制系統(tǒng)，要求系統(tǒng)資源占用小、傳輸功耗低、待機時間長以及星狀片狀高容量組網(wǎng)。常用無線傳輸與ZigBee對比見表1。根據(jù)ZigBee傳輸特點，故本系統(tǒng)采用ZigBee技術來實現(xiàn)溢油數(shù)據(jù)的傳輸。

表1 ZigBee無線傳輸與其他數(shù)據(jù)傳輸

[傳輸內(nèi)容 GPRS WiFi ZigBee 應用 聲音、數(shù)據(jù) Web、視頻 監(jiān)測、控制 系統(tǒng)資源 ≥16MB ≥1MB 4～6KB 電池壽命 1～7d 0.5～5d 100～1 000d 傳輸范圍 ≥1km 1～100m 1～100m ]

本系統(tǒng)ZigBee硬件外圍電路見圖3。由于本系統(tǒng)應用場所是比較空曠的碼頭，所以ZigBee組網(wǎng)采用星型結構，一個FFD中心節(jié)點和幾個RFD終端節(jié)點，其結構見圖4。

<C：＼Users＼hnkj＼Desktop＼河南科技（創(chuàng)新驅(qū)動）2019年第01期_103595＼Image＼B～EQWMLWV_$EG$XX7%0NYWY.png>[RFD][RFD][RFD][FFD][RFD]

圖4 星型網(wǎng)絡結構

數(shù)據(jù)中心配置FFD中心節(jié)點，起協(xié)調(diào)器作用，搜索頻段內(nèi)空閑的信道，建立ZigBee網(wǎng)絡，等待終端節(jié)點加入，當有節(jié)點加入網(wǎng)絡時，收集信息傳入上位機，并根據(jù)上位機命令將控制信號發(fā)送給終端節(jié)點，控制終端執(zhí)行報警命令。每一個溢油監(jiān)測點設置一個RFD終端節(jié)點負責數(shù)據(jù)的發(fā)送與FFD通信，區(qū)域報警裝置設置一個終端節(jié)點，用于區(qū)域報警。當需要數(shù)據(jù)傳輸時，節(jié)點會發(fā)送一個命令的格式包，等待FFD節(jié)點反應，當FFD節(jié)點返回值為請發(fā)送格式包時，終端節(jié)點即可發(fā)送數(shù)據(jù)包。其發(fā)送數(shù)據(jù)流程見圖5。

<F：＼歡歡文件夾＼201904＼河南科技201901＼河南科技（創(chuàng)新驅(qū)動）2019年第01期_103595＼Image＼XFG0（{5K%PW0BNGX]LG（AIJ.png>[開始][采集溢油數(shù)據(jù)][判斷是

否溢油][CC2530模式設置][判斷計數(shù)][判斷計數(shù)次數(shù)][>10次][整理打包數(shù)據(jù)][發(fā)送數(shù)據(jù)包請求][收到應答][發(fā)送數(shù)據(jù)][切換CC2530工作模式][Y][N][判斷是

否溢油][存儲數(shù)據(jù)]

圖5 終端節(jié)點控制流程圖

FFD節(jié)點與上位機通過RS485通信，上位機軟件用于內(nèi)置通信協(xié)議的組態(tài)王軟件編寫而成，其功能主要有顯示當前各終端節(jié)點狀況，有狀況顯示為紅色報警燈，無狀況為綠色燈表示在線，另一個功能則是歷史數(shù)據(jù)查詢，見圖6。

<F：＼歡歡文件夾＼201904＼河南科技201901＼河南科技（創(chuàng)新驅(qū)動）2019年第01期_103595＼Image＼image7_1.png>

圖6 歷史數(shù)據(jù)查詢界面

3 結論

本系統(tǒng)已通過了實驗室測試，下一步將在寧波港碼頭中試用一段時間。相比衛(wèi)星遙感等大型監(jiān)測系統(tǒng)，本系統(tǒng)具有組網(wǎng)靈活簡單、性價比高、維護方便等優(yōu)點，可根據(jù)需要增加終端節(jié)點自主性強等特點，開發(fā)的溢油信息管理軟件，方便海事監(jiān)管工作人員對現(xiàn)場油污染狀況的監(jiān)視，查詢歷史信息，足不出戶就可了解現(xiàn)場信息，豐富了數(shù)字化海事的內(nèi)容，對于近航道的溢油監(jiān)測特別適用，也可用于河道或江道的溢油監(jiān)測。

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