基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的液化石油氣鋼瓶管理系統(tǒng)
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1．1 數(shù)據(jù)采集層
數(shù)據(jù)采集層實現(xiàn)前端數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)打包發(fā)送及實地報警功能，采集的物理量包括鋼瓶表面溫度和可燃?xì)怏w濃度。該層主要由安裝在液化石油氣鋼瓶上的無線傳感器節(jié)點、中繼和網(wǎng)關(guān)設(shè)備構(gòu)成。傳感器節(jié)點存儲了鋼瓶的身份信息，并連接了氣體濃度傳感器和溫度傳感器，可以監(jiān)測可燃?xì)怏w泄漏情況及鋼瓶表面是否溫度過高。若檢測到有危險情況，可通過蜂鳴器報警?；赗SSI(Received Signal Strength Indic ator)實現(xiàn)對無線傳感器節(jié)點的定位。
1．2 數(shù)據(jù)傳輸層
數(shù)據(jù)傳輸層實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集層和數(shù)據(jù)處理層之間的信息交互，主要包括鋼瓶信息上行傳輸和控制信息的下行發(fā)送功能。該層主要由公共基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，如以太網(wǎng)、WLAN、3G網(wǎng)絡(luò)、TD—LTE網(wǎng)絡(luò)等。本系統(tǒng)采用GPRS網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸。
1．3 數(shù)據(jù)處理層
數(shù)據(jù)處理層接收來自數(shù)據(jù)采集層的數(shù)據(jù)報文，并對數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析、存儲及分析處理。數(shù)據(jù)處理層由數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、存儲設(shè)備等構(gòu)成。
1．4 應(yīng)用終端層
應(yīng)用終端層通過網(wǎng)絡(luò)可以訪問數(shù)據(jù)處理層，實現(xiàn)鋼瓶使用信息和監(jiān)管信息的查閱。應(yīng)用終端設(shè)備包括電腦、手機(jī)等訪問終端。政府監(jiān)管部門通過該層可以實現(xiàn)對鋼瓶信息的統(tǒng)一監(jiān)測，普通用戶通過該層實現(xiàn)對自家鋼瓶信息的查詢。
2 用于液化石油氣鋼瓶監(jiān)測的無線傳感器節(jié)點設(shè)計
用于液化石油氣鋼瓶監(jiān)測的無線傳感器節(jié)點是數(shù)據(jù)采集層的關(guān)鍵設(shè)備，主要包括傳感器模塊、信號調(diào)理模塊、微處理器模塊、無線通信模塊、報警模塊、電源模塊等，圖2所示是本系統(tǒng)的傳感器節(jié)點結(jié)構(gòu)圖。本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/159482.htm
圖2中的傳感器模塊包括可燃?xì)怏w傳感器和溫度傳感器，主要用于監(jiān)測可燃?xì)怏w濃度和鋼瓶表面溫度。信號調(diào)理模塊用于對傳感器輸出的信號進(jìn)行放大、隔離、濾波等處理。微處理器模塊包括非易失性存儲器模塊，用于存儲嵌入式軟件程序、鋼瓶的身份信息(包括生產(chǎn)廠商、生產(chǎn)日期、年檢日期)等。微處理器模塊用于控制傳感器模塊、無線通信模塊、報警模塊的工作，同時處理傳感器模塊采集的數(shù)據(jù)和無線通信模塊接收的數(shù)據(jù)。無線通信模塊可將來自微處理器的數(shù)據(jù)上傳給中繼或網(wǎng)關(guān)節(jié)點，并可接收來自中繼或網(wǎng)關(guān)節(jié)點的下行查詢信息，將其送予微處理器處理。電源模塊用于為整個傳感器節(jié)點提供電源。報警模塊用于產(chǎn)生聲光報警信號。
系統(tǒng)中的存儲器模塊信息由液化石油氣鋼瓶檢查機(jī)關(guān)寫入。當(dāng)檢查機(jī)關(guān)檢驗鋼瓶質(zhì)量合格后，為鋼瓶安裝該無線傳感器節(jié)點，并將生產(chǎn)廠商、生產(chǎn)日期寫入非易失性存儲器模塊。鋼瓶檢查機(jī)關(guān)對鋼瓶定期檢測合格后，寫入最新的檢測日期。傳感器模塊受微處理器模塊控制對可燃?xì)怏w濃度和鋼瓶表面溫度進(jìn)行采樣?？扇?xì)怏w傳感器將可燃?xì)怏w濃度轉(zhuǎn)化為電信號輸出，經(jīng)模擬信號調(diào)理模塊處理后，接入微處理器，再經(jīng)過A／D轉(zhuǎn)換將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號送予微處理器處理。溫度傳感器模塊將鋼瓶表面溫度信息轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號送予微處理器。微處理器對這兩種信號進(jìn)行分析處理，經(jīng)無線通信模塊上傳給中繼或網(wǎng)關(guān)節(jié)點，最終傳輸至數(shù)據(jù)中心。若經(jīng)微處理器分析發(fā)現(xiàn)可燃?xì)怏w濃度或鋼瓶溫度超出設(shè)定閾值，可能發(fā)生爆炸危險時，系統(tǒng)將觸發(fā)報警器進(jìn)行聲光報警。
3 系統(tǒng)實現(xiàn)方案
無線傳感器節(jié)點的微處理器模塊采用TI公司的MSP430F149。MSP430F149是一種16位超低功耗微控制器，其CPU采用16位RISC架構(gòu)，內(nèi)部集成有60KB閃存、2KBRAM、12位A／D轉(zhuǎn)換和2個USART0將60 KB閃存作為存儲器模塊，可用于嵌入式軟件程序和鋼瓶的身份信息(包括生產(chǎn)廠商、生產(chǎn)日期、年檢日期)。無線通信模塊采用ZigBee射頻芯片CC2420，并通過SPI接口與微處理器相連。電源模塊采用電池供電，然后通過電壓轉(zhuǎn)換電路輸出3．3 V電壓為各模塊供電。
無線傳感器節(jié)點、中繼和網(wǎng)關(guān)采用ZigBee協(xié)議棧，可實現(xiàn)自組網(wǎng)。
無線傳感器節(jié)點安裝于液化石油氣鋼瓶上，中繼或網(wǎng)關(guān)節(jié)點安裝于小區(qū)樓房、鋼瓶充裝站及運輸干道。當(dāng)鋼瓶被用戶在家使用、充裝、運輸時，無線傳感器節(jié)點與中繼、網(wǎng)關(guān)節(jié)點組成傳感器網(wǎng)絡(luò)。這樣，一方面，網(wǎng)關(guān)可將無線傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)采用GPRS發(fā)送至數(shù)據(jù)中心；另一方面，網(wǎng)關(guān)節(jié)點也會定期下發(fā)鋼瓶查詢信息，當(dāng)無線傳感器節(jié)點收到查詢信息后，即可將鋼瓶信息上傳，然后經(jīng)中繼、網(wǎng)關(guān)節(jié)點，最終送予數(shù)據(jù)中心。
無線傳感器節(jié)點的中繼和網(wǎng)關(guān)節(jié)點的位置是固定的，故可以作為參考點，然后基于RSSI實現(xiàn)對無線傳感器節(jié)點的定位，從而確定鋼瓶所在的位置。
數(shù)據(jù)中心主要包括數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、管理服務(wù)器，主要實現(xiàn)液化石油氣鋼瓶的檔案管理、充裝站監(jiān)管、鋼瓶運輸車輛在線跟蹤，為應(yīng)用終端提供網(wǎng)絡(luò)訪問服務(wù)。
4 結(jié)語
針對目前液化石油氣鋼瓶質(zhì)量不合格、液化石油氣泄漏、高溫烘烤、運輸環(huán)節(jié)事故、非法供氣等問題，本文提出了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的液化石油氣鋼瓶管理系統(tǒng)，同時設(shè)計了一種用于鋼瓶監(jiān)測的無線傳感器節(jié)點。從而通過無線傳感器節(jié)點實現(xiàn)鋼瓶溫度和氣體濃度信息的檢測，并通過網(wǎng)關(guān)下發(fā)鋼瓶查詢信息、無線傳感器節(jié)點上傳鋼瓶身份信息，以實現(xiàn)鋼瓶信息的自動查詢，實現(xiàn)實時監(jiān)測、自動報警和監(jiān)測數(shù)據(jù)上傳。本系統(tǒng)安全可靠，免除了人工巡檢工作，節(jié)省了人力物力。當(dāng)危險發(fā)生時，一方面，無線傳感器節(jié)點可以自動報警，提醒事發(fā)地人員及時處理；另一方面，監(jiān)控中心也可以通過監(jiān)測到的實時數(shù)據(jù)和定位信息來快速定位事故地點，實現(xiàn)快速搶險，降低事故損失。
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