基于WSN的天然氣管道壓力預警監測儀裝置設計

陳星瑋+王學軍+張+毅

摘 要：天然氣管道的壓力預警監測儀裝置設計是實現天然氣在管道中安全傳輸的關鍵。提出一種基于無線傳感器網絡（WSN）的天然氣管道的壓力預警監測儀設計方法，設計了天然氣管道壓力信號采集和預警識別算法，采用最小方差響應不變波束形成進行壓力信號識別。進行監測儀系統硬件模塊設計，設計壓力傳感器運算放大器電路，基于WSN實現天然氣管道壓力預警監測儀的改進設計。系統測試結果表明，該監測儀表裝置能準確采集天然氣管道壓力信號，能提高對天然氣管道壓力信號的采集識別性能，為實現天然氣管道壓力預警監測儀提供準確的數據基礎，監測儀裝置能實現對管道內的各種參數的全面、實時、動態的監控。

關鍵詞：WSN;天然氣管道;儀表;壓力預警

中圖分類號：TH702 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? 文章編號：2095-1302（2015）01-00-02

0 ?引 ?言

無線傳感器網絡（Wireless Sensor Network， WSN）是由一組部署在被監測區域內、尺寸小、能耗低和價格低廉的傳感器節點構成。引入WSN技術，對天然氣管道的壓力進行原始數據采集和信息處理，實現對天然氣管道壓力和預警和監測，具有可行性。天然氣管道傳輸過程中，管道內的壓力大，準確監測是保證天然氣管道安全運行的關鍵[1]。研究基于WSN的天然氣管道壓力預警監測儀器儀表裝置的設計，具有重要意義和工程價值[2]。

傳統模型中，常見的天然氣管道壓力測量方法采用調制壓力數據源產生周期性高低頻壓力信號，但僅能測試天然氣管道的局部壓力，且不能用于研發時的調試，并且都需要配備專門的AD采集卡、計算機等，因此體積龐大、不適合攜帶、不適用于野外作業[3-5]。本文對傳統的天然氣管道的壓力預警監測儀進行改進設計，基于WSN傳感器網絡模型，對壓力預警監測儀系統進行硬件模型設計和軟件算法設計，通過網關技術實現對天然氣管道壓力數據的融合和實時采集，然后進行上位機控制程序的設計，保證了實時數據采集的可靠性及有效性，最后通過系統測試方法進行性能驗證，得到有效結論。

1 ?WSN的體系結構與系統總體模型設計

1.1 ?天然氣管道壓力信號采集WSN體系結構

本文設計天然氣管道的壓力預警監測儀，原始信號模型是來自于WSN網絡分布在各個野外管道節點終端的傳感器進行壓力信號，在WSN中，傳感器節點是傳感器網絡最基本的組成單元，它具有傳感、信號處理和無線通信能力。通過傳感器節點實現對天然氣管道壓力信號的原始信息采集。傳感器節點通常由傳感器模塊、處理器模塊、電源模塊和無線通信模塊組成。天然氣管道壓力信號采集傳感器節點的系統設計如圖1所示。

圖1 ?天然氣管道壓力信號采集傳感器節點框圖

WSN 網絡中，各個節點都可以實時采集管道中的氣體壓力、溫濕度等環境參數信息。本文設計的新方案在協調器往下都采用無線通信技術，每增加一塊監控區域，僅添加路由節點便可實現，可移動性好、維護方便。

1.2 ?天然氣管道壓力信號采集和預警識別算法

在上述設計的WSN網絡系統中，對各個傳感器節點采集的壓力信號進行識別和處理，作為壓力預警監測儀裝置設計的軟件核心。本文采用最小方差響應不變波束形成算法對壓力信號進行識別處理，改進對天然氣遠程傳輸過程中的管道壓力信號采集識別，描述天然氣管道壓力情況的動態變化矩陣記為：

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

天然氣管道壓力的動態變化的加權向量為二階矩形式：

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

天然氣管道壓力信號的信息呈現一種均勻分布，均勻分布矩形陣列最小方差為矩陣Q1（θ），非負定的共軛對稱矩陣在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程中的管道壓力信號的最小方差響應不變波束形成結果為：

（3）

通過各種傳感器實時采集管道中的壓力信息，其中采集壓力信號的功率譜密度為：

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

考慮遠程傳輸過程中的天然氣管道壓力受到WSN的傳感采集精度的影響，進行最小方差響應不變誤差補償，得到輸出的天然氣管道壓力信號的波束形成結果為：

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

綜上可見，采用本文提出的最小方差響應不變波束形成，能提高對天然氣管道壓力信號的采集識別性能。

2 ?監測儀系統硬件模塊設計關鍵技術

根據上述網絡模型設計和算法改進設計，得到了天然氣管道壓力信號的采集識別的算法實現思路，以此為基礎，設計基于WSN的天然氣管道壓力預警檢測儀的系統模塊。所設計的天然氣管道壓力檢測系統軟件實現的基本功能包括：A/D模數轉換程序、采樣數據處理、可控頻率幅度信號發生器程序、衰減器控制、鍵盤控制、顯示器控制、DSP與FPGA通信等。當telosB模塊需要采集壓力數據時，會發出一個控制信號，傳感器板收到這個信號時，就會先打開傳感器板和運算放大器，不同位置的壓力傳感器可以采集到不同的壓力信號，微處理器對采集的壓力信號進行處理，如果存在異常壓力信號，則微處理器將異常壓力信號通過調制解調器傳輸到地面上的監控中心，據此本文設計的傳感器板運算放大器電路圖如圖2所示。

圖2 ?壓力傳感器運算放大器

WSN的終端節點向無線路由器發送連接指令，等路由器進行確認后，壓力檢測系統融入無線傳感器WSN網絡。當定時器觸發后，會啟動壓力傳感器的采樣：

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據后，運行一個任務，將數據發送至基站。

3 ?實驗與結果分析

為了測試本文設計的基于WSN的天然氣管道壓力預警監測儀表裝置的系統性能，進行系統測試與仿真實驗，設定均勻矩形陣方位角θ從0°，30°，60°和90°進行天然氣管道壓力信號采集，并在WSN中進行波束形成實驗，得到采集到得到的天然氣管道壓力信號如圖3所示。實驗時，將WSN終端節點放在天然氣管道里，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實時準確，采用本文設計的最小方差響應不變波束形成，能提高對天然氣管道壓力信號的采集識別性能。為實現天然氣管道壓力預警監測儀提供準確的數據。

圖3 ?壓力信號采集處理輸出結果

把上述采集的壓力信號輸入到本文設計的壓力預警監測儀中，得到監測儀的界面的輸出結果如圖4所示。

圖4 ?修改配置表傳感器進行各種應用開發界面

點擊左邊的alert表，可以查看報警記錄，其中ID表示報警的壓力傳感器編號，time表示報警的時間，description表示報警的類型，它是由系統定義的。圖5為預警監測儀的輸出結果，其中index表示歷史記錄序號;maxVoltage表示允許的最大壓力;minVoltage表示允許的最小壓力;lostPeriod表示如果指定時間內沒有采集到相關傳感器的壓力數據，則報警;mine表示管道;work表示工作面號。通過分析可見，采用本文設計的監測儀可以實現對管道內的各種參數的全面、實時、動態的監控，通過485網絡或者以太網將數據上傳至井上遠端的計算機，及時掌握管道壓力狀態。

4 ?結 ?語

在西氣東輸工程中，天然氣通過管道進行傳輸，管道內的壓力大準確監測是保證天然氣管道安全運行的關鍵。本文對傳統的天然氣管道的壓力預警監測儀進行改進設計，提出一種基于無線傳感器網絡（WSN）的天然氣管道的壓力預警監測儀設計方法。研究得出，本文設計的壓力預警監測儀裝置能準確采集天然氣管道壓力信號，實現對管道內的各種參數的全面、實時、動態的監控。

圖5 ?壓力預警監測輸出結果

參考文獻

[1]楊明，郝亮，徐殿國.基于自適應陷波濾波器的在線機械諧振抑制[J].哈爾濱工業大學學報，2014，46（4）：63-69.

[2]王瑞，馬艷.基于分數階傅里葉變換的線性調頻脈沖信號波達方向估計[J].兵工學報，2014，35（3）：421-427

[3]朱彥松，竇桂琴.一種基于多維度信任的WSN安全數據融合方法[J].武漢大學學報（理學版）， 2013， 59（2）：193-197

[4]徐曉斌，張光衛，孫其博，等. 一種誤差可控傳輸均衡的 WSN 數據融合算法[J]. 電子學報， 2014， 42（6）：1205-1209.

[5]張子龍，薛靜，喬鴻海，等.基于改進 SURF 算法的交通視頻車輛檢索方法研究[J].西北工業大學學報，2014，32（2）：297-301