基于LoRa技術的儲罐火災報警無線測溫系統

錢源來，沈培璐，李偉杰

（中化興中石油轉運（舟山）有限公司，浙江 舟山 316000；中國計量大學，浙江 杭州 310018）

0 引言

儲罐火災報警裝置對保障大型油庫安全運營具有重要意義。根據《石油庫設計規范》（GB50074-2014）要求，容量大于或者等于50000m3的外浮頂儲罐都應在儲罐上設置火災自動探測裝置[1]。現在，行業內普遍使用光纖光柵感溫火災報警裝置，其具有絕緣性強、可靠性好、監測區域廣、響應時間短等特點,適用于易燃易爆等危險場所的火災報警[2][3]，但存在設備成本高、光纖易斷纖、維護難度大等不足，企業在實際應用中，存在一定安全隱患，且運維成本較高。

針對光纖光柵測溫方式的不足，近年來各類火災預警技術在石油化工企業中得到探索，畢曉蕾提出了基于氣壓檢測的火災報警系統[4]，馮翠翠利用西門子總線構建了可燃氣體傳感器網絡實現火災報警[5]，趙樹有開發了基于CC2530模塊的無線測溫網絡[6]。本文提出一種基于LoRa技術的無線溫度傳感網絡，探討其在石油儲罐火災報警中的應用,通過搭建預警平臺，建立預測報警體系，以及時發現安全隱患，降低經濟損失。

1 系統原理

按照場地情況，石油庫區將儲罐劃分為若干罐組，各罐組內包含4～8個儲罐，以中化興中石油轉運（舟山）有限公司為例，現有35個50000m3及其以上儲罐，按地理位置劃分為7組罐組。在每個儲罐罐頂的二次密封處，隔3米安裝一個無線測溫探頭，探頭數量和儲罐大小相關，如100000m3的儲罐安裝點位為88個。同一罐組內的無線測溫探頭和無線接收網關組成一個星狀子網，無線接收網關安裝在離罐組最近的分布式機房內，負責接收罐組內所有發射端的溫度監控信號及報警信號，經光纖信號轉換后，利用光纖遠傳到消防中央控制室上位機，通過軟件平臺，實現對溫度數據的記錄、分析、報警聯動等功能，無線測溫系統原理如圖1所示。

無線發送是無線測溫探頭能耗最大的環節，而且外浮頂儲罐存在浮盤沉底、信號被罐壁遮擋等現象，因此系統采用LoRa技術作為無線傳輸方式。LoRa是一種基于擴頻技術的超遠距離無線傳輸方案,可以實現1GHz以下的超長距離低功耗數據傳輸[7]，運行在433/868MHz等全球免費無線電頻段，接收靈敏度高,抗干擾和穿透能力強，具有通信距離遠、低功耗、低成本、低速率、網絡容量大、組網靈活、通信可靠等特點，適用于低成本、大規模的物聯網部署[8]。LoRa的技術特點非常適合儲罐罐頂無線測溫節點高密度、低功率、長期監控等需求。另外低頻段無線電穿透性、遠傳性較佳，可以解決外浮頂儲罐浮盤沉底后信號穩定傳輸的難題。

圖1 無線測溫系統原理圖

2 無線測溫探頭

無線測溫探頭采用電池供電，依據ExiaⅡBT4 Ga本安型防爆設計，對低功耗要求較高。探頭由溫度采集模塊、微控制器、供電模塊、無線發送模塊等組成，如圖2所示。微控制器采用LPC824單片機，屬于ARM@CortexTM M0+內核的32位低功耗MCU，主頻率30MHz；溫度采集采用PT1000熱電阻，量程范圍-20℃～150℃，經過橋電路后接入單片機AD口進行數值轉換，橋電路供電狀態由單片機GPIO口控制，確保單片機休眠時不耗電；單片機利用SPI接口與LoRa無線發送模塊實現數據交換，LoRa無線發送模塊采用433MHz頻段發送至遠端的罐組雙LoRa網關，無遮擋視距可達2km，最大發送功率可達100mW，通過綜合罐壁高度、網關距離等因素的影響，調節各模塊的實際發送功率，從而減少能量消耗；供電模塊采用3000mAh鋰電池。經計算，通過采取低功耗休眠、間隔喚醒采樣、無異常定時報警的工作模式，探頭設計平均總功耗為56.2μA/s，理論上可使用5年，基于電池損耗等因素考慮，使用年限定為2年。

無線測溫探頭安裝在儲罐二次密封處，屬于0區[9]，儲罐的油氣聚集在一、二次密封之間，當儲罐遭遇雷擊，二次密封圈處出現火情時，會造成二次密封周邊擋板溫度瞬間升高，安裝在二次密封處的溫度探頭即能立刻探測出溫度數值，并在預警監控平臺上實時顯示，因此在此安裝火災報警器具有重要意義。探頭經測試，溫度偏差在±0.5℃以內，重復性小于0.1℃。無線測溫探頭的設計參數如表1所示。

表1 無線測溫探頭設計參數

圖2 無線測溫探頭原理圖

3 罐組雙LoRa網關

如圖3所示，無線測溫罐組雙LoRa網關電路以LPC824單片機和型號為RA-02的LoRa無線模塊為核心。RA-02模塊內置射頻芯片SX1278實現基于LoRa的遠程調制解調器功能，負責實現與測溫探頭之間的無線通訊。兩塊LoRa模塊在硬件上被設置在兩個不同頻段，在功能上可以根據實際需要分別加以設定，如LoRa1和LoRa2分別接收不同的測溫模塊數據，或者LoRa1作為常規數據通道，LoRa2作為報警信息通道，接收模塊帶有小型可視化液晶顯示屏和蜂鳴報警器。供電方式為外接電源供電或者USB供電。罐組雙LoRa網關自帶有RS485接口，可通過光端機、光纖等設備上傳數據到上位機預警監控平臺。

4 預警監控平臺

預警監控平臺運行于Windows 2008操作系統，內置SQL Servers2012數據庫，界面程序采用Visual C#2008語言開發，利用Winsock技術接收來自以太網的溫度數據，實現實時采集、動態監控、節點管理、數據存儲、歷史查詢等功能。

預警監控平臺包含實時監測列表、單點變化趨勢、單罐混場分布、報警信息分析等功能界面，如圖4所示。平臺可記錄所有點位的實時數據，展示無線測溫數值、顯示所在的對應區域，顯示電池電量，記錄時間、維修替換記錄等關鍵數據，可實現對單罐溫度場變化差異的分析，以及單罐溫度歷史曲線的對比、溫度預警等功能。每個無線測溫探頭都有其對應的唯一編碼，當設備出現通訊或電量等故障時，可直接找到對應設備進行替換，極大降低了使用方的維護成本。相關數據列表及數據趨勢分析部分界面如圖5和圖6所示。

此外，預警監控平臺與庫區消防SCADA系統對接，通過設置溫度閾值來實現溫度預警、溫度報警、溫度超高報警等報警信號并通過SCADA系統啟動儲罐消防噴淋系統和泡沫滅火系統，實現消防自動聯鎖和快速火災撲滅。

圖3 罐組雙LoRa網關原理框圖

圖4 監控軟件功能

圖5 監控軟件數據列表

圖6 指定節點區間趨勢顯示

5 系統整體測試

無線測溫探頭已經通過防爆認證，防爆等級ExiaⅡBT3-T4 Ga，并通過了IP66級防護等級認證。系統整體已進入實驗運行階段，無線測溫探頭即使在儲罐沉底的極限信號測試中，無線電信號也能繞過近20米的儲罐外壁，送達罐組接收位置而長期不丟包，驗證了無線測溫探頭極強的遠距離傳輸能力和障礙物繞射能力。另外，將雙LoRa網關安裝于各個罐組最近的分布式基站，在確保信號不丟包的基礎上，可以極大地降低測溫探頭的發射功率，實現系統整體的性能優化。

6 結語

本項目開發的儲罐火災報警無線測溫系統充分利用了LoRa低功耗、高穿透性的特點，具有成本低廉、維護便利、點位代碼唯一、無需通訊電纜等優勢，可解決當下以光纖光柵感溫火災報警裝置為主測溫方式存在的故障率高、成本高等諸多不足。通過不斷的實驗，系統平臺具有一定的替代性，在未來石油倉儲行業中有望進行推廣。