基于Wi-Fi 和云平臺的原油集輸監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

崔至昊

（中國石油大學(xué)< 華東> 山東 青島 266580）

0 引言

我國有龐大的工業(yè)體系和成熟、穩(wěn)定的工業(yè)基礎(chǔ)[1]，大量的原油消耗使我國成為全球最主要的石油進(jìn)口國之一[2]。油氣集輸是將油田開采出的原料進(jìn)行集中處理，最終變成原油產(chǎn)品的過程，是原油開采過程中極為重要的一個環(huán)節(jié)。原油外輸?shù)姆绞揭蚤L輸管道外運為主，主要采用原油動態(tài)計量方法進(jìn)行原油交接計量。在計量過程中，由于受到溫度變化、氣體損失、管線泄露等因素的影響，原油輸量會產(chǎn)生偏差[3]。傳統(tǒng)的原油動態(tài)計量方法由計量人員來手動完成，計量人員首先需要逐個檢查管道，并手動記錄各種儀表的參數(shù)，再輸入計算機(jī)得到計量結(jié)果。此方法操作復(fù)雜，人工成本高，計量誤差大，無法實時監(jiān)測原油的流量。通過智能化改造可以實時獲取管道的溫度、壓力等數(shù)據(jù)，可以對原油流量進(jìn)行補償校準(zhǔn)，從而提高計量的準(zhǔn)確度[4-5]。

本文采用ESP8266 Wi-Fi 模塊，獲取到溫度、壓力數(shù)據(jù)，通過網(wǎng)絡(luò)上傳至云端，并設(shè)計了Web 監(jiān)控系統(tǒng)實時顯示終端上傳的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了對輸油管道溫度、壓力等數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計方案

本系統(tǒng)基于無線通信技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)云平臺技術(shù)，主要由原油溫度、壓力數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程監(jiān)控顯示以及異常報警等3 部分組成，安置在管道上的無線傳感器通過Wi-Fi 傳輸數(shù)據(jù)。系統(tǒng)整體架構(gòu)見圖1。

通常Wi-Fi無線組網(wǎng)有基礎(chǔ)網(wǎng)和自組網(wǎng)兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，自組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)通常是由多個節(jié)點STA 組成的一種動態(tài)的對等網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)下，沒有主節(jié)點AP的存在，各個節(jié)點STA 之間可以直接建立連接進(jìn)行通信，無線自組網(wǎng)中的每個用戶終端都兼有路由器和主機(jī)兩種功能?；A(chǔ)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是設(shè)置一個主節(jié)點AP 和多個子節(jié)點STA 的結(jié)構(gòu)，各個子節(jié)點連接主節(jié)點進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信，主節(jié)點相當(dāng)于整個節(jié)點網(wǎng)絡(luò)的中心。

基礎(chǔ)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單、信息傳輸高效的優(yōu)點，見圖2，本系統(tǒng)選用基礎(chǔ)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)來進(jìn)行Wi-Fi 組網(wǎng)。輸油管道上的每個監(jiān)測節(jié)點相當(dāng)于一個STA，另外設(shè)置一個中心節(jié)點AP 來進(jìn)行子節(jié)點與云平臺的數(shù)據(jù)通信，同時該AP 節(jié)點負(fù)責(zé)控制蜂鳴器實現(xiàn)報警功能。

本系統(tǒng)由多個ESP8266 Wi-Fi 模塊構(gòu)成基礎(chǔ)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中包括一個AP 主節(jié)點和多個STA 子節(jié)點。主節(jié)點由一個ESP8266 作為無線收發(fā)器，子節(jié)點由ESP8266分別和溫度傳感器、壓力傳感器組成。子節(jié)點位于廠房內(nèi)不同輸油管路上，由相應(yīng)的傳感器收集溫度、壓力等數(shù)據(jù)。主節(jié)點位于廠房房頂高處，用于子節(jié)點與云平臺的通信，還有一個子節(jié)點負(fù)責(zé)參數(shù)異常時的聲光報警。相比于人工操作，該系統(tǒng)可以更加精準(zhǔn)、實時地監(jiān)測各項數(shù)據(jù)，從而調(diào)整計算原油流量的參數(shù)，盡可能減小原油計量時的輸差。

2 硬件分析與選型

2.1 通信模塊分析與選型

本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸是將傳感器測得的溫度、壓力等數(shù)

據(jù)上傳到云平臺，以及子節(jié)點在測得數(shù)據(jù)不正常時將報警信號發(fā)送到主節(jié)點。ESP8266 具有低功耗、低成本、尺寸小等優(yōu)點，滿足系統(tǒng)需求，其芯片封裝及引腳圖見圖3。

2.2 溫度傳感器分析與選型

溫度傳感器主要分為兩種：數(shù)字溫度傳感器和由熱敏電阻電路構(gòu)成的傳感器。與傳統(tǒng)的熱敏電阻測溫電路相比，DS18B20 數(shù)字溫度傳感器可以直接輸出數(shù)字信號，可按實際要求通過編程實現(xiàn)9 ～12 位的A/D 轉(zhuǎn)換精度。DS18B20采用單總線串行接口，具有體積小、功耗低、抗干擾能力強、測量精度高、替換方便等特點，適用于大部分的氣體和液體測溫。故本系統(tǒng)的原油溫度監(jiān)測節(jié)點采用溫度傳感器DS18B20 數(shù)字溫度傳感器。

本設(shè)計原油溫度監(jiān)測節(jié)點所使用的DS18B20 的TO-92封裝引腳結(jié)構(gòu)見圖4。

2.3 壓力變送器

由于原油的特殊理化特性以及輸油管道內(nèi)較高的壓力，普通的壓力傳感器無法在該環(huán)境下使用，因此本系統(tǒng)使用了為這種環(huán)境特殊設(shè)計的壓力變送器CYYZ11。該傳感器通過一個惠更斯電橋，被測原油壓力發(fā)生變化時，橋臂電阻值隨之發(fā)生變化，并產(chǎn)生一個差動電壓信號。經(jīng)過信號調(diào)理后，可以被ESP8266 的片內(nèi)ADC 采集。壓力信號采集框圖見圖5。

2.4 報警模塊分析與選型

系統(tǒng)的數(shù)據(jù)異常報警有兩種方式，即郵件報警和現(xiàn)場報警。郵件報警是當(dāng)云平臺檢測到輸油管道的數(shù)據(jù)存在異常時，即向用戶郵箱發(fā)送報警郵件；現(xiàn)場報警是報警終端子節(jié)點接收云平臺服務(wù)器下發(fā)的報警命令時，控制報警裝置進(jìn)行報警。報警裝置設(shè)置在原油計量站監(jiān)控室內(nèi)，為達(dá)到明顯報警信號，系統(tǒng)采用聲光報警相結(jié)合的方式。燈光報警使用LED 燈亮提醒，聲音報警選用蜂鳴器報警。

3 軟件設(shè)計

3.1 物聯(lián)網(wǎng)云平臺設(shè)計

OneNET云平臺是中國移動推出的物聯(lián)網(wǎng)開放云平臺，其具有非常完善的開發(fā)文檔，具有開發(fā)成本低、穩(wěn)定性強、周期短等優(yōu)點[6]。OneNET 平臺的所有服務(wù)均為免費開放，大大節(jié)省了開發(fā)者的成本，開發(fā)過程中只需要根據(jù)OneNET 云平臺的使用規(guī)范接入云平臺，添加設(shè)備，上傳數(shù)據(jù)，系統(tǒng)里所有上傳的數(shù)據(jù)均存儲在云端。平臺還提供觸發(fā)器功能，可以將滿足條件的數(shù)據(jù)主動推送給第三方。

3.2 ESP8266 模塊程序設(shè)計

ESP8266 模塊連接Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)流程圖見圖6。

在程序設(shè)計中，采用了Wi-Fi 一鍵配網(wǎng)（smartconfig）技術(shù)，在手機(jī)客戶端輸入路由器Wi-Fi 名（SSID）和密碼（psw）后，手機(jī)會在空中發(fā)送無線廣播，在ESP8266 模塊收到廣播后嘗試使用psw 不斷去連接Wi-Fi 名為SSID的路由器，連接成功后就會返回信息給手機(jī)客戶端通知配網(wǎng)成功。因此只要系統(tǒng)上電，ESP8266 模塊就能自動連接Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)。

3.3 傳感器軟件驅(qū)動設(shè)計

3.3.1 數(shù)字溫度傳感器

數(shù)字溫度傳感器DS18B20 在使用前要先進(jìn)行初始化。ESP8266 需先拉低總線至少480 μs 產(chǎn)生復(fù)位脈沖，然后釋放總線，如果這條總線上存在可用的DS18B20，總線會返回一個低電平脈沖，表明DS18B20 已經(jīng)建立好連接可以運行。收到應(yīng)答脈沖后發(fā)送搜索ROM 指令F0H，搜索到

DS18B20 傳感器ID 號后發(fā)送讀取溫度指令BEH，搜索讀取反復(fù)進(jìn)行，待傳感器數(shù)據(jù)讀取完畢后，一次溫度采集流程結(jié)束。ESP8266 與DS18B20 通信流程見圖7。

3.3.2 壓力變送器

壓力變送器CYYZ11 有3 種輸出方式：4 ～20 mA 兩線制電流輸出、RS485（標(biāo)準(zhǔn)Modbus-RTU 協(xié)議）輸出以及0～10 V、0 ～5 V、1 ～5 V、0.5 ～2.5 V DC 模擬信號輸出。ESP8266 模塊無法兼容電流信號輸出方式，RS485 協(xié)議需要在單片機(jī)與壓力變送器之間連接串口轉(zhuǎn)RS485 模塊，電路較為復(fù)雜。而ESP8266 模塊集成了一個通用的10 bit 精度的ADC，可檢測的模擬輸入電壓范圍在0 ～1 V，可以檢測傳感器輸出的電壓信號，因此本設(shè)計選用壓力變送器CYYZ11 的模擬電壓輸出方式。因輸出信號的電壓超過了ADC 的最高輸入電壓，還需一個分壓電路起到降壓的作用，分壓電路見圖8。

采用CYYZ11 的0 ～5 V 電壓輸出，用分壓電路將輸入ESP8266 模塊引腳的電壓降為0 ～1 V，ESP8266 模塊讀取電壓值后，會自動將其轉(zhuǎn)換為壓力值。

4 云平臺設(shè)計

本文所搭建的云平臺見圖9，該平臺共集成了兩個溫度傳感器節(jié)點和兩個壓力傳感器節(jié)點，均可以正常工作。由于有一路溫度傳感器溫度高于76 ℃，觸發(fā)了報警指示。以上現(xiàn)象說明了本文對原油集輸系統(tǒng)的智能化改造是成功和有效的。

5 結(jié)語

本文根據(jù)對傳統(tǒng)的原油集輸系統(tǒng)進(jìn)行了智能化改造，將E S P8266 與數(shù)字溫度傳感器D S18B20 和壓力變送器C Y Y Z11 相結(jié)合，并且利用中國移動推出的OneNET 物聯(lián)網(wǎng)云平臺，實現(xiàn)了實時數(shù)據(jù)監(jiān)測，有效解決了人工操作的測量繁瑣、測量誤差大等問題。采用該系統(tǒng)實時獲取的檢測數(shù)據(jù)，并配合相應(yīng)的校準(zhǔn)算法，能夠有效地降低原油集輸過程中的輸差，對于企業(yè)的發(fā)展具有重大意義。