基於無線傳感器的石油鑽井現場硫化氫監測安全系統的製作方法
2023-06-01 22:00:41 3
本實用新型涉及一種基於無線傳感器的石油鑽井現場硫化氫監測安全系統。
背景技術：
在石油及天然氣行業，有毒和可燃氣體是最臭名昭著的殺手。幾乎所有的事故都與之相關。2012年至今的數據表明，平均每三天，會有一位工人因天然氣事故死亡。天然氣事故的死亡率之高，令人擔憂。因此，需要強大的和可靠的解決方案用來防止此類事故的發生。為此，世界各地的政府在相關產業中，要求強制使用氣體傳感器，主要以有線氣體傳感系統為主。儘管有線系統堅固耐用，可靠高，但其安裝和維護費用很昂貴。而無線氣體洩漏檢測系統相比之下則顯得更為靈活，易於安裝和維護。然而，氣體傳感器往往消耗大量的能量。
無線傳感器網絡是一種以有限資源(如內存、能源和處理能力等)的傳感器節點部署在一個特定區域的精細感測的網絡。無線傳感器網絡已經在石油和天然氣行業如離岸管道洩漏檢測系統以及管道監測系統中得到應用。但因為氣體傳感器的功耗大，這個問題使得它很難在真實的場景得到部署及使用，因此在已有的一些應用系統中很少使用無線傳感器網絡對有毒或可燃氣體進行檢測。
部分現有氣體監測系統使用現有的無線傳感網絡協議進行有毒氣體監測，開發部署了針對H2S監測的基於S-MAC協議的無線傳感器節點的能量模型。但在該系統中不僅氣體傳感器消耗大量的能源,時間同步也需要消耗大量的能源。
技術實現要素：
針對現有技術中的缺陷，本實用新型的目的是提供一種基於無線傳感器的石油鑽井現場硫化氫監測安全系統。
根據本實用新型提供的一種基於無線傳感器的石油鑽井現場硫化氫監測安全系統，包括硫化氫無線檢測器、客戶端定位裝置、中繼器、協調器以及中央計算機；
若干所述硫化氫無線檢測器和至少一個所述客戶端定位裝置與所述中繼器相連，至少一個所述中繼器與所述協調器相連，所述協調器與所述中央計算機相連；
所述硫化氫無線檢測器安裝於石油鑽井現場，所述客戶端定位裝置設置於現場工作人員的工作服或礦工帽中。
作為一種優化方案，所述客戶端定位裝置包括EM406A GPS定位模塊、第一處理電路、第一無線傳輸電路；
所述EM406A GPS定位模塊將位置信號發送至所述第一處理電路，所述第一處理電路通過所述第一無線傳輸電路將該位置信號發送給所述中繼器。
作為一種優化方案，所述客戶端定位裝置還包括蜂鳴器；所述蜂鳴器與所述第一處理電路相連；
所述第一處理電路通過所述第一無線傳輸電路自所述中繼器接收中央計算發出的報警信號，並響應所述報警信號控制所述蜂鳴器工作。
作為一種優化方案，所述第一處理電路包括ATMEGA2560晶片電路。
作為一種優化方案，所述第一無線傳輸電路包括XBP9B-DMST-002無線通信晶片電路。
作為一種優化方案，所述硫化氫無線檢測器包括硫化氫感測器、第二處理電路、第二無線傳輸電路；
所述硫化氫無線檢測器與所述第二處理電路相連，所述第二處理電路與所述第二無線傳輸電路相連。
作為一種優化方案，所述硫化氫感測器進一步包括Ultra 1000硫化氫傳感器、PT2008監測器和模數轉換器；
所述Ultra 1000硫化氫傳感器的輸出端與PT2008監測器相連，所述PT2008監測器通過所述模數轉換器與所述第二處理電路相連。
作為一種優化方案，所述第二處理電路包括ATMEGA2560晶片電路。
作為一種優化方案，所述第二無線傳輸電路包括XBP9B-DMST-002無線通信晶片電路。
與現有技術相比，本實用新型具有如下的有益效果：
本實用新型中的氣體傳感器的讀數以多跳轉發方式發到中央計算機。當氣體讀數到達設定的高濃度水平，計算機發出告警廣播，中繼器轉發這些信息至客戶端定位裝置，提醒在附近的工人。此外,所有的客戶端定位裝置都具有GPS定位，可以更好地掌握工人的位置，以發現洩漏點附近是否有工人。
附圖說明
通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本實用新型的其它特徵、目的和優點將會變得更明顯：
圖1為一種基於無線傳感器的石油鑽井現場硫化氫監測安全系統結構示意圖；
圖2為可選的一種客戶端定位裝置結構框圖；
圖3為可選的一種客戶端定位裝置電路結構示意圖；
圖4為可選的一種硫化氫無線檢測器結構框圖；
圖5為可選的一種硫化氫無線檢測器電路連接示意圖。
具體實施方式
下面結合具體實施例對本實用新型進行詳細說明。以下實施例將有助於本領域的技術人員進一步理解本實用新型，但不以任何形式限制本實用新型。應當指出的是，對本領域的普通技術人員來說，在不脫離本實用新型構思的前提下，還可以做出若干變形和改進。這些都屬於本實用新型的保護範圍。
本文進行了實驗，研究探討了ZigBee無線傳感器網絡(WSN)能量性能，應用無線傳感器和工業級氣體傳感器創建無線瓦斯安全監控系統(wg-sms)。系統注重能源節約，傳感器的角色分配和自適應睡眠周期達到最大，試驗表明，本實用新型與傳統方式相比能節省60％的能源。
本實用新型設計是基於工業有毒氣體傳感器(Ultra1000)的硫化氫(H2S)氣體安全監測系統。系統的無線通信採用Zigbee協議棧。系統使用兩種端結點:一種是硫化氫無線檢測器，另一種是安裝到工人工作服上的客戶端定位裝置。中繼器負責整個網絡數據包的轉發。協調器在負責建立和管理所有中繼器的同時還充當網關與中央控制計算機連接,負責讀取和存儲檢測到的氣體數據以及對工人位置的追蹤信息。
氣體傳感器的讀數以多跳轉發方式發到中央計算機。當氣體讀數到達設定的高濃度水平，計算機發出告警廣播，中繼器轉發這些信息至客戶端定位裝置，提醒在附近的工人。此外,所有的客戶端定位裝置都具有GPS定位，可以更好地掌握工人的位置，以發現洩漏點附近是否有工人。
本實用新型提供了如圖1所示的一種基於無線傳感器的石油鑽井現場硫化氫監測安全系統，包括硫化氫無線檢測器、客戶端定位裝置、中繼器、協調器以及中央計算機；
若干所述硫化氫無線檢測器和至少一個所述客戶端定位裝置與所述中繼器相連，至少一個所述中繼器與所述協調器相連，所述協調器與所述中央計算機相連；
所述硫化氫無線檢測器安裝於石油鑽井現場，所述客戶端定位裝置設置於現場工作人員的工作服或礦工帽中。
本氣體安全系統應該具有低成本和開源的特性，具有分布式的體系結構，並且是可擴展的。系統的響應時間不超過120秒。
如圖2所示，所述客戶端定位裝置包括EM406A GPS定位模塊、第一處理電路、第一無線傳輸電路；
所述EM406A GPS定位模塊將位置信號發送至所述第一處理電路，所述第一處理電路通過所述第一無線傳輸電路將該位置信號發送給所述中繼器。
所述客戶端定位裝置還包括蜂鳴器；所述蜂鳴器與所述第一處理電路相連；
所述第一處理電路通過所述第一無線傳輸電路自所述中繼器接收中央計算發出的報警信號，並響應所述報警信號控制所述蜂鳴器工作。
如圖3所示為EM406A GPS定位模塊、第一處理電路以及第一無線傳輸電路的連接電路，所述第一處理電路包括ATMEGA2560晶片電路。
所述第一無線傳輸電路包括XBP9B-DMST-002無線通信晶片電路。
如圖4所示，所述硫化氫無線檢測器包括硫化氫感測器、第二處理電路、第二無線傳輸電路；
所述硫化氫無線檢測器與所述第二處理電路相連，所述第二處理電路與所述第二無線傳輸電路相連。
所述硫化氫無線檢測器將感測數據傳輸給所述第二處理電路，所述第二處理電路將該感測數據通過中繼器、協調器傳輸至中央計算機。
如圖4所示，所述硫化氫感測器進一步包括Ultra 1000硫化氫傳感器、PT2008監測器和模數轉換器；
所述Ultra 1000硫化氫傳感器的輸出端與PT2008監測器相連，所述PT2008監測器通過所述模數轉換器與所述第二處理電路相連。本實施例中所述Ultra 1000硫化氫傳感器實時感測數據，在該感測數據表現出硫化氫濃度低於閾值時，每90秒所述PT2008監測器獲取一次Ultra 1000硫化氫傳感器的感測數據，在該感測數據表現出硫化氫濃度達到閾值時，即硫化氫濃度較高，每3秒所述PT2008監測器就獲取一次Ultra 1000硫化氫傳感器的感測數據。該PT2008監測器獲取感測數據後傳輸給所述模數轉換器轉換為數位訊號後發送給第二處理電路。
如圖5所示的電路結構圖為硫化氫無線檢測器中第二處理電路與第二無線傳輸電路的電路連接，所述第二處理電路包括ATMEGA2560晶片電路。所述第二無線傳輸電路包括XBP9B-DMST-002無線通信晶片電路。
如前所述,裝有工業級硫化氫感測器的H2S感測裝置負責感應環境。該硫化氫感測器由兩部分組成：有毒和可燃物氣體傳感器(Ultra 1000硫化氫傳感器)和控制器(PT2008監測器)。Ultra 1000H2S傳感器是一種電化學氣體傳感器,當有毒氣體濃度較低時，每90秒傳遞一次數據，當濃度較高時，則每3秒，Ultra 1000H2S傳感器和PT2008之間就會有一次數據獲取。
硫化氫無線檢測器中Atmega2560單片機用於收集PT2008的數據，並將其通過無線個域網發送到協調器。
在對控制H2S感測裝置的Atmega2560單片機進行編程時，由現場控制總線進行數據取樣，基本每秒對新信息取樣一次。如果氣體濃度數據有變化，它會通過協調器發送到中央計算機。中央計算機決定警戒級別，協調器收集中央計算機發出的警報，通過路由器廣播到網絡。警報級別設置為高和低兩個級別。
客戶端定位裝置安裝於工人的安全服上。它有兩個重要的功能：首先它定位工人的位置，再有當氣體洩漏時它能通知工人。為實現這些功能，客戶端定位裝置由ATmega2560微控制器、壓電蜂鳴器，GPS定位模塊(em406a)和XBee-Pro(xbp9b-dmst-002)無線通信模塊組成。為了確保處理速度,使用16MHz時鐘晶振。ATmega2560微控制器工作電壓為+5v，Zigbee模塊的工作電壓為+3.3v。
本實施例中路由器作為中繼器。由於路由器只轉發數據包，不需要額外的電路(見圖1)。因此，中繼器由電池，+3.3V電源調節電路和XBeePro(xbp9b-dmst-002)通信模塊組成。
同樣，協調器將自中央計算機接收指令並發送到各終端，如圖1所示。其中，協調器與中央計算機的連接通過USB轉UART串口轉換器ft231實現。
本實用新型對中央計算機進行編程，是使中央計算機收集來自網絡的信息，並顯示給管理員。
中央計算機收集協調器的數據，並進行檢查，看有無錯誤，確定它是否是客戶端定位裝置的全球定位系統的坐標，或氣體濃度讀數。如果它是一個氣體讀數，且它大於由管理員設置危險濃度值，計算機命令該協調器廣播高級別警報，若濃度低於危險值但高於最小檢測濃度(3ppm)，則廣播低級別警報。
如果收集到的數據是一個全球定位系統的位置，計算機將數據發送到一個對象連結和嵌入(OLE)庫與谷歌地圖的Web應用程式。全球定位系統的位置以一個元組的形式接收，包含：全球定位系統坐標，工人身份和氣體讀數。應用程式會進行檢查識別，確保在添加某個檢測到的工人之前，該工人信息不在地圖上，以避免重複。如果工人信息已在圖，系統檢測發現有任何變化，則在地圖的位置會更新。
以上對本實用新型的具體實施例進行了描述。需要理解的是，本實用新型並不局限於上述特定實施方式，本領域技術人員可以在權利要求的範圍內做出各種變形或修改，這並不影響本實用新型的實質內容。