本實(shí)用新型涉及一種基于無線傳感器的石油鉆井現(xiàn)場硫化氫監(jiān)測安全系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

在石油及天然氣行業(yè)，有毒和可燃?xì)怏w是最臭名昭著的殺手。幾乎所有的事故都與之相關(guān)。2012年至今的數(shù)據(jù)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(dān)憂。因此，需要強(qiáng)大的和可靠的解決方案用來防止此類事故的發(fā)生。為此，世界各地的政府在相關(guān)產(chǎn)業(yè)中，要求強(qiáng)制使用氣體傳感器，主要以有線氣體傳感系統(tǒng)為主。盡管有線系統(tǒng)堅(jiān)固耐用，可靠高，但其安裝和維護(hù)費(fèi)用很昂貴。而無線氣體泄漏檢測系統(tǒng)相比之下則顯得更為靈活，易于安裝和維護(hù)。然而，氣體傳感器往往消耗大量的能量。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種以有限資源(如內(nèi)存、能源和處理能力等)的傳感器節(jié)點(diǎn)部署在一個特定區(qū)域的精細(xì)感測的網(wǎng)絡(luò)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)在石油和天然氣行業(yè)如離岸管道泄漏檢測系統(tǒng)以及管道監(jiān)測系統(tǒng)中得到應(yīng)用。但因?yàn)闅怏w傳感器的功耗大，這個問題使得它很難在真實(shí)的場景得到部署及使用，因此在已有的一些應(yīng)用系統(tǒng)中很少使用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對有毒或可燃?xì)怏w進(jìn)行檢測。

部分現(xiàn)有氣體監(jiān)測系統(tǒng)使用現(xiàn)有的無線傳感網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行有毒氣體監(jiān)測，開發(fā)部署了針對H2S監(jiān)測的基于S-MAC協(xié)議的無線傳感器節(jié)點(diǎn)的能量模型。但在該系統(tǒng)中不僅氣體傳感器消耗大量的能源,時(shí)間同步也需要消耗大量的能源。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本實(shí)用新型的目的是提供一種基于無線傳感器的石油鉆井現(xiàn)場硫化氫監(jiān)測安全系統(tǒng)。

根據(jù)本實(shí)用新型提供的一種基于無線傳感器的石油鉆井現(xiàn)場硫化氫監(jiān)測安全系統(tǒng)，包括硫化氫無線檢測器、客戶端定位裝置、中繼器、協(xié)調(diào)器以及中央計(jì)算機(jī)；

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(xié)調(diào)器相連，所述協(xié)調(diào)器與所述中央計(jì)算機(jī)相連；

所述硫化氫無線檢測器安裝于石油鉆井現(xiàn)場，所述客戶端定位裝置設(shè)置于現(xiàn)場工作人員的工作服或礦工帽中。

作為一種優(yōu)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(fā)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(fā)送給所述中繼器。

作為一種優(yōu)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(jì)算發(fā)出的報(bào)警信號，并響應(yīng)所述報(bào)警信號控制所述蜂鳴器工作。

作為一種優(yōu)化方案，所述第一處理電路包括ATMEGA2560芯片電路。

作為一種優(yōu)化方案，所述第一無線傳輸電路包括XBP9B-DMST-002無線通信芯片電路。

作為一種優(yōu)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(yōu)化方案，所述硫化氫感測器進(jìn)一步包括Ultra 1000硫化氫傳感器、PT2008監(jiān)測器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器；

所述Ultra 1000硫化氫傳感器的輸出端與PT2008監(jiān)測器相連，所述PT2008監(jiān)測器通過所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器與所述第二處理電路相連。

作為一種優(yōu)化方案，所述第二處理電路包括ATMEGA2560芯片電路。

作為一種優(yōu)化方案，所述第二無線傳輸電路包括XBP9B-DMST-002無線通信芯片電路。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型具有如下的有益效果：

本實(shí)用新型中的氣體傳感器的讀數(shù)以多跳轉(zhuǎn)發(fā)方式發(fā)到中央計(jì)算機(jī)。當(dāng)氣體讀數(shù)到達(dá)設(shè)定的高濃度水平，計(jì)算機(jī)發(fā)出告警廣播，中繼器轉(zhuǎn)發(fā)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(fā)現(xiàn)泄漏點(diǎn)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(shí)施例所作的詳細(xì)描述，本實(shí)用新型的其它特征、目的和優(yōu)點(diǎn)將會變得更明顯：

圖1為一種基于無線傳感器的石油鉆井現(xiàn)場硫化氫監(jiān)測安全系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為可選的一種客戶端定位裝置結(jié)構(gòu)框圖；

圖3為可選的一種客戶端定位裝置電路結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為可選的一種硫化氫無線檢測器結(jié)構(gòu)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(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例對本實(shí)用新型進(jìn)行詳細(xì)說明。以下實(shí)施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進(jìn)一步理解本實(shí)用新型，但不以任何形式限制本實(shí)用新型。應(yīng)當(dāng)指出的是，對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本實(shí)用新型構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)。這些都屬于本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。

本文進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，研究探討了ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)能量性能，應(yīng)用無線傳感器和工業(yè)級氣體傳感器創(chuàng)建無線瓦斯安全監(jiān)控系統(tǒng)(wg-sms)。系統(tǒng)注重能源節(jié)約，傳感器的角色分配和自適應(yīng)睡眠周期達(dá)到最大，試驗(yàn)表明，本實(shí)用新型與傳統(tǒng)方式相比能節(jié)省60％的能源。

本實(shí)用新型設(shè)計(jì)是基于工業(yè)有毒氣體傳感器(Ultra1000)的硫化氫(H₂S)氣體安全監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)的無線通信采用Zigbee協(xié)議棧。系統(tǒng)使用兩種端結(jié)點(diǎn):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(fù)責(zé)整個網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)。協(xié)調(diào)器在負(fù)責(zé)建立和管理所有中繼器的同時(shí)還充當(dāng)網(wǎng)關(guān)與中央控制計(jì)算機(jī)連接,負(fù)責(zé)讀取和存儲檢測到的氣體數(shù)據(jù)以及對工人位置的追蹤信息。

氣體傳感器的讀數(shù)以多跳轉(zhuǎn)發(fā)方式發(fā)到中央計(jì)算機(jī)。當(dāng)氣體讀數(shù)到達(dá)設(shè)定的高濃度水平，計(jì)算機(jī)發(fā)出告警廣播，中繼器轉(zhuǎn)發(fā)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(fā)現(xiàn)泄漏點(diǎn)附近是否有工人。

本實(shí)用新型提供了如圖1所示的一種基于無線傳感器的石油鉆井現(xiàn)場硫化氫監(jiān)測安全系統(tǒng)，包括硫化氫無線檢測器、客戶端定位裝置、中繼器、協(xié)調(diào)器以及中央計(jì)算機(jī)；

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(xié)調(diào)器相連，所述協(xié)調(diào)器與所述中央計(jì)算機(jī)相連；

所述硫化氫無線檢測器安裝于石油鉆井現(xiàn)場，所述客戶端定位裝置設(shè)置于現(xiàn)場工作人員的工作服或礦工帽中。

本氣體安全系統(tǒng)應(yīng)該具有低成本和開源的特性，具有分布式的體系結(jié)構(gòu)，并且是可擴(kuò)展的。系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)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(fā)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(fā)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(jì)算發(fā)出的報(bào)警信號，并響應(yīng)所述報(bào)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芯片電路。

所述第一無線傳輸電路包括XBP9B-DMST-002無線通信芯片電路。

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(shù)據(jù)傳輸給所述第二處理電路，所述第二處理電路將該感測數(shù)據(jù)通過中繼器、協(xié)調(diào)器傳輸至中央計(jì)算機(jī)。

如圖4所示，所述硫化氫感測器進(jìn)一步包括Ultra 1000硫化氫傳感器、PT2008監(jiān)測器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器；

所述Ultra 1000硫化氫傳感器的輸出端與PT2008監(jiān)測器相連，所述PT2008監(jiān)測器通過所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器與所述第二處理電路相連。本實(shí)施例中所述Ultra 1000硫化氫傳感器實(shí)時(shí)感測數(shù)據(jù)，在該感測數(shù)據(jù)表現(xiàn)出硫化氫濃度低于閾值時(shí)，每90秒所述PT2008監(jiān)測器獲取一次Ultra 1000硫化氫傳感器的感測數(shù)據(jù)，在該感測數(shù)據(jù)表現(xiàn)出硫化氫濃度達(dá)到閾值時(shí)，即硫化氫濃度較高，每3秒所述PT2008監(jiān)測器就獲取一次Ultra 1000硫化氫傳感器的感測數(shù)據(jù)。該P(yáng)T2008監(jiān)測器獲取感測數(shù)據(jù)后傳輸給所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后發(fā)送給第二處理電路。

如圖5所示的電路結(jié)構(gòu)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芯片電路。所述第二無線傳輸電路包括XBP9B-DMST-002無線通信芯片電路。

如前所述,裝有工業(yè)級硫化氫感測器的H₂S感測裝置負(fù)責(zé)感應(yīng)環(huán)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(jiān)測器)。Ultra 1000H₂S傳感器是一種電化學(xué)氣體傳感器,當(dāng)有毒氣體濃度較低時(shí)，每90秒傳遞一次數(shù)據(jù)，當(dāng)濃度較高時(shí)，則每3秒，Ultra 1000H2S傳感器和PT2008之間就會有一次數(shù)據(jù)獲取。

硫化氫無線檢測器中Atmega2560單片機(jī)用于收集PT2008的數(shù)據(jù)，并將其通過無線個域網(wǎng)發(fā)送到協(xié)調(diào)器。

在對控制H₂S感測裝置的Atmega2560單片機(jī)進(jìn)行編程時(shí)，由現(xiàn)場控制總線進(jìn)行數(shù)據(jù)取樣，基本每秒對新信息取樣一次。如果氣體濃度數(shù)據(jù)有變化，它會通過協(xié)調(diào)器發(fā)送到中央計(jì)算機(jī)。中央計(jì)算機(jī)決定警戒級別，協(xié)調(diào)器收集中央計(jì)算機(jī)發(fā)出的警報(bào)，通過路由器廣播到網(wǎng)絡(luò)。警報(bào)級別設(shè)置為高和低兩個級別。

客戶端定位裝置安裝于工人的安全服上。它有兩個重要的功能：首先它定位工人的位置，再有當(dāng)氣體泄漏時(shí)它能通知工人。為實(shí)現(xiàn)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(shí)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(shí)施例中路由器作為中繼器。由于路由器只轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)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(diào)節(jié)電路和XBeePro(xbp9b-dmst-002)通信模塊組成。

同樣，協(xié)調(diào)器將自中央計(jì)算機(jī)接收指令并發(fā)送到各終端，如圖1所示。其中，協(xié)調(diào)器與中央計(jì)算機(jī)的連接通過USB轉(zhuǎn)UART串口轉(zhuǎn)換器ft231實(shí)現(xiàn)。

本實(shí)用新型對中央計(jì)算機(jī)進(jìn)行編程，是使中央計(jì)算機(jī)收集來自網(wǎng)絡(luò)的信息，并顯示給管理員。

中央計(jì)算機(jī)收集協(xié)調(diào)器的數(shù)據(jù)，并進(jìn)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(tǒng)的坐標(biāo)，或氣體濃度讀數(shù)。如果它是一個氣體讀數(shù)，且它大于由管理員設(shè)置危險(xiǎn)濃度值，計(jì)算機(jī)命令該協(xié)調(diào)器廣播高級別警報(bào)，若濃度低于危險(xiǎn)值但高于最小檢測濃度(3ppm)，則廣播低級別警報(bào)。

如果收集到的數(shù)據(jù)是一個全球定位系統(tǒng)的位置，計(jì)算機(jī)將數(shù)據(jù)發(fā)送到一個對象鏈接和嵌入(OLE)庫與谷歌地圖的Web應(yīng)用程序。全球定位系統(tǒng)的位置以一個元組的形式接收，包含：全球定位系統(tǒng)坐標(biāo)，工人身份和氣體讀數(shù)。應(yīng)用程序會進(jìn)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，以避免重復(fù)。如果工人信息已在圖，系統(tǒng)檢測發(fā)現(xiàn)有任何變化，則在地圖的位置會更新。

以上對本實(shí)用新型的具體實(shí)施例進(jìn)行了描述。需要理解的是，本實(shí)用新型并不局限于上述特定實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出各種變形或修改，這并不影響本實(shí)用新型的實(shí)質(zhì)內(nèi)容。