專利名稱：基于無線傳感器網絡的燃氣大用戶終端測控系統及測控方法
技術領域：
本發明涉及一種基于無線傳感器網絡的燃氣大用戶終端測控系統及測控方法。
背景技術：
隨著國家能源政策的改變，天然氣用量大幅度上升，工業、商業等終端大用戶急劇增 加，工業、商業終端大用戶的燃氣用量占整個城市燃氣用量的70%，且城市供應燃氣網絡 分散以無人值守的特點，對大用戶終端的燃氣用量管理、安全生產管理是燃氣營運企業的 管理核心，建立燃氣大用戶終端管線的流量、壓力、溫度、燃氣泄漏、閥門等狀態的遠程 實時監測系統是降低供氣損失率、提高企業安全供氣和經濟效益的有效保證。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是克服現有技術中所存在的上述不足，而提供一種基于無 線傳感器網絡的燃氣大用戶終端測控系統及測控方法，改進燃氣營運公司對現有燃氣大用 戶的燃氣用量、收費方法、安全生產管理辦法和技術的不足。
本發明解決上述技術問題所采用的技術方案包括:一種燃氣大用戶終端測控系統及測 控方法，其特征在于包括氣體流量計節點、控制閥門節點、燃氣泄漏報警器節點、燃氣流 量安全報警器節點、監控網關節點、遠程服務器和IC卡預付費充值系統，控制閥門節點 安裝在管道入口，氣體流量計節點安裝在管道出口，氣體流量計節點與控制閥門節點、燃 氣泄漏報警器節點、燃氣流量安全報警器節點、監控網關節點之間通過鏈式無線傳感器網 絡連接，監控網關節點與遠程服務器連接，IC卡預付費充值系統與遠程服務器、氣體流 量計節點連接，氣體流量計節點通過采集到的預付費氣量、燃氣泄漏信息，根據設定值對 控制閥門節點、燃氣流量安全報警器節點直接控制和報警，遠程服務器通過監控網關節點、 氣體流量計節點、控制閥門節點、燃氣流量安全報警器節點、燃氣泄漏報警器節點對現場 燃氣大用戶燃氣用量、管網壓力、溫度、燃氣泄漏、閥門開關狀態及設備運行狀態進行直 接網絡化監測和管理。其中
(1)氣體流量計節點，包括流量計單元、預付費和無線通信單元兩部分，流量計單 元、預付費和無線通信單元安裝在機械流量計的密封控制盒內，以實現具有流量計量、收 費、安全管理、無線信息傳輸的一體化智能氣體流量計，其中流量計單元由流量計積分儀、 氣體流量計、氣體參數傳感器組、液晶顯示器組成，流量計積分儀與氣體參數傳感器組、 液晶顯示器連接，預付費和無線通信單元由付費通信處理器、IC卡數據傳輸接口、無線 通信單元組成，付費通信處理器與IC卡數據傳輸接口、無線通信單元連接，氣體參數傳 感器組包括氣體流量傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器，流量計單元、預付費和無線通信 單元之間通過串行數據通信接口連接，氣體流量計節點由電池通過電源管理單元供電，流 量計單元當管網氣體流動時通過氣體流量傳感器實時采集燃氣流量，通過溫度、壓力傳感 器定時采集管網溫度和壓力，將采集到的流量、溫度、壓力信息經MCU積分補償處理器處 理后保存和顯示,預付費和無線通信單元通過IC卡數據傳輸接口隨時接收IC卡預付費充 值系統充值信息，通過無線通信單元接收燃氣泄漏報警器燃氣泄漏信息，付費通信處理器 的微處理器根據充值、燃氣泄漏信息對閥門進行開關控制，氣體流量計定時將流量、溫度、 壓力、閥門狀態、泄漏報警信息發送到燃氣流量安全報警器節點、監控網關節點，管網無 氣體流動時流量計處于休眠狀態，等待喚醒信號。
(2) 控制閥門節點，包括閥門處理器、先導隔膜主閥體、控制閥門驅動裝置、閥門 狀態傳感器、無線通信單元，閥門處理器與控制閥門驅動裝置、閥門狀態傳感器、無線通 信單元均連接，控制閥門驅動裝置用來驅動先導隔膜主閥體，閥門狀態傳感器用來檢測閥 門狀態，控制閥門節點通過鏈式無線傳感器網絡受氣體流量計節點、燃氣泄漏報警器節點 的信息控制。
(3) 燃氣泄漏報警器節點，包括燃氣泄漏處理器、無線通信單元、燃氣檢測傳感器， 燃氣泄漏處理器與無線通信單元、燃氣檢測傳感器連接，燃氣泄漏報警器節點通過燃氣檢 測傳感器獲取空氣中燃氣泄漏信息，并將燃氣泄漏信息及燃氣檢測傳感器運行狀態信息傳 輸給氣體流量計節點，由氣體流量計節點分別傳輸給控制閥門節點、燃氣流量安全報警器 節點、監控網關節點。
(4) 燃氣流量安全報警器節點，包括燃氣流量處理器、無線通信單元、蜂鳴器、顯 示器，燃氣流量處理器與無線通信單元、蜂鳴器、顯示器均連接，燃氣流量安全報警器節 點接收氣體流量計節點傳輸的各種信息，將根據實際情形蜂鳴報警或顯示。
(5) 監控網關節點，包括監控網關處理器、GPRS通訊單元、無線通信單元，監控網 關處理器與GPRS通訊單元、無線通信單元連接，監控網關節點接收氣體流量計節點傳輸 的各種信息，通過GPRS通訊單元將各種信息傳輸給遠程服務器，經遠程服務器處理后， 將處理信息發送到氣體流量計節點。
(6) IC卡預付費充值系統，包括IC卡讀卡機、發卡器、遠程服務器發卡軟件，以 IC卡為信息傳輸媒體，由遠程服務器發卡軟件通過發卡器對IC卡充值，再由IC卡讀卡 機對氣體流量計節點進行充值，實現流量計預付費控制功能。
本發明燃氣大用戶終端測控系統網絡鏈路以氣體流量計節點為主節點,燃氣泄漏報警 器節點采集空氣中燃氣泄漏信息，氣體流量計節點收到燃氣泄漏信息后立即向控制閥門節
點發送關閾信息，氣體流量計節點將關閥信息和流量計相關的流量、溫度、壓力、預付費
使用量、燃氣泄漏報警器傳感器狀態信息向監控網關節點發送，由監控網關節點通過GPRS 通訊單元發送給遠程服務器，再將遠程服務器信息反饋給監控網關節點和氣體流量計節 點。
本發明遠程服務器通過氣體流量計節點、控制閥門節點、燃氣泄漏報警器節點、燃 氣流量安全報警器節點、監控網關節點和IC卡預付費充值系統對遠程燃氣大用戶終端進 行實時監控和管理，利用這套系統可以對燃氣大用戶終端現場的燃氣用量、用氣高峰進行 全方位分析，以便成本核算和防竊氣，同時對現場安全生產得到有效管理。
圖1是本發明實施例的結構示意圖。
圖2是本發明實施例氣體流量計節點的電路原理圖。
圖3是本發明實施例控制閥門節點的電路原理圖。
圖4是本發明實施例燃氣泄漏報警器節點的電路原理圖。
圖5是本發明實施例燃氣流量安全報警器節點的電路原理圖。
圖6是本發明實施例監控網關節點的電路原理圖。
圖7是本發明實施例的控制流程圖。
圖8是本發明實施例氣體流量計節點的控制流程圖。
圖9是本發明實施例控制閥門節點的控制流程圖。
圖io是本發明實施例燃氣泄漏報警器節點的控制流程圖。
圖11是本發明實施例燃氣流量安全報警器節點的控制流程圖。 圖12是本發明實施例監控網關節點的控制流程圖。
具體實施例方式
參見圖1 圖12，本發明實施例基于無線傳感器網絡的燃氣大用戶終端測控系統和測 控方法，系統網絡包括安裝在燃氣管網管道出口的氣體流量計節點A、安裝在管道入口的 控制閥門節點B、安裝在現場的燃氣泄漏報警器節點C、燃氣流量安全報警器節點D、監 控網關節點E和遠程服務器W以及IC卡預付費充值系統，氣體流量計節點A與控制閥門 節點B、燃氣泄漏報警器節點C、燃氣流量安全報警器節點D、監控網關節點E之間通過 鏈式無線傳感器網絡連接，監控網關節點E與遠程服務器W連接，IC卡預付費充值系統 與遠程服務器W、氣體流量計節點A連接，氣體流量計節點A通過采集到的預付費氣量、 燃氣泄漏信息，根據設定值對控制閥門節點B、燃氣流量安全報警器節點D直接控制和報 警，遠程服務器W通過監控網關節點E、氣體流量計節點A、控制閥門節點B、燃氣流量
安全報警器節點D、燃氣泄漏報警器節點C對現場燃氣大用戶燃氣用量、管網壓力、溫度、 燃氣泄漏、閥門開關狀態及設備運行狀態進行直接網絡化監測和管理。氣體流量計節點A 與控制閥門節點B之間可設置過濾器F，遠程服務器W可設置防火墻W1，監控網關節點E 和IC卡預付費充值系統均通過防火墻Wl與遠程服務器W連接。本發明實施例的氣體流量 計節點A、控制閥門節點B、燃氣泄漏報警器節點C、燃氣流量安全報警器節點D、監控網 關節點E均由電池通過電源管理單元供電。
氣體流量計節點A包括流量計單元、預付費和無線通信單元兩部分，流量計單元、預 付費和無線通信單元安裝在機械流量計的密封控制盒內，以實現具有流量計量、收費、安 全管理、無線信息傳輸的一體化智能氣體流量計，其中流量計單元由流量計積分儀、氣體 流量計、氣體參數傳感器組、液晶顯示器組成，流量計積分儀與氣體參數傳感器組、液晶 顯示器連接，預付費和無線通信單元由付費通信處理器、IC卡數據傳輸接口、無線通信 單元組成，付費通信處理器與IC卡數據傳輸接口 (簡稱IC卡接口)、無線通信單元連接， 氣體參數傳感器組包括氣體流量傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器，流量計單元、預付費 和無線通信單元之間通過串行數據通信接口 (232接口)連接。流量計積分儀包括MCU積 分補償處理器、微處理器、存儲器；付費通信處理器包括微處理器、存儲器。流量計單元 當管網氣體流動時通過氣體流量傳感器實時采集燃氣流量，通過溫度傳感器、壓力傳感器 定時采集管網溫度和壓力，將采集到的流量、溫度、壓力信息經MCU積分補償處理器處理 存入存儲器和液晶顯示器顯示；預付費和無線通信單元通過IC卡數據傳輸接口隨時接收 IC卡預付費充值信息，通過無線通信單元接收燃氣泄漏報警器節點C燃氣泄漏信息，微 處理器根據充值、燃氣泄漏信息對控制閥門節點B的閥門進行開關閥控制；流量計定時將 流量、溫度、壓力、閥門狀態、泄漏報警等信息發送到燃氣流量安全報警器節點D、監控 網關節點E，管網無氣體流動時氣體流量計節點A處于休眠狀態，等待喚醒信號。
控制閥門節點B包括閥門處理器、先導隔膜主閥體、控制閥門驅動裝置、閥門狀態傳 感器、無線通信單元，閥門處理器與控制閥門驅動裝置、閥門狀態傳感器、無線通信單元 均連接，其中閥門處理器包括微處理器、存儲器，閥門處理器發送控制信號至控制閥門驅 動裝置，控制閥門驅動裝置驅動先導隔膜主閥體，閥門狀態傳感器用來檢測閥門狀態，控 制閥門節點B通過鏈式無線傳感器網絡受氣體流量計節點A、燃氣泄漏報警器節點C的信 息控制。
燃氣泄漏報警器節點C包括燃氣泄漏處理器、無線通信單元、燃氣檢測傳感器，燃氣 泄漏處理器與無線通信單元、燃氣檢測傳感器連接，其中燃氣泄漏處理器包括微處理器、 存儲器。燃氣泄漏報警器節點C通過燃氣檢測傳感器獲取空氣中燃氣泄漏信息，并通過鏈
式無線傳感器網絡將燃氣泄漏信息及燃氣檢測傳感器運行狀態信息傳輸給氣體流量計節
點A，由氣體流量計節點A分別傳輸給控制閥門節點B、燃氣流量安全報警器節點D、監 控網關節點E。
燃氣流量安全報警器節點D包括燃氣流量處理器、無線通信單元、蜂鳴器、顯示器， 燃氣流量處理器與無線通信單元、蜂鳴器、顯示器均連接，其中燃氣流量處理器包括微處 理器、存儲器。燃氣流量安全報警器節點D通過鏈式無線傳感器網絡接收氣體流量計節點 A傳輸的各種信息，將根據實際情形蜂鳴報警或LED顯示。
監控網關節點E包括監控網關處理器、GPRS通訊單元、無線通信單元，監控網關處 理器與GPRS通訊單元、無線通信單元連接，其中監控網關處理器包括微處理器、存儲器。 監控網關節點E通過鏈式無線傳感器網絡接收接收氣體流量計節點A傳輸的各種信息，通 過GPRS通訊單元將各種信息傳輸給遠程服務器W，經遠程服務器W處理后，將處理信息 通過網絡系統發送到氣體流量計節點A。
IC卡預付費充值系統包括IC卡讀卡機G、發卡器H、遠程服務器發卡軟件，以IC卡 為信息傳輸媒體，由遠程服務器發卡軟件通過發卡器H對IC卡充值，再由IC卡讀卡機G 對氣體流量計節點A進行充值，實現流量計預付費控制功能。
燃氣大用戶終端測控系統網絡鏈路以氣體流量計節點A為主節點，燃氣泄漏報警器節 點C采集空氣中燃氣泄漏信息，氣體流量計節點A收到燃氣泄漏信息后立即向控制閥門節 點B發送關閥信息，氣體流量計節點A將關閥信息和流量計相關的流量、溫度、壓力、預 付費使用量、燃氣泄漏信息及燃氣檢測傳感器狀態信息向監控網關節點E發送，由監控網 關節點E通過GPRS通訊單元發送給遠程服務器W,再將遠程服務器ff信息反饋給監控網 關節點E和氣體流量計節點A。
本發明系統控制方法包括各節點以及它們之間的控制互交方法，參見圖7 圖12，這 些控制互交方法是燃氣大用戶終端測控系統的基本實現單元。
本發明將氣體流量計、先導隔膜控制閥門、燃氣泄漏報警器、流量功能報警器及監控 網關等組成現場無線傳感器網絡，遠程服務器W通過GPRS通訊單元、現場監控網關信息 互交來實現對燃氣大用戶現場終端的燃氣計量、安全泄漏報警、預付費、管網壓力、溫度、 閥門工作狀態進行實時檢測和控制，系統分析管理軟件對數據庫數據信息進行科學分析， 為燃氣營運公司的生產、調度、安全檢査等管理提供科學依據。
本發明實施例無線傳感器網絡的無線通信單元均采用端士公司的XE1205收發芯片， 由XE1205收發芯片、天線、微處理器MS430、相關電路及嵌入式系統軟件等組成微功率 收發模塊，工作頻率433.92MHz/868 MHz/915 MHz;發射功率5dB、 10dB、 15dB;接收
靈敏度-U5dB;工作方式FSK;通信速率2400;供電方式為電池供電。本發明實施 例中的微處理器、存貯器、電源管理單元、流量計積分儀、各種接口、開關、IC卡讀卡 機、發卡器、閥門驅動電路等均可采用現有技術實現，本發明的重點在于對零散的各種控 制技術和網絡技術的整合提高。
氣體流量計節點A是整個終端現場管理的核心，它負責現場管網計量、溫度、壓力檢 測和溫度、壓力積分補償運算；預付費功能實施，當氣體流量計節點A通過IC卡對預付 費接口充值后，確定氣體流量計有預付值時就向控制閥門節點B發送開閥信息，充值量用 到充值預警點時，氣體流量計節點A向燃氣流量安全報警器節點D發出報警信息，提示用
戶充值，預付費用完時，氣體流量計節點A向控制閥門節點B發出關閥信息；負責接收燃
氣泄漏報警器節點C燃氣泄漏信息，當接收到燃氣泄漏信息時，立即向控制閥門節點B 發出關閥信息；氣體流量計節點A將現場所有采集信息定時向監控網關發送。
控制閥門節點B是系統控制核心，閥門采用先導隔膜原理設計而成，在低功耗下正常 運行，300mm 口徑閥門開關閥的工作電流在80mA以下，控制閥門節點B接受預付費系統 單元、燃氣泄漏報警器節點C和遠程服務器W的控制。
燃氣泄漏報警器節點C是檢測現場空氣中燃氣泄漏的濃度，當空氣中燃氣濃度達到一 定時，報警器發出報警信息，通過氣體流量計節點A向控制閥門節點B發出關閥信息指令， 以防空氣中燃氣濃度達到爆炸極限發生爆炸。
燃氣流量安全報警器節點D是個警示報警器，由于氣體流量計節點A、控制閥門節點 B、燃氣泄漏報警器節點C的安裝現場一般在室外或在封閉房間內無人值守的地方，在用 戶有常年值班的地方安裝燃氣流量安全報警器節點D，以便及時掌握現場流量計、控制閥 門、燃氣泄漏報警器運行情況。
本發明各節點設備間信息傳輸是用無線傳感器網絡、GPRS網絡來實現，省去了布線 連線的繁瑣，避免了連線老化、外接的麻煩，節省了經營成本。
權利要求
1、一種基于無線傳感器網絡的燃氣大用戶終端測控系統及測控方法，其特征在于包括氣體流量計節點、控制閥門節點、燃氣泄漏報警器節點、燃氣流量安全報警器節點、監控網關節點、遠程服務器和IC卡預付費充值系統，控制閥門節點安裝在管道入口，氣體流量計節點安裝在管道出口，氣體流量計節點與控制閥門節點、燃氣泄漏報警器節點、燃氣流量安全報警器節點、監控網關節點之間通過鏈式無線傳感器網絡連接，監控網關節點與遠程服務器連接，IC卡預付費充值系統與遠程服務器、氣體流量計節點連接，氣體流量計節點通過采集到的預付費氣量、燃氣泄漏信息，根據設定值對控制閥門節點、燃氣流量安全報警器節點直接控制和報警，遠程服務器通過監控網關節點、氣體流量計節點、控制閥門節點、燃氣流量安全報警器節點、燃氣泄漏報警器節點對現場燃氣大用戶燃氣用量、管網壓力、溫度、燃氣泄漏、閥門開關狀態及設備運行狀態進行直接網絡化監測和管理。
2、 根據權利要求l所述的燃氣大用戶終端測控系統及測控方法，其特征在于氣體流量 計節點包括流量計單元、預付費和無線通信單元兩部分，流量計單元由流量計積分儀、氣體 流量計、氣體參數傳感器組、液晶顯示器組成，流量計積分儀與氣體參數傳感器組、液晶顯 示器連接，預付費和無線通信單元由付費通信處理器、IC卡數據傳輸接口、無線通信單元組 成，付費通信處理器與IC卡數據傳輸接口、無線通信單元連接，氣體參數傳感器組包括氣體 流量傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器，流量計單元、預付費和無線通信單元之間通過串行 數據通信接口連接，氣體流量計節點由電池通過電源管理單元供電，流量計單元當管網氣體 流動時通過氣體流量傳感器實時采集燃氣流量，通過溫度、壓力傳感器定時采集管網溫度和 壓力，將采集到的流量、溫度、壓力信息經MCU積分補償處理器處理后保存和顯示，預付費 和無線通信單元通過ic卡數據傳輸接口隨時接收IC卡預付費充值系統充值信息，通過無線通信單元接收燃氣泄漏報警器燃氣泄漏信息，付費通信處理器的微處理器根據充值、燃氣泄 漏信息對閥門進行開關控制，氣體流量計定時將流量、溫度、壓力、閥門狀態、泄漏報警信 息發送到燃氣流量安全報警器節點、監控網關節點，管網無氣體流動時流量計處于休眠狀態， 等待喚醒信號。
3、 根據權利要求l所述的燃氣大用戶終端測控系統及測控方法，其特征在于控制閥門節點包括閥門處理器、先導隔膜主閥體、控制閥門驅動裝置、閥門狀態傳感器、無線通信單 元，閥門處理器與控制閥門驅動裝置、閥門狀態傳感器、無線通信單元均連接，控制閥門驅 動裝置用來驅動先導隔膜主閥體，閥門狀態傳感器用來檢測閥門狀態，控制閥門節點受氣體 流量計節點、燃氣泄漏報警器節點的信息控制。
4、 根據權利要求l所述的燃氣大用戶終端測控系統及測控方法,其特征在于燃氣泄漏 報警器節點包括燃氣泄漏處理器、無線通信單元、燃氣檢測傳感器，燃氣泄漏處理器與無線 通信單元、燃氣檢測傳感器連接，燃氣泄漏報警器節點通過燃氣檢測傳感器獲取空氣中燃氣 泄漏信息，并將燃氣泄漏信息及燃氣檢測傳感器運行狀態信息傳輸給氣體流量計節點，由氣 體流量計節點分別傳輸給控制閥門節點、燃氣流量安全報警器節點、監控網關節點。
5、 根據權利要求l所述的燃氣大用戶終端測控系統及測控方法，其特征在于燃氣流量 安全報警器節點包括燃氣流量處理器、無線通信單元、蜂鳴器、顯示器，燃氣流量處理器與 無線通信單元、蜂鳴器、顯示器均連接，燃氣流量安全報警器節點接收氣體流量計節點傳輸 的各種信息，將根據實際情形蜂鳴報警或顯示。
6、 根據權利要求l所述的燃氣大用戶終端測控系統及測控方法，其特征在于監控網關 節點包括監控網關處理器、GPRS通訊單元、無線通信單元，監控網關處理器與GPRS通訊單 元、無線通信單元連接，監控網關節點接收氣體流量計節點傳輸的各種信息，通過GPRS通訊 單元將各種信息傳輸給遠程服務器，經遠程服務器處理后，將處理信息發送到氣體流量計節 點。
7、 根據權利要求l所述的燃氣大用戶終端測控系統及測控方法，其特征在于IC卡預 付費充值系統包括IC卡讀卡機、發卡器、遠程服務器發卡軟件，以IC卡為信息傳輸媒體， 由遠程服務器發卡軟件通過發卡器對IC卡充值，再由IC卡讀卡機對氣體流量計節點進行充 值，實現流量計預付費控制功能。
8、 根據權利要求l所述的燃氣大用戶終端測控系統及測控方法，其特征在于燃氣大用 戶終端測控系統網絡鏈路以氣體流量計節點為主節點，燃氣泄漏報警器節點采集空氣中燃氣 泄漏信息，氣體流量計節點收到燃氣泄漏信息后立即向控制閥門節點發送關閥信息，氣體流 量計節點將關閥信息和流量計相關的流量、溫度、壓力、預付費使用量、燃氣泄漏報警器傳 感器狀態信息向監控網關節點發送，由監控網關節點通過GPRS通訊單元發送給遠程服務器， 再將遠程服務器信息反饋給監控網關節點和氣體流量計節點。
全文摘要
本發明公開了一種基于無線傳感器網絡的燃氣大用戶終端測控系統及測控方法，包括氣體流量計節點、控制閥門節點、燃氣泄漏報警器節點、燃氣流量安全報警器節點、監控網關節點、遠程服務器和IC卡預付費充值系統，控制閥門節點安裝在管道入口，氣體流量計節點安裝在管道出口，氣體流量計節點與控制閥門節點、燃氣泄漏報警器節點、燃氣流量安全報警器節點、監控網關節點之間通過鏈式無線傳感器網絡連接，監控網關節點與遠程服務器連接，IC卡預付費充值系統與遠程服務器、氣體流量計節點連接，氣體流量計節點通過采集到信息，根據設定值對控制閥門節點、燃氣流量安全報警器節點控制和報警，遠程服務器通過監控網關節點、氣體流量計節點、控制閥門節點、燃氣流量安全報警器節點、燃氣泄漏報警器節點對現場燃氣大用戶各種信息及設備、開關狀態進行監測和管理，提高了控制管理效率。
文檔編號G05B19/418GK101349900SQ20081006338
公開日2009年1月21日 申請日期2008年8月12日 優先權日2008年8月12日
發明者潘洪源 申請人:潘洪源