专利名称：基于无线传感器网络的燃气大用户终端测控系统及测控方法
技术领域：
本发明涉及一种基于无线传感器网络的燃气大用户终端测控系统及测控方法。
背景技术：
随着国家能源政策的改变，天然气用量大幅度上升，工业、商业等终端大用户急剧增 加，工业、商业终端大用户的燃气用量占整个城市燃气用量的70%，且城市供应燃气网络 分散以无人值守的特点，对大用户终端的燃气用量管理、安全生产管理是燃气营运企业的 管理核心，建立燃气大用户终端管线的流量、压力、温度、燃气泄漏、阀门等状态的远程 实时监测系统是降低供气损失率、提高企业安全供气和经济效益的有效保证。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术中所存在的上述不足，而提供一种基于无 线传感器网络的燃气大用户终端测控系统及测控方法，改进燃气营运公司对现有燃气大用 户的燃气用量、收费方法、安全生产管理办法和技术的不足。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案包括:一种燃气大用户终端测控系统及测 控方法，其特征在于包括气体流量计节点、控制阀门节点、燃气泄漏报警器节点、燃气流 量安全报警器节点、监控网关节点、远程服务器和IC卡预付费充值系统，控制阀门节点 安装在管道入口，气体流量计节点安装在管道出口，气体流量计节点与控制阀门节点、燃 气泄漏报警器节点、燃气流量安全报警器节点、监控网关节点之间通过链式无线传感器网 络连接，监控网关节点与远程服务器连接，IC卡预付费充值系统与远程服务器、气体流 量计节点连接，气体流量计节点通过采集到的预付费气量、燃气泄漏信息，根据设定值对 控制阀门节点、燃气流量安全报警器节点直接控制和报警，远程服务器通过监控网关节点、 气体流量计节点、控制阀门节点、燃气流量安全报警器节点、燃气泄漏报警器节点对现场 燃气大用户燃气用量、管网压力、温度、燃气泄漏、阀门开关状态及设备运行状态进行直 接网络化监测和管理。其中
(1)气体流量计节点，包括流量计单元、预付费和无线通信单元两部分，流量计单 元、预付费和无线通信单元安装在机械流量计的密封控制盒内，以实现具有流量计量、收 费、安全管理、无线信息传输的一体化智能气体流量计，其中流量计单元由流量计积分仪、 气体流量计、气体参数传感器组、液晶显示器组成，流量计积分仪与气体参数传感器组、 液晶显示器连接，预付费和无线通信单元由付费通信处理器、IC卡数据传输接口、无线 通信单元组成，付费通信处理器与IC卡数据传输接口、无线通信单元连接，气体参数传 感器组包括气体流量传感器、温度传感器、压力传感器，流量计单元、预付费和无线通信 单元之间通过串行数据通信接口连接，气体流量计节点由电池通过电源管理单元供电，流 量计单元当管网气体流动时通过气体流量传感器实时采集燃气流量，通过温度、压力传感 器定时采集管网温度和压力，将采集到的流量、温度、压力信息经MCU积分补偿处理器处 理后保存和显示,预付费和无线通信单元通过IC卡数据传输接口随时接收IC卡预付费充 值系统充值信息，通过无线通信单元接收燃气泄漏报警器燃气泄漏信息，付费通信处理器 的微处理器根据充值、燃气泄漏信息对阀门进行开关控制，气体流量计定时将流量、温度、 压力、阀门状态、泄漏报警信息发送到燃气流量安全报警器节点、监控网关节点，管网无 气体流动时流量计处于休眠状态，等待唤醒信号。
(2) 控制阀门节点，包括阀门处理器、先导隔膜主阀体、控制阀门驱动装置、阀门 状态传感器、无线通信单元，阀门处理器与控制阀门驱动装置、阀门状态传感器、无线通 信单元均连接，控制阀门驱动装置用来驱动先导隔膜主阀体，阀门状态传感器用来检测阀 门状态，控制阀门节点通过链式无线传感器网络受气体流量计节点、燃气泄漏报警器节点 的信息控制。
(3) 燃气泄漏报警器节点，包括燃气泄漏处理器、无线通信单元、燃气检测传感器， 燃气泄漏处理器与无线通信单元、燃气检测传感器连接，燃气泄漏报警器节点通过燃气检 测传感器获取空气中燃气泄漏信息，并将燃气泄漏信息及燃气检测传感器运行状态信息传 输给气体流量计节点，由气体流量计节点分别传输给控制阀门节点、燃气流量安全报警器 节点、监控网关节点。
(4) 燃气流量安全报警器节点，包括燃气流量处理器、无线通信单元、蜂鸣器、显 示器，燃气流量处理器与无线通信单元、蜂鸣器、显示器均连接，燃气流量安全报警器节 点接收气体流量计节点传输的各种信息，将根据实际情形蜂鸣报警或显示。
(5) 监控网关节点，包括监控网关处理器、GPRS通讯单元、无线通信单元，监控网 关处理器与GPRS通讯单元、无线通信单元连接，监控网关节点接收气体流量计节点传输 的各种信息，通过GPRS通讯单元将各种信息传输给远程服务器，经远程服务器处理后， 将处理信息发送到气体流量计节点。
(6) IC卡预付费充值系统，包括IC卡读卡机、发卡器、远程服务器发卡软件，以 IC卡为信息传输媒体，由远程服务器发卡软件通过发卡器对IC卡充值，再由IC卡读卡 机对气体流量计节点进行充值，实现流量计预付费控制功能。
本发明燃气大用户终端测控系统网络链路以气体流量计节点为主节点,燃气泄漏报警 器节点采集空气中燃气泄漏信息，气体流量计节点收到燃气泄漏信息后立即向控制阀门节
点发送关阈信息，气体流量计节点将关阀信息和流量计相关的流量、温度、压力、预付费
使用量、燃气泄漏报警器传感器状态信息向监控网关节点发送，由监控网关节点通过GPRS 通讯单元发送给远程服务器，再将远程服务器信息反馈给监控网关节点和气体流量计节 点。
本发明远程服务器通过气体流量计节点、控制阀门节点、燃气泄漏报警器节点、燃 气流量安全报警器节点、监控网关节点和IC卡预付费充值系统对远程燃气大用户终端进 行实时监控和管理，利用这套系统可以对燃气大用户终端现场的燃气用量、用气高峰进行 全方位分析，以便成本核算和防窃气，同时对现场安全生产得到有效管理。
图1是本发明实施例的结构示意图。
图2是本发明实施例气体流量计节点的电路原理图。
图3是本发明实施例控制阀门节点的电路原理图。
图4是本发明实施例燃气泄漏报警器节点的电路原理图。
图5是本发明实施例燃气流量安全报警器节点的电路原理图。
图6是本发明实施例监控网关节点的电路原理图。
图7是本发明实施例的控制流程图。
图8是本发明实施例气体流量计节点的控制流程图。
图9是本发明实施例控制阀门节点的控制流程图。
图io是本发明实施例燃气泄漏报警器节点的控制流程图。
图11是本发明实施例燃气流量安全报警器节点的控制流程图。 图12是本发明实施例监控网关节点的控制流程图。
具体实施例方式
参见图1 图12，本发明实施例基于无线传感器网络的燃气大用户终端测控系统和测 控方法，系统网络包括安装在燃气管网管道出口的气体流量计节点A、安装在管道入口的 控制阀门节点B、安装在现场的燃气泄漏报警器节点C、燃气流量安全报警器节点D、监 控网关节点E和远程服务器W以及IC卡预付费充值系统，气体流量计节点A与控制阀门 节点B、燃气泄漏报警器节点C、燃气流量安全报警器节点D、监控网关节点E之间通过 链式无线传感器网络连接，监控网关节点E与远程服务器W连接，IC卡预付费充值系统 与远程服务器W、气体流量计节点A连接，气体流量计节点A通过采集到的预付费气量、 燃气泄漏信息，根据设定值对控制阀门节点B、燃气流量安全报警器节点D直接控制和报 警，远程服务器W通过监控网关节点E、气体流量计节点A、控制阀门节点B、燃气流量
安全报警器节点D、燃气泄漏报警器节点C对现场燃气大用户燃气用量、管网压力、温度、 燃气泄漏、阀门开关状态及设备运行状态进行直接网络化监测和管理。气体流量计节点A 与控制阀门节点B之间可设置过滤器F，远程服务器W可设置防火墙W1，监控网关节点E 和IC卡预付费充值系统均通过防火墙Wl与远程服务器W连接。本发明实施例的气体流量 计节点A、控制阀门节点B、燃气泄漏报警器节点C、燃气流量安全报警器节点D、监控网 关节点E均由电池通过电源管理单元供电。
气体流量计节点A包括流量计单元、预付费和无线通信单元两部分，流量计单元、预 付费和无线通信单元安装在机械流量计的密封控制盒内，以实现具有流量计量、收费、安 全管理、无线信息传输的一体化智能气体流量计，其中流量计单元由流量计积分仪、气体 流量计、气体参数传感器组、液晶显示器组成，流量计积分仪与气体参数传感器组、液晶 显示器连接，预付费和无线通信单元由付费通信处理器、IC卡数据传输接口、无线通信 单元组成，付费通信处理器与IC卡数据传输接口 (简称IC卡接口)、无线通信单元连接， 气体参数传感器组包括气体流量传感器、温度传感器、压力传感器，流量计单元、预付费 和无线通信单元之间通过串行数据通信接口 (232接口)连接。流量计积分仪包括MCU积 分补偿处理器、微处理器、存储器；付费通信处理器包括微处理器、存储器。流量计单元 当管网气体流动时通过气体流量传感器实时采集燃气流量，通过温度传感器、压力传感器 定时采集管网温度和压力，将采集到的流量、温度、压力信息经MCU积分补偿处理器处理 存入存储器和液晶显示器显示；预付费和无线通信单元通过IC卡数据传输接口随时接收 IC卡预付费充值信息，通过无线通信单元接收燃气泄漏报警器节点C燃气泄漏信息，微 处理器根据充值、燃气泄漏信息对控制阀门节点B的阀门进行开关阀控制；流量计定时将 流量、温度、压力、阀门状态、泄漏报警等信息发送到燃气流量安全报警器节点D、监控 网关节点E，管网无气体流动时气体流量计节点A处于休眠状态，等待唤醒信号。
控制阀门节点B包括阀门处理器、先导隔膜主阀体、控制阀门驱动装置、阀门状态传 感器、无线通信单元，阀门处理器与控制阀门驱动装置、阀门状态传感器、无线通信单元 均连接，其中阀门处理器包括微处理器、存储器，阀门处理器发送控制信号至控制阀门驱 动装置，控制阀门驱动装置驱动先导隔膜主阀体，阀门状态传感器用来检测阀门状态，控 制阀门节点B通过链式无线传感器网络受气体流量计节点A、燃气泄漏报警器节点C的信 息控制。
燃气泄漏报警器节点C包括燃气泄漏处理器、无线通信单元、燃气检测传感器，燃气 泄漏处理器与无线通信单元、燃气检测传感器连接，其中燃气泄漏处理器包括微处理器、 存储器。燃气泄漏报警器节点C通过燃气检测传感器获取空气中燃气泄漏信息，并通过链
式无线传感器网络将燃气泄漏信息及燃气检测传感器运行状态信息传输给气体流量计节
点A，由气体流量计节点A分别传输给控制阀门节点B、燃气流量安全报警器节点D、监 控网关节点E。
燃气流量安全报警器节点D包括燃气流量处理器、无线通信单元、蜂鸣器、显示器， 燃气流量处理器与无线通信单元、蜂鸣器、显示器均连接，其中燃气流量处理器包括微处 理器、存储器。燃气流量安全报警器节点D通过链式无线传感器网络接收气体流量计节点 A传输的各种信息，将根据实际情形蜂鸣报警或LED显示。
监控网关节点E包括监控网关处理器、GPRS通讯单元、无线通信单元，监控网关处 理器与GPRS通讯单元、无线通信单元连接，其中监控网关处理器包括微处理器、存储器。 监控网关节点E通过链式无线传感器网络接收接收气体流量计节点A传输的各种信息，通 过GPRS通讯单元将各种信息传输给远程服务器W，经远程服务器W处理后，将处理信息 通过网络系统发送到气体流量计节点A。
IC卡预付费充值系统包括IC卡读卡机G、发卡器H、远程服务器发卡软件，以IC卡 为信息传输媒体，由远程服务器发卡软件通过发卡器H对IC卡充值，再由IC卡读卡机G 对气体流量计节点A进行充值，实现流量计预付费控制功能。
燃气大用户终端测控系统网络链路以气体流量计节点A为主节点，燃气泄漏报警器节 点C采集空气中燃气泄漏信息，气体流量计节点A收到燃气泄漏信息后立即向控制阀门节 点B发送关阀信息，气体流量计节点A将关阀信息和流量计相关的流量、温度、压力、预 付费使用量、燃气泄漏信息及燃气检测传感器状态信息向监控网关节点E发送，由监控网 关节点E通过GPRS通讯单元发送给远程服务器W,再将远程服务器ff信息反馈给监控网 关节点E和气体流量计节点A。
本发明系统控制方法包括各节点以及它们之间的控制互交方法，参见图7 图12，这 些控制互交方法是燃气大用户终端测控系统的基本实现单元。
本发明将气体流量计、先导隔膜控制阀门、燃气泄漏报警器、流量功能报警器及监控 网关等组成现场无线传感器网络，远程服务器W通过GPRS通讯单元、现场监控网关信息 互交来实现对燃气大用户现场终端的燃气计量、安全泄漏报警、预付费、管网压力、温度、 阀门工作状态进行实时检测和控制，系统分析管理软件对数据库数据信息进行科学分析， 为燃气营运公司的生产、调度、安全检査等管理提供科学依据。
本发明实施例无线传感器网络的无线通信单元均采用端士公司的XE1205收发芯片， 由XE1205收发芯片、天线、微处理器MS430、相关电路及嵌入式系统软件等组成微功率 收发模块，工作频率433.92MHz/868 MHz/915 MHz;发射功率5dB、 10dB、 15dB;接收
灵敏度-U5dB;工作方式FSK;通信速率2400;供电方式为电池供电。本发明实施 例中的微处理器、存贮器、电源管理单元、流量计积分仪、各种接口、开关、IC卡读卡 机、发卡器、阀门驱动电路等均可采用现有技术实现，本发明的重点在于对零散的各种控 制技术和网络技术的整合提高。
气体流量计节点A是整个终端现场管理的核心，它负责现场管网计量、温度、压力检 测和温度、压力积分补偿运算；预付费功能实施，当气体流量计节点A通过IC卡对预付 费接口充值后，确定气体流量计有预付值时就向控制阀门节点B发送开阀信息，充值量用 到充值预警点时，气体流量计节点A向燃气流量安全报警器节点D发出报警信息，提示用
户充值，预付费用完时，气体流量计节点A向控制阀门节点B发出关阀信息；负责接收燃
气泄漏报警器节点C燃气泄漏信息，当接收到燃气泄漏信息时，立即向控制阀门节点B 发出关阀信息；气体流量计节点A将现场所有采集信息定时向监控网关发送。
控制阀门节点B是系统控制核心，阀门采用先导隔膜原理设计而成，在低功耗下正常 运行，300mm 口径阀门开关阀的工作电流在80mA以下，控制阀门节点B接受预付费系统 单元、燃气泄漏报警器节点C和远程服务器W的控制。
燃气泄漏报警器节点C是检测现场空气中燃气泄漏的浓度，当空气中燃气浓度达到一 定时，报警器发出报警信息，通过气体流量计节点A向控制阀门节点B发出关阀信息指令， 以防空气中燃气浓度达到爆炸极限发生爆炸。
燃气流量安全报警器节点D是个警示报警器，由于气体流量计节点A、控制阀门节点 B、燃气泄漏报警器节点C的安装现场一般在室外或在封闭房间内无人值守的地方，在用 户有常年值班的地方安装燃气流量安全报警器节点D，以便及时掌握现场流量计、控制阀 门、燃气泄漏报警器运行情况。
本发明各节点设备间信息传输是用无线传感器网络、GPRS网络来实现，省去了布线 连线的繁琐，避免了连线老化、外接的麻烦，节省了经营成本。
权利要求
1、一种基于无线传感器网络的燃气大用户终端测控系统及测控方法，其特征在于包括气体流量计节点、控制阀门节点、燃气泄漏报警器节点、燃气流量安全报警器节点、监控网关节点、远程服务器和IC卡预付费充值系统，控制阀门节点安装在管道入口，气体流量计节点安装在管道出口，气体流量计节点与控制阀门节点、燃气泄漏报警器节点、燃气流量安全报警器节点、监控网关节点之间通过链式无线传感器网络连接，监控网关节点与远程服务器连接，IC卡预付费充值系统与远程服务器、气体流量计节点连接，气体流量计节点通过采集到的预付费气量、燃气泄漏信息，根据设定值对控制阀门节点、燃气流量安全报警器节点直接控制和报警，远程服务器通过监控网关节点、气体流量计节点、控制阀门节点、燃气流量安全报警器节点、燃气泄漏报警器节点对现场燃气大用户燃气用量、管网压力、温度、燃气泄漏、阀门开关状态及设备运行状态进行直接网络化监测和管理。
2、 根据权利要求l所述的燃气大用户终端测控系统及测控方法，其特征在于气体流量 计节点包括流量计单元、预付费和无线通信单元两部分，流量计单元由流量计积分仪、气体 流量计、气体参数传感器组、液晶显示器组成，流量计积分仪与气体参数传感器组、液晶显 示器连接，预付费和无线通信单元由付费通信处理器、IC卡数据传输接口、无线通信单元组 成，付费通信处理器与IC卡数据传输接口、无线通信单元连接，气体参数传感器组包括气体 流量传感器、温度传感器、压力传感器，流量计单元、预付费和无线通信单元之间通过串行 数据通信接口连接，气体流量计节点由电池通过电源管理单元供电，流量计单元当管网气体 流动时通过气体流量传感器实时采集燃气流量，通过温度、压力传感器定时采集管网温度和 压力，将采集到的流量、温度、压力信息经MCU积分补偿处理器处理后保存和显示，预付费 和无线通信单元通过ic卡数据传输接口随时接收IC卡预付费充值系统充值信息，通过无线通信单元接收燃气泄漏报警器燃气泄漏信息，付费通信处理器的微处理器根据充值、燃气泄 漏信息对阀门进行开关控制，气体流量计定时将流量、温度、压力、阀门状态、泄漏报警信 息发送到燃气流量安全报警器节点、监控网关节点，管网无气体流动时流量计处于休眠状态， 等待唤醒信号。
3、 根据权利要求l所述的燃气大用户终端测控系统及测控方法，其特征在于控制阀门节点包括阀门处理器、先导隔膜主阀体、控制阀门驱动装置、阀门状态传感器、无线通信单 元，阀门处理器与控制阀门驱动装置、阀门状态传感器、无线通信单元均连接，控制阀门驱 动装置用来驱动先导隔膜主阀体，阀门状态传感器用来检测阀门状态，控制阀门节点受气体 流量计节点、燃气泄漏报警器节点的信息控制。
4、 根据权利要求l所述的燃气大用户终端测控系统及测控方法,其特征在于燃气泄漏 报警器节点包括燃气泄漏处理器、无线通信单元、燃气检测传感器，燃气泄漏处理器与无线 通信单元、燃气检测传感器连接，燃气泄漏报警器节点通过燃气检测传感器获取空气中燃气 泄漏信息，并将燃气泄漏信息及燃气检测传感器运行状态信息传输给气体流量计节点，由气 体流量计节点分别传输给控制阀门节点、燃气流量安全报警器节点、监控网关节点。
5、 根据权利要求l所述的燃气大用户终端测控系统及测控方法，其特征在于燃气流量 安全报警器节点包括燃气流量处理器、无线通信单元、蜂鸣器、显示器，燃气流量处理器与 无线通信单元、蜂鸣器、显示器均连接，燃气流量安全报警器节点接收气体流量计节点传输 的各种信息，将根据实际情形蜂鸣报警或显示。
6、 根据权利要求l所述的燃气大用户终端测控系统及测控方法，其特征在于监控网关 节点包括监控网关处理器、GPRS通讯单元、无线通信单元，监控网关处理器与GPRS通讯单 元、无线通信单元连接，监控网关节点接收气体流量计节点传输的各种信息，通过GPRS通讯 单元将各种信息传输给远程服务器，经远程服务器处理后，将处理信息发送到气体流量计节 点。
7、 根据权利要求l所述的燃气大用户终端测控系统及测控方法，其特征在于IC卡预 付费充值系统包括IC卡读卡机、发卡器、远程服务器发卡软件，以IC卡为信息传输媒体， 由远程服务器发卡软件通过发卡器对IC卡充值，再由IC卡读卡机对气体流量计节点进行充 值，实现流量计预付费控制功能。
8、 根据权利要求l所述的燃气大用户终端测控系统及测控方法，其特征在于燃气大用 户终端测控系统网络链路以气体流量计节点为主节点，燃气泄漏报警器节点采集空气中燃气 泄漏信息，气体流量计节点收到燃气泄漏信息后立即向控制阀门节点发送关阀信息，气体流 量计节点将关阀信息和流量计相关的流量、温度、压力、预付费使用量、燃气泄漏报警器传 感器状态信息向监控网关节点发送，由监控网关节点通过GPRS通讯单元发送给远程服务器， 再将远程服务器信息反馈给监控网关节点和气体流量计节点。
全文摘要
本发明公开了一种基于无线传感器网络的燃气大用户终端测控系统及测控方法，包括气体流量计节点、控制阀门节点、燃气泄漏报警器节点、燃气流量安全报警器节点、监控网关节点、远程服务器和IC卡预付费充值系统，控制阀门节点安装在管道入口，气体流量计节点安装在管道出口，气体流量计节点与控制阀门节点、燃气泄漏报警器节点、燃气流量安全报警器节点、监控网关节点之间通过链式无线传感器网络连接，监控网关节点与远程服务器连接，IC卡预付费充值系统与远程服务器、气体流量计节点连接，气体流量计节点通过采集到信息，根据设定值对控制阀门节点、燃气流量安全报警器节点控制和报警，远程服务器通过监控网关节点、气体流量计节点、控制阀门节点、燃气流量安全报警器节点、燃气泄漏报警器节点对现场燃气大用户各种信息及设备、开关状态进行监测和管理，提高了控制管理效率。
文档编号G05B19/418GK101349900SQ20081006338
公开日2009年1月21日 申请日期2008年8月12日 优先权日2008年8月12日
发明者潘洪源 申请人:潘洪源