气体液体输送管道可视化系统的设计.docx

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1、摘要随着社会的发展,科学技术的进步，越来越多的智能产品出现在人们视野中并逐渐进入了人们的生活。为了更全面的保障人民的生命财产安全，智能气体液体输送管道可视化系统的研究成为热点之一。基于此，本课题设计了一种基于树再派的智能气体液体输送管道可视化系统，该系统主要由树里派主板、压力传感器、气体传感器、流量传感器、AD转换器、电磁阀等模块组成。本系统以树寿派主板为核心控制单元，主要负货处理传感涔采集的数据。压力传感器气体传感器和流量港主要负货对外管道内外部状态.如压力、流量、气体浓度等进行监测，控制胞元读取到数据后对其进行分析并作出相应响应。整个系统通过多重传感器组对管道内的气体、液体的实时状态进行数

2、据采集、数据存储、数据上传等操作，最后以图形和数字的形式展现在中移OneNET平台上，以供用户实时查看管道的工作状态并达到实时监控管道状态的目的.关键诃：树莓派：管道：OneNEr平台：智能监控第1章绪论1.1 课题背景和意义随着我国社会经济的不断发展，管道网络的应用越发全面，大部分正在使用的管道都已进入耗损故障期，管道故障的情况时有发生。这不仅会造成环境污染，还会对人们的生命财产安全构成严重威胁。因此不管是家庭的管道系统，还是公共场合的管道系统都存在着许多漏隐患，问题繁多，令人防不胜防。公共场合或家庭的湖水问题若不能及时发现，那便会对公共财产或家庭财产造成不小的损坏，让其肆意扩散更有可能殃及

3、附近家庭或电梯井等公共设施，届时所造成的损失将无法估计。燃气泄漏没有及时发现，造成的人员伤亡以及财产损失则更是无法估量。据统计我国每年因漏水漏气造成的经济损失高达近百亿，究其原因，主要是我们的家庭及其他公共场所环境中的输水管道和输气管道没有较好的泄漏防护装置。由上述原因可知，为J降低此类现象发生的几率，减少水资源的浪费，避免漏水事故，在家中及其他公共场所安装自来水终端的智能检测控制系统显得至关重要。本课题提出了基于树箍派的智能气体液体输送管道可视化系统.主要通过多重传感器组对管道内的气体、液体的实时状态进行数据采集、数据存储、数据上传等操作，最后以图形和数字的形式展现在中移OnCNET平台上，

4、以供用户实时杳看管道的工作状态并达到实时监控管道状态的目的。智能气体液体输送管道可视化系统对比于其他管道控制阀门，优势在于通过图像和数字的形式更加直观、准确的呈现出管道的工作状态以及水气使用情况。该系统不仅能及时发现因无人在家或工厂没仃监控的管道网络区域管道老化磨损、打开开关而忘记关等，引发泄漏的问题，还能及时采取措施，减少不必要的损失。很大程度上节约了资源，减少了能源的浪费，还可以保护环境降低环境污染。12课题研究现状和发展趋势世界上的各个国家，特别是西方较发达国家他们对水资源的供应与节约管理非常重视，极早就开展J防泄漏与泄漏定位技术和设备的研发工作。例如1975年成立的英国水研究中心，在检

5、测水泄洵方面发表了许多技术报告，论述了多种水泄漏的控制方案、方法。美国方面也具有相应的泄漏检测机构；相比之下日本的水道协会对管道泄漏进行的研究更加深入,他们比较注重对检测仪器的研究与开发.当全球第一台管道检测仪器问世时，发现由于它的体积庞大、精度较低，所以实用性非常差，只有不断的进行优化完善。直到1976年德国开发了便于携带的检测泄漏仪器，从检测探头到相关的仪器主机间用电缆连接或者采用无畿连接。若干年间，英国、美国、日本等国家相继研发出了方便携带的可移动的检测泄漏仪器.国内外在可燃气体的运检方式上使用的运输材质大部分都一致，将钢制管作为载体深埋于地下进行可燃性气体液体的运输，就存在发生泄漏或破

6、损不易被发现的风除。国外的相关组织与机构对近些年的管道事故进行了比较全面的统计与分析。这些掌握着丰富管道事故数据的组织机构：美国联邦政府卜局的油气管道安全办公室、美国能源监督委员会、美国国家运输安全委员会，以及欧洲的天然气管道事件数据组等。在全球管道检测技术方面均具有极高的话语权.他们掌握着比较全面的管道事故数据.国外在检测方面较早使用管道线路检测技术,其中包含了管道信息技术、电路电子技术、机电控制技术等各种面级新兴技术的运用“使管道线路检测技术逐步实现机械化、自动化、标准化“并在高速发展的网络时代中不断提裔技术，逐步将可燃气体输送管道远程检测变为现实.自我国新中国成立以来，我们对管道泄漏问题

7、的重视程度不断加深，逐步在全国开展泄漏的排查调研工作，早期为最法本的管道事故抢修，不断积累经验，到后期依靠经版进行泄漏愦防检测。对于多组管道网络的泄漏控制效果并不好.近年来，我国各个地方的水供应公司先后引进了许多前沿国家的先进的管道枪测设备。有的公司还根据自身情况成立了相对应的管道检测团队，专门从事管道检测、管道泄漏排控等工作，并取得了一定的成果“但是从整体上来看我们和世界上的一些发达国家在整个管道检测及泄漏控制方面还存在一定的差距.首先我们的检测泄漏技术人员较少,其次专业技能技术能力较低,对先进设备的引进和使用也没有得到普及，虽然引进了先进的设备但是仍然无法取得较好的效果“幽着我国综合国力的

8、不断提升，相关组织将近年来发生的管道事故进行数据分析并不断的总结,使得我国管道检测技术稳步提升，尤其是当计算机技术应用于各种管道检测以后，各类水气运输管道的检测精度得到了前所未有的提升.同时，前者当今科技的进步与发展,各种技术也取得了长足的发展，伴附着后期处理成本压力的下降使得管道检测技术得到更好的支持,这将是推动检测系统广泛使用的基础.1.3管道监控系统设计概述本课胭“皆能气体液体输送管道可视化系统”，主要用于气体、液体管道输送的状态监测以及管道工作状态控制，尤其是紧急状态控制.本设计对尸居民家用设计了解决方案，压力传感器组和流盘传感瑞组检测天然气、自来水管道输送的状态数据，设计的树部派系统

9、分析与处理，并整合成为图形数据，上传至OneNET平台，提供给用户进行实时的监控。当管道输送气体或液体，其状态数据超出正常范围时，则发出报警，系统根据控制策略，予以自动控制。尤其是系统若检测到家用可燃气体的泄漏，立即报警同时关闭总阀门。用户既可以通过平台实时看看状态数据，也可以通过视频，查看现场情况。课题采用的树越派主板,可以通过GP1.o引脚读取电路中的电信号同时也为控制电路提供电信号，通过收集从多重传感器组传来的管道数据与程序内部设定的数据进行分析对比处理，从而传送出电信号给外部设备，包括续电器、电磁阀等。以及通过树雍派的内置WiFi功能，将所得的数据上传至OneNET云平台，提供给用户查

10、看：同时也可以接收用户从APP发送过来的指令，让执行单元完成相应的指令操作。管道可视化系统的程序主要包括当系统上电时完成对各个GPIO口的初始化处理，初始化完成后系统正常工作时，多乘传感器组对管道内气体液体的流量、压强进行监测采集，并将采集的数据完成特定的模式转换，转换为树猿派可识别的数字信号,再上传至树莓派主板，树便派再根据写入的程序对其进行判断,将其判断结果发送指令送至三极管，通过三极管的导通和截止状态来控制电磁阀的开关状态：手机APP客户端则是用户登录之后根据显示的内容来监控家里的管道工作状况。硬件控制部分主要有警报系统和电磁阀开关两大部分。其中警报系统包括低电量警报和水流量异常警报两部

11、分；电磁阀开关分为两种工作状态，一种为当管道内流量，压强正常时，电磁阀处于打开状态：当检测到管道内流量、压强与系统设置的阈值不符或管道附近的可燃性气体浓度达到阈值时，电磁阀就会处于关闭状态。第2章管道可视化系统硬件设计2.1硬件总体设计木课题的设计以树僚派主板为控制核心，选取常见的PVB管道作为搭我平台，结合传感器技术、电机控制技术和物联网技术等来实现对于管道内乐力、流量、浓度以及视频监控等相关功能。同时，管道可视化系统采川无线通信W1.FI模块来进行数据的传输，核心控制器接收传感器组所采集到的管道数据并进行模式转换处理以后，上传至OneN。平台。用户则可利用手机控制软件，通过WM通信进行管道

12、工作状态控制和视频监控查看。管道监控系统设计流程图如图2T所示。MQTT/HTTP图2-1管道监控系统设泞流程图2.2树莓派主板树莓派主板是一款班FARM处理器的微型电脑，大小比一张身份证梢大，使用SD内存卡。整个树莓派主板包含数个USB接口，可以根据用户需求可选择三种规格接口(1/2/41，以及一个以太网接口，方便用户使用USB接口的外接设备等。还可以附加电视视频模拟信号输出接口。树盖派主板具备了计毙机的所有基本功能，只福要连接支持HDM1.接口的显示器，既可以通过显示器显示操作界面，执行计算机可实现的文档处理、娱乐游戏、图形显示等功能。本课题采用树莓派作为可视化系统控制模块，选择树分派3代

13、B型平台为主控制器，在于其CPU采用了64位4核ARMCOrteX-A53。并且可以通过有线网口、无线蓝牙或WIH等连接方式进行数据传输、命令发送。树莓派3代B型对比于51单片机、STM32等嵌入式控制器，具有独立完善的操作系统，还可以耨51单片机和STM32无法完成的更豆杂的命令进行执行、管理.极商的性价比使得树里派3代B型主板被极大多数小型实物设计所选择,既具备计算机的基本功能，又拥有计算机没有的IO口，可以让底U传感器组直接与树莓派主板连接控制其功能。最大的优势在于可以将其联网实现物联网的远程控制和远程管理，完成整个可视化系统的测试与运行。安装可视化系统时需要下载镜像并且使用PyIhOn

14、软件进行烧录，与此同时还耍使用安全外壳协议、MQTT传输协议和SMB协议（用于网络连接和用户客户端与服务器之间信息沟通）来完成整个管道可视化系统的系统配置。树莓派3代B型开发板实物图如图2-2所示（HDM榷Q摄像汨妾口以太网接口自频插口S汴插口（板背面）板t三牙和时FF40GP10引4；MicroUSBBCM2837芯片组USB2.0图2-2树分派3代B型开发板2.3传感感器部分2.3.1舱蝴测天然气甲烷传感器本项目选用MQ-4甲烷传感器，它具有对甲烷，天然气等可燃气体的高灵敏性，又可快速的晌应恢复的特性以及可靠的稳定性和长时间的使用寿命，同时低廉的价格，使得MQ-4甲烷传感器性价比极高。它对

15、比于其他传感器，不同之处在于使用的二氧化锡在空气中电导率较低，可以非常精确的检测出传感器周困的甲烷、天然气等可燃性气体的浓度变化,并通过模数转换将气体浓度数据传输至控制单元，再上传至OneNET平台以供用户实时杳询并作出响应.因此，综合各个方面来看，MQ-4甲烷传感器是一款适应性强、性价比高的优质可燃性气体传感器。MQ-4检测天然气甲烷传感器参数如表27所示。MQ-4检测天然气甲烷传整器实物如图2-3所示.图23MQ4甲烷、一氧化碳传感器表2TMQ4检测天然气甲烷传感器参数MQT特点MQ4应用MQH适用气体MQT规格探测范阚广家庭场景天然气探测-Ba30010000ppm灵故度高工厂环境沼气特

16、征气体5000Ppm甲烷快速响应快现市政检测甲烷灵敏度Rinair/Rintypica1.gas5优异的稳定性公共管道监测瓦斯气敏感体电阻1KQ2OKQin5000PPaI甲烷寿命长响应时间W1.OS驱动电路简单恢复时间W30s加热电阻31Q3C加熟电流W180mA2.3.2无腐蚀性液体压力传感器管道可视化系统正常运行后，通过对管道内水压强的感应检测,籽不同的水压模拟信号转换为数字信号，再及时将信号发送到树莓派，然后树盖派根据传感器发送来的信号与内部程序要求进行分析和处理，从而去控制电磁阀开关的断开和连接状态。无腐蚀性液体压力传感器参数如图27所示.工作原理：管道内部水压不同，输出电压不同（介于05-4.5V）,模拟电压通过