基于Wi-Fi 和云平台的原油集输监测系统设计

崔至昊

（中国石油大学< 华东> 山东 青岛 266580）

0 引言

我国有庞大的工业体系和成熟、稳定的工业基础[1]，大量的原油消耗使我国成为全球最主要的石油进口国之一[2]。油气集输是将油田开采出的原料进行集中处理，最终变成原油产品的过程，是原油开采过程中极为重要的一个环节。原油外输的方式以长输管道外运为主，主要采用原油动态计量方法进行原油交接计量。在计量过程中，由于受到温度变化、气体损失、管线泄露等因素的影响，原油输量会产生偏差[3]。传统的原油动态计量方法由计量人员来手动完成，计量人员首先需要逐个检查管道，并手动记录各种仪表的参数，再输入计算机得到计量结果。此方法操作复杂，人工成本高，计量误差大，无法实时监测原油的流量。通过智能化改造可以实时获取管道的温度、压力等数据，可以对原油流量进行补偿校准，从而提高计量的准确度[4-5]。

本文采用ESP8266 Wi-Fi 模块，获取到温度、压力数据，通过网络上传至云端，并设计了Web 监控系统实时显示终端上传的数据，实现了对输油管道温度、压力等数据的实时监测。

1 系统整体设计方案

本系统基于无线通信技术和物联网云平台技术，主要由原油温度、压力数据采集、远程监控显示以及异常报警等3 部分组成，安置在管道上的无线传感器通过Wi-Fi 传输数据。系统整体架构见图1。

通常Wi-Fi无线组网有基础网和自组网两种拓扑结构，自组网网络结构通常是由多个节点STA 组成的一种动态的对等网络结构，在这种网络结构下，没有主节点AP的存在，各个节点STA 之间可以直接建立连接进行通信，无线自组网中的每个用户终端都兼有路由器和主机两种功能。基础网网络结构是设置一个主节点AP 和多个子节点STA 的结构，各个子节点连接主节点进行网络通信，主节点相当于整个节点网络的中心。

基础网网络拓扑结构具有网络结构简单、信息传输高效的优点，见图2，本系统选用基础网网络结构来进行Wi-Fi 组网。输油管道上的每个监测节点相当于一个STA，另外设置一个中心节点AP 来进行子节点与云平台的数据通信，同时该AP 节点负责控制蜂鸣器实现报警功能。

本系统由多个ESP8266 Wi-Fi 模块构成基础网网络拓扑结构，其中包括一个AP 主节点和多个STA 子节点。主节点由一个ESP8266 作为无线收发器，子节点由ESP8266分别和温度传感器、压力传感器组成。子节点位于厂房内不同输油管路上，由相应的传感器收集温度、压力等数据。主节点位于厂房房顶高处，用于子节点与云平台的通信，还有一个子节点负责参数异常时的声光报警。相比于人工操作，该系统可以更加精准、实时地监测各项数据，从而调整计算原油流量的参数，尽可能减小原油计量时的输差。

2 硬件分析与选型

2.1 通信模块分析与选型

本系统的数据传输是将传感器测得的温度、压力等数

据上传到云平台，以及子节点在测得数据不正常时将报警信号发送到主节点。ESP8266 具有低功耗、低成本、尺寸小等优点，满足系统需求，其芯片封装及引脚图见图3。

2.2 温度传感器分析与选型

温度传感器主要分为两种：数字温度传感器和由热敏电阻电路构成的传感器。与传统的热敏电阻测温电路相比，DS18B20 数字温度传感器可以直接输出数字信号，可按实际要求通过编程实现9 ～12 位的A/D 转换精度。DS18B20采用单总线串行接口，具有体积小、功耗低、抗干扰能力强、测量精度高、替换方便等特点，适用于大部分的气体和液体测温。故本系统的原油温度监测节点采用温度传感器DS18B20 数字温度传感器。

本设计原油温度监测节点所使用的DS18B20 的TO-92封装引脚结构见图4。

2.3 压力变送器

由于原油的特殊理化特性以及输油管道内较高的压力，普通的压力传感器无法在该环境下使用，因此本系统使用了为这种环境特殊设计的压力变送器CYYZ11。该传感器通过一个惠更斯电桥，被测原油压力发生变化时，桥臂电阻值随之发生变化，并产生一个差动电压信号。经过信号调理后，可以被ESP8266 的片内ADC 采集。压力信号采集框图见图5。

2.4 报警模块分析与选型

系统的数据异常报警有两种方式，即邮件报警和现场报警。邮件报警是当云平台检测到输油管道的数据存在异常时，即向用户邮箱发送报警邮件；现场报警是报警终端子节点接收云平台服务器下发的报警命令时，控制报警装置进行报警。报警装置设置在原油计量站监控室内，为达到明显报警信号，系统采用声光报警相结合的方式。灯光报警使用LED 灯亮提醒，声音报警选用蜂鸣器报警。

3 软件设计

3.1 物联网云平台设计

OneNET云平台是中国移动推出的物联网开放云平台，其具有非常完善的开发文档，具有开发成本低、稳定性强、周期短等优点[6]。OneNET 平台的所有服务均为免费开放，大大节省了开发者的成本，开发过程中只需要根据OneNET 云平台的使用规范接入云平台，添加设备，上传数据，系统里所有上传的数据均存储在云端。平台还提供触发器功能，可以将满足条件的数据主动推送给第三方。

3.2 ESP8266 模块程序设计

ESP8266 模块连接Wi-Fi 网络流程图见图6。

在程序设计中，采用了Wi-Fi 一键配网（smartconfig）技术，在手机客户端输入路由器Wi-Fi 名（SSID）和密码（psw）后，手机会在空中发送无线广播，在ESP8266 模块收到广播后尝试使用psw 不断去连接Wi-Fi 名为SSID的路由器，连接成功后就会返回信息给手机客户端通知配网成功。因此只要系统上电，ESP8266 模块就能自动连接Wi-Fi 网络。

3.3 传感器软件驱动设计

3.3.1 数字温度传感器

数字温度传感器DS18B20 在使用前要先进行初始化。ESP8266 需先拉低总线至少480 µs 产生复位脉冲，然后释放总线，如果这条总线上存在可用的DS18B20，总线会返回一个低电平脉冲，表明DS18B20 已经建立好连接可以运行。收到应答脉冲后发送搜索ROM 指令F0H，搜索到

DS18B20 传感器ID 号后发送读取温度指令BEH，搜索读取反复进行，待传感器数据读取完毕后，一次温度采集流程结束。ESP8266 与DS18B20 通信流程见图7。

3.3.2 压力变送器

压力变送器CYYZ11 有3 种输出方式：4 ～20 mA 两线制电流输出、RS485（标准Modbus-RTU 协议）输出以及0～10 V、0 ～5 V、1 ～5 V、0.5 ～2.5 V DC 模拟信号输出。ESP8266 模块无法兼容电流信号输出方式，RS485 协议需要在单片机与压力变送器之间连接串口转RS485 模块，电路较为复杂。而ESP8266 模块集成了一个通用的10 bit 精度的ADC，可检测的模拟输入电压范围在0 ～1 V，可以检测传感器输出的电压信号，因此本设计选用压力变送器CYYZ11 的模拟电压输出方式。因输出信号的电压超过了ADC 的最高输入电压，还需一个分压电路起到降压的作用，分压电路见图8。

采用CYYZ11 的0 ～5 V 电压输出，用分压电路将输入ESP8266 模块引脚的电压降为0 ～1 V，ESP8266 模块读取电压值后，会自动将其转换为压力值。

4 云平台设计

本文所搭建的云平台见图9，该平台共集成了两个温度传感器节点和两个压力传感器节点，均可以正常工作。由于有一路温度传感器温度高于76 ℃，触发了报警指示。以上现象说明了本文对原油集输系统的智能化改造是成功和有效的。

5 结语

本文根据对传统的原油集输系统进行了智能化改造，将E S P8266 与数字温度传感器D S18B20 和压力变送器C Y Y Z11 相结合，并且利用中国移动推出的OneNET 物联网云平台，实现了实时数据监测，有效解决了人工操作的测量繁琐、测量误差大等问题。采用该系统实时获取的检测数据，并配合相应的校准算法，能够有效地降低原油集输过程中的输差，对于企业的发展具有重大意义。