无线航油泄漏传感器设计

陈吉辉 邱玲

摘  要：机场油库输油管燃油泄漏探测是机场油库安全保障的重要环节，如发生泄漏或出现其他不安全情况，会严重影响营运安全。文章采用无线单片机为主控MCU、分布式高聚物传感电缆为传感单元，采用电池供电，结合LoRa无线技术、高精度AD采样、极低功耗的软硬件技术，设计出了无线航油泄漏传感器，不仅能够检测、报告泄漏，还能探测并识别航油泄漏的位置。

关键词：航油泄漏;无线单片机;高聚物电缆;低功耗

中图分类号：TP368       文献标识码：A文章编号：2096-4706（2022）04-0196-03

Design of Wireless Aviation Oil Leakage Sensor

CHEN Jihui， QIU Ling

（Chengdu College of University of Electronic Science and Technology of China， Chengdu  611731， China）

Abstract： The detection of fuel leakage in the oil pipeline of the airport oil depot is an important part of the safety guarantee of the airport oil depot. If there is leakage or other unsafe conditions， it will seriously affect the operation safety. This paper uses the wireless single chip microcomputer as the main control MCU， the distributed high polymer sensing cable as the sensing unit， uses the batteries to supply power， combines with Lora wireless technology， high-precision AD sampling and very low-power dissipation software and hardware technology， then it designs the wireless aviation oil leakage sensor， which can not only detect and report the leakage， but also detect and identify the location of aviation oil leakage.

Keywords： aviation oil leakage; wireless single chip microcomputer; high polymer cable; low power consumption

0  引  言

航空油料具有易燃、易爆、易挥发和流动性等特点，具有较高的危险性，机场油库油料泄漏会严重影响运营安全，如2009年8月重庆江北机场的供油管道泄漏事故、2012年5月深圳机场一个核载2 000吨的汽油油罐的漏油事故，均给机场营运带来重大损失。因此，对机场油库油品泄漏的监测是機场油库安全保障的重要环节。本文采用无线单片机、高聚物电缆设计的电池供电的低功耗无线航油泄漏传感器，其无线通信距离可达3 000米，不仅能够报告泄漏，还能确定航油泄漏的位置。

1  硬件设计

传感器由传感单元、信号处理单元、电池管理单元和射频通信单元组成，其结构如图1所示。

1.1  传感单元

泄漏传感检测需要准确可靠地判断泄漏的发生和泄漏程度，能对较小量的泄漏做出判断，并能够在较短的时间内判断出泄漏点的具体位置;目前的管道燃油泄漏主要的检测方法有负压波检测法、光纤检测法和次声波检测法，但这些方法对较小量的泄漏检测效果不理想，并且也难以应用于加油撬装设备、加油车移动设备漏油检测。

本设计采用检漏电缆作为传感检测单元，其原理是泄漏的油料渗入电缆后，会引起电缆特性的变化，通过检测这种变化，可迅速地检测到漏油的发生。应用于燃油泄漏的检测电缆主要有三种：油溶性电缆、渗透性电缆和分布式传感电缆，油溶性电缆和渗透性电缆检测法需从电缆的一端发送电脉冲信号，并通过检测反射的脉冲信号来确定位置，而分布式传感电缆主通过测量传感导线回路电阻来检测燃油泄漏和确定泄漏的位置[1]，其原理是当泄漏的燃油接触到电缆内的高聚物材料时，高聚物材料产生膨胀，并和电缆内的金属传感线接触构成导电回路，只需要简单地测量电缆电阻的变化，就可以实现泄漏检测与定位。

从功耗的角度考虑，电阻测量法也比发送电脉冲信号并检测反射信号的方法功耗更低，更适用于电池供电传感器，因此，综合考虑，本设计采用高聚物分布式传感电缆漏油感应线作为传感检测元件。

1.2  数据处理与通信

传感器MCU采用STM32WL微控制器，其在同一芯片上集成了通用微控制器和sub-GHz无线电，基于ArmCortex-M4和Cortex-M0+核心，支持复合调制-LoRa、（G）FSK、（G）MSK、BPSK，以完全开放的方式通过LoRaWAN和无线基站通信，STM32W微控制器采用基于Semtech SX126x的sub-GHz无线电，以满足工业和消费物联网（IoT）中各种低功耗广域网（LPWAN）无线应用的需求[2]。SX126x采用符合中国的监管要求的ISM频段，非常适合远距离无线应用，并且其接收电流仅4.2毫安，最大的发射功率可以高达22 dBm，也非常适合要求长电池寿命的应用，具有传输距离远、抗干扰性强等特点[3]。

利用MCU内部自带的12位A/D转换，可以定时采集传感单元的阻抗变化信息和电池的电压信息，通过数据处理和通信协议处理，由MCU内部集成的LoRa单元发送至无线网关。

1.3  电池管理单元

传感器采用电池供电，因此整个设计除需充分考虑设备功耗外，还需定时检测电池电压，并将该电压换算成电池电量值，当电池电量小于20%时，传感器需上报电量告警信息，以便用户及时替换传感器电池。

本设计采用MCU定时唤醒，并打开外围电路供电开关，同时采集电池电压与高聚物电缆阻抗，采集完成后，关闭供电，打开射频发送，发送完毕休眠，等待下次唤醒的方式，可充分节省功耗，电池供电开关与电压采集电路设计如图2所示。

2  传感器软件设计

2.1  软件流程图

软件由AD采样、数据处理、数据收发和功耗管理等部分组成，流程图如图3所示。

2.2  AD采样

使用电池直接供电的无线传感器，电池供电电压会随着电量的减少产生一定范围内的降低，此时ADC模块的参考电压已经改变，那么经过AD转换求出来的电压值也就不准确了;因此为了更精确的体现ADC对管脚采样的电压值，需要对当前的供电电压的变化也进行参考计算，涉及MCU内部参考电压（VREFINT）的应用。

MCU在出厂时，基于特定的芯片供电电压，将对VREFINT的采样值，存放在系统存储区域，可以读取出来使用。VREFINT实际上是一个内部稳压低电压值，也就是芯片供电在一定范围（譬如1.65 V～3.6 V）应用时，这个电压不变;VREFINT内部连接到ADC_IN17输入通道，因此我们可以在每次采样管脚前，基于对VREFINT的采样读取，与ST出厂时配置的VREFINT值对比，获得当前的芯片ADC供电校正电压，从而对管脚电压采样时，用此实时校正的电压作为参考，得到对应的管脚电压值，AD通道采样计算公式[4]：

VCHANNELX=（3V x VREFINT_CAL x ADC_DATAX）/（VREFINT_DATA x FULL_SCALE）

其中：

VREFINT_CAL是VREFINT校准值;

ADC_DATAx是由ADC在通道x上没得的值;

VREFINT_DATA是由ADC转换得到的实际VREFINT;

FULL_SCALE是由ADC输出的最大数字值，例如采样分辨率为12位时，该值为212-1=4095;

从上面公式我们看到，要准确测量某通道电压，其实是需要进行两次AD，第一步先采集内部参考电压ADC_IN17，得到VREFINT对应的实际值VREFINT_DATA，然后再采集通道X的值ADC_DATAX，代码实现举例如下：

//*****************************************************************************

//name：             GET_ADC

//introduce：        单通道采集ADC的值

//parameter：         CH：ADC采集通道

//return：             ADC采集值

//*****************************************************************************

uint32_t GET_ADC（uint32_t CH）

{

uint32_t adc_conv_var=0;

uint32_tadcv=0 ;

uint32_t vref_data=0x00;

__IO uint16_t vref_cal = *（__IO uint16_t *）（0x1FF80078U）;

ADC_ChannelConfTypeDefsConfig = {0};

HAL_ADCEx_EnableVREFINT（）;

HAL_ADC_Stop（&hadc）;

hadc.Instance->CHSELR=0;

sConfig.Channel = ADC_CHANNEL_VREFINT;         //通道17專门测内部电压值

sConfig.Rank = ADC_RANK_CHANNEL_NUMBER;

HAL_ADC_ConfigChannel（&hadc， &sConfig）;

HAL_ADC_Start（&hadc）;

HAL_ADC_PollForConversion（&hadc， 20）;

if（（HAL_ADC_GetState（&hadc） & HAL_ADC_STATE_REG_EOC） == HAL_ADC_STATE_REG_EOC）

{

vref_data = HAL_ADC_GetValue（&hadc）;

}

HAL_ADCEx_DisableVREFINT（）;

HAL_ADC_Stop（&hadc）;

hadc.Instance->CHSELR=0;

sConfig.Channel = CH;

sConfig.Rank = ADC_RANK_CHANNEL_NUMBER; // 设置通道

HAL_ADC_ConfigChannel（&hadc， &sConfig）;

HAL_ADC_Start（&hadc）;// 启动转换

HAL_ADC_PollForConversion（&hadc，20）;// // 等待转换结束超时20ms

if （（HAL_ADC_GetState（&hadc） & HAL_ADC_STATE_REG_EOC）==HAL_ADC_STATE_REG_EOC）

{

adcv= HAL_ADC_GetValue（&hadc）;// 读取结果

}

adc_conv_var=（（300 * vref_cal * adcv） / （vref_data * 4095））*10; //放大

sConfig.Rank = ADC_RANK_NONE; // 清除通道

HAL_ADC_ConfigChannel（&hadc， &sConfig）;

HAL_ADC_Stop（&hadc）;

return adc_conv_var;  //返回通道測量值

}

2.3  低功耗设计

低功耗设计，除了电路设计外，软件的低功耗设计也是非常重要的环节，对于燃油泄漏探测这类缓变量信号，可以每10秒为一个周期来检测和上报，这个周期时间也可以通过控制终端灵活设定。

在系统或者电源复位后，微控制器处于运行状态之下，HCLK为CPU提供时钟，内核执行代码;当CPU不需要继续运行时，可以利用MCU的睡眠模式、停止模式或者待机模式来节省功耗，虽然待机模式在三种模式下可以实现最低功耗，但由于传感器在低功耗模式下仍然需要保留寄存器和SRAM内容，因此本设计采用MCU的STOP和RUN两种模式切换[5]，每10秒为一个周期，其中9 950毫秒处于STOP模式，其功耗<10 μA，50毫秒处于RUN模式，完成采集信息、数据处理与通信，其功耗<20 mA。

MCU的STOP和RUN两种模式切换，采用RTC时钟唤醒的方式，在软件设计上，需要注意以下几点：

（1）正确配置RTC，启动外部低速32.768 kHz外挂晶振用来启用定时;

（2）进入STOP模式前预处理，对外设进行设置，GPIO要设置成模拟输入状态，并关闭中断/ADC/I2C等开启的外设;

（3）设置RTC的唤醒时间;

（4）进入STOP模式;

（5）退出STOP模式，并恢复时钟和各外设状态，如GPIO的设置、恢复预处理时关闭的中断/ADC/I2C等。

实现代码例子：

voidenter_stop_rtc_mode（uint8_t times）

{

//1. 配置stop之前各外设

system_config_before_stop（）;

//2.设置rtc唤醒时间，单位：秒

stop_rtc_config（times）;

//3. 进入stop

HAL_PWR_EnterSTOPMode（PWR_LOWPOWERREGULATOR_ON， PWR_STOPENTRY_WFI）;

//4.退出stop后恢复时钟

config_after_stop（）;

}

3  结  论

本设计采用无线单片机、高聚物电缆传感、低功耗电池供电的无线漏油检测传感器，可设置在混凝土地板上或日用油箱下方的浅集油盘中，软管和燃油滤清器下方，泵垫上和阀组下方等各个容易发生泄漏的部位，当油库中某处漏油被检测到时，可迅速通知管理人员及时处理，最大限度地防止泄漏事故的发生。

参考文献：

[1] 杨军.油（气）管道泄漏监测方法的研究 [D].北京：清华大学，1994.

[2] STM32WL55xx STM32WL54xx DataSheet [EB/OL].（2021-12-06）.https：//www.st.com/content/ccc/resource/technical/document/datasheet/group3/51/9a/c9/0e/14/05/4d/fc/DM00697314/files/DM00697314.pdf/jcr：content/translations/en.DM00697314.pdf.

[3] SX1261/SX1262 Datasheet，Rev.2.1 .[EB/OL].（2021-12-06）.https：//semtech.my.salesforce.com/sfc/p/#E0000000JelG/a/2R000000HT7B/4cQ1B3JG0iKRo9DGRkjVuxclfwB.3tfSUcGr.S_dPd4.

[4] STMicroelectronics.STM32 Cortex®-M4 MCUs and MPUs programming manual [EB/OL].[2021-12-11]. https：//www.st.com/content/ccc/resource/technical/document/programming_manual/6c/3a/cb/e7/e4/ea/44/9b/DM00046982.pdf/files/DM00046982.pdf/jcr：content/translations/en.DM00046982.pdf.

[5] 沈建华，郝立平.STM32W无线射频ZigBee单片机原理与应用 [M].北京：北京航空航天大学出版社，2010.

作者简介：邱玲（1968—），女，汉族，四川德阳人，讲师，硕士研究生，研究方向：航空机电;陈吉辉（1966—），女，汉族，四川自贡人，高级工程师，本科，研究方向：航空电子。