基于LoRa技术的储罐火灾报警无线测温系统

时间：2024-08-31

钱源来，沈培璐，李伟杰

（中化兴中石油转运（舟山）有限公司，浙江舟山 316000；中国计量大学，浙江杭州 310018）

0 引言

储罐火灾报警装置对保障大型油库安全运营具有重要意义。根据《石油库设计规范》（GB50074-2014）要求，容量大于或者等于50000m3的外浮顶储罐都应在储罐上设置火灾自动探测装置[1]。现在，行业内普遍使用光纤光栅感温火灾报警装置，其具有绝缘性强、可靠性好、监测区域广、响应时间短等特点,适用于易燃易爆等危险场所的火灾报警[2][3]，但存在设备成本高、光纤易断纤、维护难度大等不足，企业在实际应用中，存在一定安全隐患，且运维成本较高。

针对光纤光栅测温方式的不足，近年来各类火灾预警技术在石油化工企业中得到探索，毕晓蕾提出了基于气压检测的火灾报警系统[4]，冯翠翠利用西门子总线构建了可燃气体传感器网络实现火灾报警[5]，赵树有开发了基于CC2530模块的无线测温网络[6]。本文提出一种基于LoRa技术的无线温度传感网络，探讨其在石油储罐火灾报警中的应用,通过搭建预警平台，建立预测报警体系，以及时发现安全隐患，降低经济损失。

1 系统原理

按照场地情况，石油库区将储罐划分为若干罐组，各罐组内包含4～8个储罐，以中化兴中石油转运（舟山）有限公司为例，现有35个50000m3及其以上储罐，按地理位置划分为7组罐组。在每个储罐罐顶的二次密封处，隔3米安装一个无线测温探头，探头数量和储罐大小相关，如100000m3的储罐安装点位为88个。同一罐组内的无线测温探头和无线接收网关组成一个星状子网，无线接收网关安装在离罐组最近的分布式机房内，负责接收罐组内所有发射端的温度监控信号及报警信号，经光纤信号转换后，利用光纤远传到消防中央控制室上位机，通过软件平台，实现对温度数据的记录、分析、报警联动等功能，无线测温系统原理如图1所示。

无线发送是无线测温探头能耗最大的环节，而且外浮顶储罐存在浮盘沉底、信号被罐壁遮挡等现象，因此系统采用LoRa技术作为无线传输方式。LoRa是一种基于扩频技术的超远距离无线传输方案,可以实现1GHz以下的超长距离低功耗数据传输[7]，运行在433/868MHz等全球免费无线电频段，接收灵敏度高,抗干扰和穿透能力强，具有通信距离远、低功耗、低成本、低速率、网络容量大、组网灵活、通信可靠等特点，适用于低成本、大规模的物联网部署[8]。LoRa的技术特点非常适合储罐罐顶无线测温节点高密度、低功率、长期监控等需求。另外低频段无线电穿透性、远传性较佳，可以解决外浮顶储罐浮盘沉底后信号稳定传输的难题。

图1 无线测温系统原理图

2 无线测温探头

无线测温探头采用电池供电，依据ExiaⅡBT4 Ga本安型防爆设计，对低功耗要求较高。探头由温度采集模块、微控制器、供电模块、无线发送模块等组成，如图2所示。微控制器采用LPC824单片机，属于ARM@CortexTM M0+内核的32位低功耗MCU，主频率30MHz；温度采集采用PT1000热电阻，量程范围-20℃～150℃，经过桥电路后接入单片机AD口进行数值转换，桥电路供电状态由单片机GPIO口控制，确保单片机休眠时不耗电；单片机利用SPI接口与LoRa无线发送模块实现数据交换，LoRa无线发送模块采用433MHz频段发送至远端的罐组双LoRa网关，无遮挡视距可达2km，最大发送功率可达100mW，通过综合罐壁高度、网关距离等因素的影响，调节各模块的实际发送功率，从而减少能量消耗；供电模块采用3000mAh锂电池。经计算，通过采取低功耗休眠、间隔唤醒采样、无异常定时报警的工作模式，探头设计平均总功耗为56.2μA/s，理论上可使用5年，基于电池损耗等因素考虑，使用年限定为2年。

无线测温探头安装在储罐二次密封处，属于0区[9]，储罐的油气聚集在一、二次密封之间，当储罐遭遇雷击，二次密封圈处出现火情时，会造成二次密封周边挡板温度瞬间升高，安装在二次密封处的温度探头即能立刻探测出温度数值，并在预警监控平台上实时显示，因此在此安装火灾报警器具有重要意义。探头经测试，温度偏差在±0.5℃以内，重复性小于0.1℃。无线测温探头的设计参数如表1所示。

表1 无线测温探头设计参数

图2 无线测温探头原理图

3 罐组双LoRa网关

如图3所示，无线测温罐组双LoRa网关电路以LPC824单片机和型号为RA-02的LoRa无线模块为核心。RA-02模块内置射频芯片SX1278实现基于LoRa的远程调制解调器功能，负责实现与测温探头之间的无线通讯。两块LoRa模块在硬件上被设置在两个不同频段，在功能上可以根据实际需要分别加以设定，如LoRa1和LoRa2分别接收不同的测温模块数据，或者LoRa1作为常规数据通道，LoRa2作为报警信息通道，接收模块带有小型可视化液晶显示屏和蜂鸣报警器。供电方式为外接电源供电或者USB供电。罐组双LoRa网关自带有RS485接口，可通过光端机、光纤等设备上传数据到上位机预警监控平台。

4 预警监控平台

预警监控平台运行于Windows 2008操作系统，内置SQL Servers2012数据库，界面程序采用Visual C#2008语言开发，利用Winsock技术接收来自以太网的温度数据，实现实时采集、动态监控、节点管理、数据存储、历史查询等功能。

预警监控平台包含实时监测列表、单点变化趋势、单罐混场分布、报警信息分析等功能界面，如图4所示。平台可记录所有点位的实时数据，展示无线测温数值、显示所在的对应区域，显示电池电量，记录时间、维修替换记录等关键数据，可实现对单罐温度场变化差异的分析，以及单罐温度历史曲线的对比、温度预警等功能。每个无线测温探头都有其对应的唯一编码，当设备出现通讯或电量等故障时，可直接找到对应设备进行替换，极大降低了使用方的维护成本。相关数据列表及数据趋势分析部分界面如图5和图6所示。

此外，预警监控平台与库区消防SCADA系统对接，通过设置温度阈值来实现温度预警、温度报警、温度超高报警等报警信号并通过SCADA系统启动储罐消防喷淋系统和泡沫灭火系统，实现消防自动联锁和快速火灾扑灭。

图3 罐组双LoRa网关原理框图

图4 监控软件功能

图5 监控软件数据列表

图6 指定节点区间趋势显示

5 系统整体测试

无线测温探头已经通过防爆认证，防爆等级ExiaⅡBT3-T4 Ga，并通过了IP66级防护等级认证。系统整体已进入实验运行阶段，无线测温探头即使在储罐沉底的极限信号测试中，无线电信号也能绕过近20米的储罐外壁，送达罐组接收位置而长期不丢包，验证了无线测温探头极强的远距离传输能力和障碍物绕射能力。另外，将双LoRa网关安装于各个罐组最近的分布式基站，在确保信号不丢包的基础上，可以极大地降低测温探头的发射功率，实现系统整体的性能优化。