石油泄露监测的光学单元无线系统的设计与研究

摘要

石油作为现代工业的血脉，对我国经济的长远发展起着至关重要的作用。且石油在开采和海上运输时，难免会出现泄露的事故，这严重影响海洋的生态环境，并且间接影响人类的身体健康。同时，石油泄漏事故后，被大面积污染的海水将很难被处理，因此对石油泄漏实时在线监测在保护海洋生态安全上具有很重要的意义。另一方面，对于石油泄漏事件，传统的实验室电化学分析、以及卫星遥感均无法实现实时、动态的监控，探索现场快速检测技术对制定应急预案以及减少损失具有重要的实用价值。而利用光学手段监测海洋石油泄漏具有无标记、实时动态、高效便捷的优势。基于此，本文以一种高检测精度的金属波导毛细管为光学传感单元，研制了一套用于石油泄露监测的光学单元无线化网络系统。
　　本研究首先阐述了石油污染现状以及石油监测方法的国内外发展状况，并在深入研究光学传感单元结构和原理的基础上，提出了石油泄漏监测的光学单元无线化网络系统的整体架构，并阐述了系统的工作机理；其次，以模块化设计方法，完成了光学单元无线节点的硬件结构设计，具体包括微处理模块、时钟模块、数据存储模块、电源管理模块、无线通信模块以及GPRS模块的设计与集成；再次，在完成节点的功能需求分析和系统通信协议制定的基础上，实现了节点的嵌入式软件设计。同时，设计了嵌入信号提取算法的上位机软件，主要包括基本设置部分、数据显示部分、数据导出部分、以及数据分析部分；最后，使用红墨水和石油对系统进行了验证。结果表明，所研制的光学单元无线化网络系统能够实时、在线动态地监测石油泄漏事件，系统具有低成本、低功耗、布设方便、高精度等优点，其石油的检测精度为1.28×10-8 g/ml，在石油监测领域具有很好的应用前景。

目录

声明

1 绪论

1.1 课题背景及研究意义

1.2 国内外石油泄漏监测技术的研究现状

1.3 无线技术在石油泄漏监测领域的应用

1.4 石油泄漏监测的光学单元无线系统的设计意义

1.5 本文主要工作

2 石油泄漏监测的光学单元无线系统整体设计

2.1 石油泄漏监测的原理

2.2 石油泄漏监测的光学单元无线系统的整体架构设计

2.3 本章小结

3 石油泄漏监测的光学单元无线系统节点的硬件设计

3.1 石油泄漏监测传感器无线节点的硬件设计

3.2 无线节点的版图设计

3.3 本章小结

4 石油泄漏监测的光学单元无线系统的软件设计

4.1 无线系统嵌入式软件设计

4.2 上位机应用软件设计

4.3 信号提取算法及其软件实现

4.4 本章小结

5 石油泄漏监测的光学单元无线系统的实验验证及分析

5.1 节点AD采集测试

5.2 红墨水实验

5.3 石油实验

5.4 系统性能指标

5.5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢