王霞，宋越

(1.泰州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 泰州 225300;2.泰州市人民檢察院，江蘇 泰州 225300)

0 引言

近年來(lái)，在石油化工領(lǐng)域中，由于各種原因?qū)е碌亩練庑孤?，氣體爆炸等造成人員傷亡的事件時(shí)有發(fā)生，給人民的安全，給國(guó)家的經(jīng)濟(jì)造成了很大的損失。因此，為了避免發(fā)生重大事故和保障人民的生命財(cái)產(chǎn)安全，就必須具有現(xiàn)代化的管理體系和監(jiān)控設(shè)施。

本文提出了一種基于ZigBee 無(wú)線技術(shù)的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)方案。利用終端傳感器采集到的空氣質(zhì)量參數(shù)，通過(guò)ZigBee 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)地將數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)控室，集中監(jiān)測(cè)各個(gè)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的空氣質(zhì)量狀況。一旦發(fā)現(xiàn)問題，及時(shí)報(bào)警提醒工作人員采取有效地措施，有效避免重大事故的發(fā)生。

1 系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)的功能概述

空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)作為工業(yè)管理體系中的“實(shí)施和監(jiān)測(cè)”環(huán)節(jié)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)空氣質(zhì)量的狀況，并實(shí)時(shí)傳送到工廠的管理網(wǎng)絡(luò)中，以提供實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)將工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)到的空氣質(zhì)量狀況發(fā)送給管理網(wǎng)絡(luò)后，監(jiān)控室內(nèi)的PC 機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)變化狀況，一旦發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)空氣狀況異常，立刻報(bào)警通知現(xiàn)場(chǎng)工作人員采取有效的措施，從而保障人們的生命財(cái)產(chǎn)安全。系統(tǒng)能夠檢測(cè)多個(gè)空氣質(zhì)量參數(shù)，主要包括:溫度、濕度、CO 含量、CO2含量以及空氣質(zhì)量。系統(tǒng)還預(yù)留了多個(gè)擴(kuò)展接口，可以根據(jù)實(shí)際需求，添加氣體傳感器模塊。整個(gè)系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)如表1 所示。

表1 系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)

1.2 系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由檢測(cè)終端、無(wú)線路由器、無(wú)線網(wǎng)關(guān)以及基于PC 機(jī)的監(jiān)測(cè)軟件組成。系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

由于在企業(yè)控制室或辦公室安裝空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)時(shí)，鋪設(shè)與各檢測(cè)終端間的通信電纜是十分不便的，因此本空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在各檢測(cè)終端與PC 機(jī)間采用無(wú)線通信，這不僅便于初始安裝，也便于隨時(shí)更換檢測(cè)終端在室內(nèi)的位置。

系統(tǒng)的無(wú)線通信部分采用了ZigBee 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)［2］。ZigBee 標(biāo)準(zhǔn)是基于802.15.4 協(xié)議棧而建立的，具備了強(qiáng)大的設(shè)備聯(lián)網(wǎng)功能，它可支持3 種主要的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即星型結(jié)構(gòu)、簇狀結(jié)構(gòu)(Cluster tree)和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(Mesh)。其中的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)具有自組織能力以及很強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)健壯性和系統(tǒng)可靠性。本系統(tǒng)正是采用了網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)設(shè)備間相互通信的。

系統(tǒng)的工作原理:

1)無(wú)線網(wǎng)關(guān)組建網(wǎng)絡(luò)，形成本網(wǎng)路特定的網(wǎng)絡(luò)ID，無(wú)線路由器和檢測(cè)終端自動(dòng)搜索網(wǎng)絡(luò)，找到與自身匹配的網(wǎng)絡(luò)ID 后加入網(wǎng)絡(luò);

2)檢測(cè)終端實(shí)時(shí)檢測(cè)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的溫度、濕度、CO 含量、CO2含量以及空氣質(zhì)量，并將檢測(cè)到的結(jié)果通過(guò)無(wú)線方式直接發(fā)送給網(wǎng)關(guān)，或通過(guò)無(wú)線路由器轉(zhuǎn)發(fā)給無(wú)線網(wǎng)關(guān);

3)無(wú)線網(wǎng)關(guān)收到終端發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)通過(guò)USB 口上傳給PC 機(jī);

4)PC 機(jī)進(jìn)一步處理發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各個(gè)現(xiàn)場(chǎng)的空氣質(zhì)量狀況。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件由檢測(cè)終端、無(wú)線路由器以及無(wú)線網(wǎng)關(guān)這三部分構(gòu)成。

2.1 檢測(cè)終端的設(shè)計(jì)

檢測(cè)終端主要功能是檢測(cè)空氣中多種氣體參量，主要包括:溫度、濕度、CO 濃度值、CO2 濃度值以及空氣質(zhì)量等級(jí)指標(biāo)，并將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地通過(guò)ZigBee 無(wú)線方式發(fā)送給網(wǎng)關(guān)。

檢測(cè)終端主要由傳感器、信號(hào)變換電路、A/D 轉(zhuǎn)換電路、微處理器、無(wú)線射頻模塊以及電源模塊組成。溫度、濕度、CO、CO2以及空氣質(zhì)量傳感器將檢測(cè)到的結(jié)果經(jīng)信號(hào)變換、A/D 轉(zhuǎn)換后，由微控制器讀入并做工程量轉(zhuǎn)換，再通過(guò)Zigbee 無(wú)線模塊發(fā)送給網(wǎng)關(guān)。其中CO2傳感器采用紅外檢測(cè)法［3］，紅外檢測(cè)法具有測(cè)量精度高、可靠性強(qiáng)、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，利用這一方法可準(zhǔn)確測(cè)量空氣中CO2的含量;CO 傳感器采用的是電化學(xué)檢測(cè)法，它是通過(guò)傳感器的氧化還原反應(yīng)，將CO 氣體轉(zhuǎn)化為與之成正比的電流信號(hào)，電化學(xué)傳感器是目前工業(yè)上用于測(cè)量有毒氣體的主流方法，使用這種方法測(cè)量精度高、反應(yīng)靈敏高。除此之外，為了能更快速地和周圍空氣保持流通，檢測(cè)終端內(nèi)部還裝有微型軸流風(fēng)扇，起到散熱的作用。檢測(cè)終端的結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 檢測(cè)終端結(jié)構(gòu)圖

2.2 無(wú)線路由器的設(shè)計(jì)

由于建筑物結(jié)構(gòu)空間、距離不同，房間之間墻體結(jié)構(gòu)不同，在檢測(cè)終端與網(wǎng)關(guān)之間，可能存在無(wú)線信號(hào)無(wú)法一次接收得到的情況，這時(shí)就需要增設(shè)無(wú)線通信路由器設(shè)備。根據(jù)室內(nèi)分布和墻體的具體情況，需要安裝一個(gè)或多個(gè)帶有Zigbee 模塊的路由器節(jié)點(diǎn)。檢測(cè)終端中的數(shù)據(jù)，通過(guò)無(wú)線通道將數(shù)據(jù)發(fā)到所屬的路由器節(jié)點(diǎn)，路由器節(jié)點(diǎn)通過(guò)路由把數(shù)據(jù)傳送到網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)再把數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C。這種方式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，形成網(wǎng)狀和簇樹交錯(cuò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，易于實(shí)現(xiàn)。

無(wú)線路由器由微處理器、無(wú)線射頻模塊以及穩(wěn)壓電源模塊組成。其中電源模塊采用交流電源供電，從而保證路由器能長(zhǎng)時(shí)間、高效率的工作。無(wú)線路由器的硬件結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 無(wú)線路由器結(jié)構(gòu)圖

2.3 無(wú)線網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的無(wú)線網(wǎng)關(guān)實(shí)際上擔(dān)當(dāng)著ZigBee 網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器的角色，ZigBee 網(wǎng)絡(luò)中包含3 種設(shè)備類型:即ZigBee 協(xié)調(diào)器、路由器以及終端設(shè)備。協(xié)調(diào)器是整個(gè)ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的中心，它負(fù)責(zé)建立、維持和管理網(wǎng)絡(luò)、分配網(wǎng)絡(luò)地址等功能。本系統(tǒng)中網(wǎng)關(guān)在組建完網(wǎng)絡(luò)后，等待終端發(fā)來(lái)數(shù)據(jù)，然后將收到的數(shù)據(jù)通過(guò)USB 接口上傳給PC 機(jī)。

無(wú)線網(wǎng)關(guān)主要由微處理器、無(wú)線射頻模塊、USB 通信模塊［4］以及電源轉(zhuǎn)換模塊組成。其中微處理器與USB 模塊間采用串口(UART)通信;網(wǎng)關(guān)采用USB 供電，電源轉(zhuǎn)換模塊是將USB 電壓轉(zhuǎn)換為微處理器的工作電源。無(wú)線網(wǎng)關(guān)的硬件結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 無(wú)線網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)圖

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件由下位機(jī)和上位機(jī)這兩部分軟件組成。其中下位機(jī)軟件主要完成數(shù)據(jù)的采集和傳輸，上位機(jī)軟件則完成數(shù)據(jù)的接收和處理。

3.1 下位機(jī)軟件的設(shè)計(jì)

下位機(jī)軟件主要包括:各硬件設(shè)備的初始化工作、檢測(cè)終端的數(shù)據(jù)采集以及數(shù)據(jù)的傳輸。系統(tǒng)采用的是Zig-Bee 無(wú)線通信技術(shù)，而本系統(tǒng)下位機(jī)軟件是基于TI 的ZStack 協(xié)議棧基礎(chǔ)上開發(fā)的［5］。

1)各硬件設(shè)備的初始化工作。在設(shè)備通電后，需要完成硬件平臺(tái)和軟件架構(gòu)所需要的各個(gè)模塊的初始化，為操作系統(tǒng)的運(yùn)行做好準(zhǔn)備。初始化工作主要包括:初始化芯片的各個(gè)硬件模塊、初始化系統(tǒng)時(shí)鐘、初始化堆棧、初始化Flash 存儲(chǔ)器、形成終端的MAC 地址、初始化一些非易失變量、初始化MAC 層、初始化應(yīng)用框架層以及初始化操作系統(tǒng)。

2)檢測(cè)終端的數(shù)據(jù)采集。檢測(cè)終端內(nèi)置多個(gè)傳感器，主要測(cè)量溫濕度值、CO 和CO2濃度值以及空氣質(zhì)量等級(jí)指標(biāo)。微處理器讀入各個(gè)傳感器采集到的數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算和軟件濾波處理。其中軟件濾波是很重要的一個(gè)步驟，用于去除一些受干擾的數(shù)據(jù)，提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。數(shù)據(jù)采集的流程如圖5 所示。

圖5 檢測(cè)終端數(shù)據(jù)采集流程圖

檢測(cè)終端數(shù)據(jù)采集程序通過(guò)調(diào)用Temperature()、Humidity()、AIR_sensor()、CO2_sensor()以及CO_sensor()這五個(gè)函數(shù)，用于采集空氣中的溫度、濕度、空氣質(zhì)量、CO2以及CO 參量。由于系統(tǒng)是實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的空氣質(zhì)量變化狀況，因此，這五個(gè)函數(shù)是定時(shí)被調(diào)用的，定時(shí)時(shí)間可根據(jù)實(shí)際需求設(shè)定。

3)數(shù)據(jù)的傳輸。檢測(cè)終端采集這5 個(gè)參數(shù)后，將它們按照一定的格式排列，并在數(shù)據(jù)串前頭加入終端設(shè)備的MAC 地址，然后進(jìn)行打包保存。其中，MAC 地址是在PC機(jī)收到數(shù)據(jù)包時(shí)，用于區(qū)分哪個(gè)終端發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)，這樣，一個(gè)網(wǎng)絡(luò)里面就可以同時(shí)存下若干個(gè)終端設(shè)備了。

終端在將打包好的數(shù)據(jù)發(fā)送前，先要檢測(cè)區(qū)域內(nèi)是否有可用的ZigBee 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)發(fā)現(xiàn)周圍有允許的網(wǎng)絡(luò)后，加入網(wǎng)絡(luò)，然后將數(shù)據(jù)無(wú)線發(fā)送出去，網(wǎng)絡(luò)將根據(jù)最佳路徑最終將數(shù)據(jù)發(fā)送給無(wú)線網(wǎng)關(guān)。網(wǎng)關(guān)將收到的數(shù)據(jù)通過(guò)串口發(fā)送給USB 模塊，USB 模塊再將數(shù)據(jù)通過(guò)USB 線上傳給PC 機(jī)。這里，USB 模塊與PC 機(jī)正常通信前，應(yīng)根據(jù)USB 芯片的型號(hào)，在PC 機(jī)上安裝對(duì)應(yīng)型號(hào)的虛擬串口驅(qū)動(dòng)程序。

3.2 上位機(jī)軟件的設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件是系統(tǒng)人機(jī)交互的主要方式，用戶可以從中讀取信息或者輸入命令來(lái)控制系統(tǒng)的工作狀態(tài)。PC 機(jī)通過(guò)USB 接口將工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)讀入后，上位機(jī)軟件對(duì)其進(jìn)行一定地處理，然后將結(jié)果以圖形和文字的方式直觀的展現(xiàn)給用戶，用戶只需在監(jiān)控室內(nèi)，就能夠觀察各個(gè)現(xiàn)場(chǎng)的空氣質(zhì)量狀況。

本系統(tǒng)借助VB 語(yǔ)言設(shè)計(jì)圖形界面的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件。監(jiān)測(cè)軟件的程序流程如圖6所示。

圖6 中，初始化圖形界面主要包括:初始化各個(gè)氣體參數(shù)柱形圖和曲線圖、初始化串行通信端口以及初始化工作狀態(tài)等信息。串行通信端口的設(shè)定需要查看PC 機(jī)在安裝虛擬串口驅(qū)動(dòng)程序時(shí)分配的串口號(hào)。程序通過(guò)調(diào)用VB 中的串口控件(MSComm)，將數(shù)據(jù)包讀入程序內(nèi)，然后對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析，提取數(shù)據(jù)包內(nèi)的終端MAC地址、溫度、濕度、CO2含量、CO 含量以及空氣質(zhì)量信息。程序?qū)⑻崛〉腗AC 地址轉(zhuǎn)換為終端設(shè)備號(hào)，并且根據(jù)提取的五個(gè)空氣質(zhì)量參數(shù)調(diào)用柱形圖和曲線圖顯示函數(shù)，在對(duì)應(yīng)終端設(shè)備號(hào)的監(jiān)測(cè)畫面中實(shí)時(shí)更新空氣質(zhì)量信息。

圖6 監(jiān)測(cè)軟件程序流程圖

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)、準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的空氣質(zhì)量狀況。一旦發(fā)現(xiàn)問題，快速報(bào)警提示工作人員采取有效措施，達(dá)到早發(fā)現(xiàn)早治理的目的，從而保障人員的生命財(cái)產(chǎn)安全。

整個(gè)系統(tǒng)具有如下特點(diǎn):

1)多種氣體同時(shí)測(cè)量。由于終端內(nèi)置多個(gè)傳感器，可變單一成分的檢測(cè)為多種主要成分的檢測(cè)。并且終端預(yù)留了擴(kuò)展接口，可根據(jù)實(shí)際需要，增加多個(gè)氣體傳感器。

2)測(cè)量精度高、速度快?？諝赓|(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的CO2采用紅外檢測(cè)法，CO 采用電化學(xué)檢測(cè)法，使用這兩種方法可以定量測(cè)出空氣中CO2和CO 的濃度值。測(cè)量精度高，反應(yīng)靈敏。

3)監(jiān)控范圍廣。系統(tǒng)無(wú)線通信部分采用了ZigBee 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。ZigBee 技術(shù)的特點(diǎn)之一就是網(wǎng)絡(luò)容量大，最多能容納多達(dá)65 000 多個(gè)節(jié)點(diǎn)。因此，一個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)可以容納若干個(gè)檢測(cè)終端，能適應(yīng)大規(guī)模的監(jiān)控。

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