張 鋒，李凱亮，曾俊林

(廣東石油化工學院，廣東茂名 525000)

0 引言

隨著化學工業(yè)的發(fā)展，易燃易爆和有毒氣體的種類和范圍都在不斷擴大，各種高溫高壓設(shè)備內(nèi)常裝有劇毒或易燃氣體，一旦發(fā)生泄漏事故后，將造成不可估量的后果，所以這就要求必須迅速可靠地檢測出空氣中這些氣體的含量以及泄漏位置，并能及時發(fā)出報警和采取快速有效措施進行補救［1］。國內(nèi)外對有毒氣體的監(jiān)測做了許多研究，X J Chao等提出在對 H2S氣體進行監(jiān)測時，對傳感器選擇網(wǎng)絡組建和節(jié)點能耗模型進行了研究［2］;陳昌濤等對化工生產(chǎn)過程中有毒氣體的智能監(jiān)測進行研究，給出了系統(tǒng)設(shè)計方案，實現(xiàn)了1臺PC機完成對整個現(xiàn)場有害氣體濃度的監(jiān)測［3］;侯昭武等對移動終端和GPRS技術(shù)結(jié)合的有毒氣體監(jiān)測儀進行研究，實現(xiàn)了終端節(jié)點移動和有毒氣體的遠程監(jiān)測［4］;高同輝等對基于ZigBee無線網(wǎng)絡有害氣體監(jiān)測系統(tǒng)進行了研究，實現(xiàn)了對H2S、CO和CH4三種有害氣體濃度采集［5］。這些系統(tǒng)存在功能單一、移動性差、布線困難等不足之處。

本文介紹一種運用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的石化廠區(qū)有毒氣體泄漏在線監(jiān)測系統(tǒng)，此系統(tǒng)通過在安全生產(chǎn)區(qū)放置多個基于CC2530的無線傳感器子節(jié)點，通過在廠區(qū)部署多個終端節(jié)點并檢測所在地區(qū)的環(huán)境參數(shù)并將之發(fā)送至監(jiān)測平臺，由監(jiān)測平臺綜合分析多個節(jié)點的參數(shù)后采取相應控制措施。實現(xiàn)有毒氣體濃度實時檢測顯示和超限報警功能。同時，搭建網(wǎng)絡監(jiān)控平臺以及安卓手機端的移動監(jiān)控平臺，實現(xiàn)管理人員實時監(jiān)測生產(chǎn)安全情況，提前預警，保障人員、設(shè)備、環(huán)境安全。

1 系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)主要由終端節(jié)點、基于Z－Stack協(xié)議棧的ZigBee無線網(wǎng)絡、PC監(jiān)控平臺應用軟件、ARM便攜式監(jiān)控平臺、網(wǎng)絡監(jiān)控平臺、安卓手機監(jiān)控平臺和智能太陽能電源等模塊構(gòu)成。系統(tǒng)框架如圖1所示。

終端節(jié)點將檢測的環(huán)境參數(shù)通過無線網(wǎng)絡傳輸?shù)絇C監(jiān)控中心，由PC監(jiān)控中心處理、綜合分析各項參數(shù)，判斷數(shù)據(jù)是否正常，存儲數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)庫。同時監(jiān)控中心通過TCP通信協(xié)議將處理好的數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)絡監(jiān)控平臺，由網(wǎng)絡監(jiān)控平臺轉(zhuǎn)發(fā)至手機客戶端，實現(xiàn)多平臺監(jiān)控。出于工業(yè)應用場景的考慮，還開發(fā)了基于ARM的便攜式監(jiān)控終端以及WIFI可移動節(jié)點小車。

圖1 系統(tǒng)功能框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 監(jiān)控終端節(jié)點設(shè)計

終端節(jié)點包含傳感器陣列、ZigBee功能模塊和電源模塊。監(jiān)控終端節(jié)點結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 監(jiān)控終端節(jié)點結(jié)構(gòu)圖

溫度傳感器選用DS18B20，測量精度為±0.5℃。濕度傳感器采用DHT11，濕度測量精度為±5%RH。風速測量采用HL－FS2電壓型模擬輸出風速傳感器，測量精度達到0.5 m/s。風向傳感器采用HL－FX2電壓型模擬輸出風向傳感器，分辨率為0.1 m/s，可指示16個方位。MQ－136傳感器對H2S具有良好的靈敏度和選擇性，同時具有良好的穩(wěn)定性和再現(xiàn)性。光學粉塵傳感器選用傳感器GP2Y1010AU0F，能夠分辨煙氣和粉塵等。

CC2530是 TI公司推出的最新一代ZigBee標準芯片，它集8051處理器和射頻收發(fā)模塊于一體，同時還具有豐富的 GPIO以及7路12位A/D，使得系統(tǒng)可在最少外圍、最低成本的設(shè)計中進行［6］。

基于嵌入式的太陽能電源系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由開關(guān)控制電路、控制子模塊、穩(wěn)壓子模塊、太陽能電池板以及蓄電池組成。由太陽能電池板將太陽光能量轉(zhuǎn)化為電能，使用CC2530芯片作為控制核心，根據(jù)采集的主、副電池的電量情況自動對開關(guān)控制電路進行控制，將電能存儲到相應的電源中。每次只有一個電源在供電，另一個電源在充電，滿足了長時間供電的要求。同時，電量信息也可以上傳到PC監(jiān)控平臺，實現(xiàn)對電源高效管理。

2.2 基于S3C6410的便攜式監(jiān)控終端

便攜式監(jiān)控終端由S3C6410的核心板、ZigBee無線接收模塊、7英寸觸摸屏驅(qū)動電路和串口驅(qū)動電路組成。由ZigBee無線接收模塊接收來自終端節(jié)點的數(shù)據(jù)，經(jīng)過串口驅(qū)動電路并送往6410處理器處理數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)經(jīng)過相應處理后顯示到觸摸屏上。同時當觸摸屏被點擊時，也會觸發(fā)相應的操作。便攜式監(jiān)控終端硬件框圖如圖3所示。

圖3 基于S3C6410的便攜式監(jiān)控終端

2.3 WIFI移動節(jié)點小車

基于WIFI移動節(jié)點小車由WIFI無線路由器、USB攝像頭、小車驅(qū)動主控電路和控制端組成?？刂贫藢⒖刂浦噶畎l(fā)送至WIFI路由器，再由WIFI路由器發(fā)送到主控電路，控制著小車的4個電機，實現(xiàn)小車的移動。WIFI移動節(jié)點小車硬件框圖如圖4所示。

圖4 基于WIFI移動節(jié)點小車硬件框圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計主要包括無線傳感器網(wǎng)絡的軟件設(shè)計、基于Qt的監(jiān)控平臺軟件設(shè)計、基于S3C6410的便攜式監(jiān)控平臺軟件設(shè)計、基于互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡監(jiān)控平臺軟件設(shè)計和基于安卓監(jiān)控平臺的軟件設(shè)計。

3.1 基于Z－Stack的無線傳感器網(wǎng)絡軟件設(shè)計

本系統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡的軟件設(shè)計是基于ZStack－CC2530 －2.3.1 －1.4.0 版本的協(xié)議棧進行設(shè)計開發(fā)的。

首先，新建自己的工程，修改底層以適應自己的硬件電路。其次，在工程中添加自己的任務ID，任務中添加的事件主要包括了按鍵事件、無線接收事件、串口接收事件、定時器觸發(fā)的事件，其中利用定時器分時來產(chǎn)生的事件包括有毒氣體濃度采集事件、溫度采集事件、濕度采集事件、風速采集事件、風向采集事件、數(shù)據(jù)的發(fā)送事件、休眠事件和電源的檢測及控制等事件;在接收節(jié)點添加串口發(fā)送事件，每接收一次終端節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)就完成一次串口發(fā)送事件。第三，完成底層和任務ID的添加后，在APP層初始化串口、初始化定時器、初始化電源檢測及控制程序，并完成串口和定時器的設(shè)置。最后，可選擇設(shè)置NV的ID號，并創(chuàng)建NV項，開啟非易失性存儲器，以保存網(wǎng)絡信息等節(jié)點的重要信息，這對實際項目的開發(fā)很重要，在實際應用中都要開啟此功能，以便使系統(tǒng)的網(wǎng)絡更加穩(wěn)定、可靠。

3.2 基于Qt的監(jiān)控平臺的軟件設(shè)計

監(jiān)控平臺采用Qt編寫，Qt具有優(yōu)良的跨平臺特性，拓展性強，控件多。使用Qt類編寫的程序可以實現(xiàn)“一次編碼，多處編譯”，極大降低了跨平臺開發(fā)的難度。當程序開始啟動時，首先創(chuàng)建3個子線程，包括主線程(處理界面操作)、串口線程(接收數(shù)據(jù)并處理)和TCP發(fā)送線程(發(fā)送數(shù)據(jù)到網(wǎng)絡服務器)。當串口有數(shù)據(jù)到來時，觸發(fā)接收數(shù)據(jù)的信號槽，將數(shù)據(jù)接收并進行相應的處理，并將數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫。程序設(shè)定每隔一段時間就將存儲在數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)以JSON格式通過TCP Socket發(fā)送到網(wǎng)絡服務。

3.3 基于互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡監(jiān)控平臺設(shè)計

采用PHP+MYSQL+Apache編寫的網(wǎng)站，支持數(shù)據(jù)通信原理，基于B/S架構(gòu)通信的方式可以實現(xiàn)網(wǎng)頁端與服務器之間的交流。采用Ajax無刷新頁面技術(shù)，管理進去以后就可以看到石化廠有毒氣體的實時信息，同時還可以在網(wǎng)頁上看到各個時期的數(shù)據(jù)變化，對統(tǒng)計數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)提供了數(shù)據(jù)支撐。在網(wǎng)頁上，用戶還可以對石化廠區(qū)的有毒氣體、粉塵進行實時在線監(jiān)控分析，形成直觀結(jié)果以便了解到石化廠有毒氣體最新情況。

3.4 基于S3C6410的監(jiān)控平臺軟件設(shè)計

基于S3C6410的便攜式監(jiān)控平臺基于Linux系統(tǒng)開發(fā)，利用Qt for ARM以及Arm－Linux－Gcc交叉編譯工具鏈，也正是Qt的優(yōu)良跨平臺特性，使得便攜式監(jiān)控平臺開發(fā)可以與PC機上的監(jiān)控平臺保持一致，減少了開發(fā)工作量，僅需要修改一些細節(jié)問題，如Linux系統(tǒng)與Windows系統(tǒng)對串口調(diào)用方法的不同和讀取格式轉(zhuǎn)化問題。

3.5 安卓端監(jiān)控應用軟件設(shè)計

安卓端監(jiān)控平臺可以顯示由PC監(jiān)控平臺上傳至云平臺的節(jié)點參數(shù)，在手機可以連接網(wǎng)絡的地方隨時隨地的對數(shù)據(jù)進行監(jiān)測。利用TCP通信，獲取存儲在服務器的數(shù)據(jù)。應用基于Qt For Android平臺，同屬于Qt框架，可以與電腦端的監(jiān)控平臺同步維護更新，開發(fā)較方便。應用啟動時，通過網(wǎng)絡發(fā)送標識號至網(wǎng)絡服務器，通過驗證后與網(wǎng)絡服務器建立TCP連接，一直監(jiān)聽服務器的指定端口，當服務器接收到電腦監(jiān)控平臺上傳的數(shù)據(jù)，執(zhí)行保存數(shù)據(jù)的同時也會轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)至安卓應用，實現(xiàn)實時監(jiān)控。數(shù)據(jù)傳輸?shù)母袷酵瑯影凑認SON格式，方便處理和提取。

4 系統(tǒng)調(diào)試運行

將ZigBee接收設(shè)備(協(xié)調(diào)器)通過USB串口連接上計算機，并開啟設(shè)備的電源開關(guān)，可看見節(jié)點LED燈開始閃爍，節(jié)點開始組建網(wǎng)絡;將采集節(jié)點設(shè)備上的傳感器等各個模塊組裝好，開啟電源開關(guān)，節(jié)點開始初始化并準備加入網(wǎng)絡，指示LED燈由快閃變?yōu)槁W，表示節(jié)點已經(jīng)加入網(wǎng)絡并定時向接收節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)。開啟上位機，設(shè)置串口，采用串口0，其中不選用流控制;波特率選擇默認的38 400 bit/s;定時器采用8位的定時器3，操作模式采用Clear Timer On Compare，通道模式采用Output Compare比較輸出模式，設(shè)置每1 ms產(chǎn)生1次定時中斷，中斷中實現(xiàn)Count變量的累加，當累加到設(shè)定的值時便產(chǎn)生一個任務事件，實現(xiàn)定時采集數(shù)據(jù)，定時發(fā)送數(shù)據(jù)，定時進入休眠，定時喚醒等一系列有序的工作。

監(jiān)控平臺主界面如圖5所示。監(jiān)控平臺支持用戶登錄注冊、實時數(shù)據(jù)顯示、歷史數(shù)據(jù)查詢、歷史警報查詢、報警設(shè)置等功能。

圖5 監(jiān)控平臺主界面

圖5顯示了2014年7月22日系統(tǒng)運行時記錄的實時數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)變化曲線圖。實時數(shù)據(jù)顯示CO濃度、溫度、濕度、風速、風向、煙塵顆粒物濃度以及太陽能雙電源的電量;報警歷史查詢顯示節(jié)點2超標歷史記錄;曲線分別表征CO濃度變化趨勢、溫度變化趨勢、濕度變化趨勢、風速變化趨勢，圓盤狀的16個方位表征風向的16個方向。

網(wǎng)頁端界面如圖6所示。網(wǎng)站主要設(shè)計了實時監(jiān)測、監(jiān)測裝置管理、權(quán)限管理、服務管理等幾個模塊。實時監(jiān)測包括廠區(qū)監(jiān)測、數(shù)據(jù)曲線圖、節(jié)點實時數(shù)據(jù)、節(jié)點監(jiān)測歷史記錄，監(jiān)測裝置管理負責處理節(jié)點信息，權(quán)限管理包括管理員列表和管理員操作日志，服務器管理包括Socket服務端信息和服務端運行日志，文章管理包括文章分類和文章列表。

安卓監(jiān)控界面分別如圖7所示。

5 結(jié)束語

系統(tǒng)在廣東省石化故障診斷重點實驗室運行1年，實現(xiàn)了預期功能，主要包括:

(1)太陽能智能供電功能:利用太陽能充電，解決了廠區(qū)戶外工作供電布線難的問題;采用主副雙電源供電實現(xiàn)電子儀器戶外長時間工作的供電要求;實時監(jiān)測電源電壓值，當出現(xiàn)兩個電源都電量不足的異常情況時，可以觸發(fā)警報，提醒工作人員前往終端節(jié)點更換電源。

(2)環(huán)境監(jiān)測功能:監(jiān)測節(jié)點附近的有毒氣體濃度、環(huán)境的溫濕度、風向、風速及PM2.5煙塵顆粒物，發(fā)送至監(jiān)控平臺，由監(jiān)控平臺分析是否達到報警條件，防止溫度、濕度過高造成生產(chǎn)安全隱患。在發(fā)生安全事故(即有毒氣體泄漏)時，可以通過風速與風向參數(shù)預測有毒氣體的走向，提前向可能發(fā)生有毒氣體中毒的地點人員預警，保障人員的安全。

(3)ARM便攜式監(jiān)控終端功能:方便管理員對各個節(jié)點數(shù)據(jù)的查看，在節(jié)點附近的工業(yè)設(shè)備進行維護的時候可以隨時查看節(jié)點數(shù)據(jù)，保證了施工人員的人身安全。

(4)基于互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡監(jiān)控功能:管理人員可以在任何地方進行操作而不用安裝任何專門的軟件，只要有能上網(wǎng)的設(shè)備就能隨時查看終端節(jié)點數(shù)據(jù)，使得監(jiān)控更方便。

(5)安卓手機端應用實時監(jiān)控功能:管理人員可以隨時隨地對數(shù)據(jù)進行監(jiān)控，方便快捷。

(6)WIFI移動節(jié)點小車:可以通過WIFI路由器傳輸回來的視頻進行小車的控制，小車搭載終端節(jié)點在管理人員的控制下開到泄漏的危險地區(qū)，將環(huán)境參數(shù)采集回來，保障救險人員的安全。

［1］孫凌宇.危險化學氣體泄漏報警系統(tǒng)的研究:［學位論文］.天津:河北工業(yè)大學，2005:1－2.

［2］CHAO X J，DARGIE W，LIN G.Energy model for H2S monitoring wireless sensor network.IEEE International Conference on Computer Science and Engineering，2008.

［3］陳昌濤，任麗靜，程明，等.基于化工生產(chǎn)過程的有害氣體智能監(jiān)測系統(tǒng).儀表技術(shù)與傳感器，2011(10):56－57.

［4］侯昭武，曾彥.智能化有害有毒氣體污染源監(jiān)測儀的研究.環(huán)境科學與技術(shù)，2012，35(8):120 －123.

［5］高同輝，楊立峰.基于ZigBee的有害氣體檢測系統(tǒng)設(shè)計.電視技術(shù)，2013，37(13):202 －207.

［6］張青春.基于CC2530農(nóng)作物生長參數(shù)監(jiān)測無線傳感器節(jié)點的設(shè)計 .制造業(yè)自動化，2013，35(1):44 －47.