摘? 要：氫氣具有易燃易爆性質(zhì)，需要防火、防靜電以及防泄漏，氫氣在生產(chǎn)、運(yùn)輸和使用等環(huán)節(jié)都容易發(fā)生意外，尤其是加氫站頻繁使用氫能更容易發(fā)生泄漏事故。本系統(tǒng)通過傳感器實(shí)時(shí)采集加氫站的溫濕度、煙霧、氫氣和火焰情況，借助ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)將這些數(shù)據(jù)無線發(fā)送給協(xié)調(diào)器，然后通過串口動(dòng)態(tài)顯示溫濕度值，當(dāng)監(jiān)測到煙霧、氫氣泄漏或火焰異常時(shí)蜂鳴器報(bào)警，為提高加氫站安全性提供有效措施，具有低功耗、低成本、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：ZigBee；加氫站；傳感器

中圖分類號：TP274? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? 文章編號：2096-4706（2023）12-0178-04

Design of Environmental Monitoring System for Hydrogen Refueling Station? Based on ZigBee

LIANG Shuiying

（Foshan Polytechnic， Foshan? 528137， China）

Abstract： Hydrogen has inflammable and explosive properties. It must be anti-fire， anti-static， and anti-leakage. Hydrogen is prone to accidents in the parts of production， transportation and use， especially the frequent use of hydrogen energy in hydrogen refueling stations is more prone to leakage accidents. The system collects the temperature and humidity， smoke， hydrogen and flame situation of the hydrogen refueling station through the sensor in real time， and sends these data wirelessly to the coordinator with the help of ZigBee wireless network， and then dynamically displays the temperature and humidity value through the serial port. The buzzers will alarm when the smoke， hydrogen leakage or flame anomaly are detected. The system provides effective measures to improve the safety of the hydrogen refueling station. It has the advantages of low power consumption， low cost and environmental friendliness.

Keywords： ZigBee; hydrogen refueling station; sensor

0? 引? 言

自我國“3060”雙碳目標(biāo)提出以后，全球碳中和共識進(jìn)一步達(dá)成，碳達(dá)峰、碳中和也成為社會(huì)各界關(guān)注的熱點(diǎn)。在實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)的過程，發(fā)展綠色能源至關(guān)重要。氫能具有清潔、高效、安全及可持續(xù)發(fā)展等優(yōu)點(diǎn)，是21世紀(jì)以來國際公認(rèn)的最具有發(fā)展?jié)摿Φ木G色能源之一[1]。氫燃料電池汽車的主要能源供給是氫氣，具有綠色環(huán)保、能量轉(zhuǎn)換效率高以及零碳排放等優(yōu)點(diǎn)，受到世界各國強(qiáng)烈關(guān)注，全球燃料電池汽車逐步邁向商業(yè)化。我國也正在大力發(fā)展氫能。在國家政策大力扶持下，我國氫氣年產(chǎn)量以及加氫站數(shù)量逐年增長。加氫站為燃料電池汽車及其他氫能利用裝置提供氫氣加注服務(wù)，是氫能產(chǎn)業(yè)化、商業(yè)化的重要基礎(chǔ)設(shè)施。截至2022年8月15日，我國共建成加氫站260座，除去已經(jīng)拆除的加氫站，目前運(yùn)行的加氫站數(shù)量為248座。此外，國內(nèi)已開建或進(jìn)入招標(biāo)階段的加氫站數(shù)量達(dá)到76座，預(yù)計(jì)2022年底中國加氫站保有量有望突破300座[2]。

氫氣具有易燃易爆性質(zhì)，需要防火、防靜電以及防泄漏，氫氣在生產(chǎn)、運(yùn)輸和使用等環(huán)節(jié)都容易發(fā)生意外，尤其是加氫站頻繁使用氫能更容易發(fā)生泄漏事故，加氫站一旦出現(xiàn)安全事故后果不堪設(shè)想。例如，韓國江原道江陵市一家工廠在對容量為400 L的氫氣罐進(jìn)行測試時(shí)，氫氣罐發(fā)生爆炸?？梢?，加氫站發(fā)生氫氣泄漏的危害不容忽視，不僅僅對人們的生命財(cái)產(chǎn)造成危害，還影響加氫站的正常運(yùn)行。由于氫能產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，加氫站數(shù)量逐年增加，加氫站的安全問題不容忽視。張旭[3]在《燃料電池汽車加氫站安全設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析與建議》中提出在加氫站安裝安全檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要進(jìn)行氫氣泄漏檢測和氫火焰探測。傅宗化等[4]在《燃料電池汽車加氫站安全設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析與建議》中提出在加氫站安裝火氣監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)用于探測和報(bào)告危險(xiǎn)氣體的泄漏。在此基礎(chǔ)上，本文設(shè)計(jì)一個(gè)基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的加氫站環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測加氫站的溫濕度、煙霧、氫氣和火焰情況，為提高加氫站安全性提供有效措施。

1? 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于ZigBee的加氫站環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)圖如圖1所示，系統(tǒng)主要由協(xié)調(diào)器模塊、ZigBee終端模塊、電源模塊、傳感器模塊、顯示模塊和報(bào)警模塊等組成。為保證數(shù)據(jù)的可靠性和完整性，系統(tǒng)由多個(gè)終端節(jié)點(diǎn)采集傳感器數(shù)據(jù)。整個(gè)系統(tǒng)主要由電源模塊進(jìn)行供電，由煙霧傳感器檢測是否有煙霧，由火焰?zhèn)鞲衅鳈z測是否存在火焰，由氫氣傳感器檢測是否存在氫氣泄露，由溫濕度傳感器檢測溫度和濕度值，通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)把這些傳感器檢測到的數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器CC2530，由協(xié)調(diào)器處理各種傳感器檢測到的加氫站環(huán)境信息，然后通過串口動(dòng)態(tài)地顯示溫濕度值，當(dāng)監(jiān)測到煙霧、氫氣或火焰發(fā)生異常時(shí)通過蜂鳴器報(bào)警，從而實(shí)現(xiàn)對加氫站環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測以及報(bào)警功能，從而加強(qiáng)加氫站的安全性能。

2? 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

ZigBee是一種無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，具有低速、能耗低以及傳輸距離短等特點(diǎn)[5]，是一種介于無線Wi-Fi技術(shù)和藍(lán)牙之間的無線傳輸網(wǎng)絡(luò)技術(shù)方案，其傳輸距離比無線Wi-Fi技術(shù)短，比藍(lán)牙的傳輸距離長。ZigBee協(xié)議分別為物理層、媒體訪問控制層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層等。ZigBee有自己的無線電標(biāo)準(zhǔn)，其中物理層和媒體訪問控制層遵循IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。

加氫站環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的ZigBee終端模塊與協(xié)調(diào)器均采用了TI公司生產(chǎn)的CC2530芯片。在CC2530的內(nèi)部集成了51控制器、有21個(gè)數(shù)字I/O端口，RF收發(fā)器，存儲(chǔ)器，具有較高靈敏度的無線接收能力、功耗低、節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)簡單、功能強(qiáng)大等特點(diǎn)[6]，符合本系統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)囊蟆?/p>

本系統(tǒng)采用DHT11溫濕度傳感器，其內(nèi)部包括一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè)NTC測溫元件，工作電壓范圍為3.3～5.5 V，測量濕度范圍為5 %RH～95 %RH，測量溫度范圍為-20～+60 ℃，測量濕度精度為±5 %RH，測量溫度精度為±2 ℃ [7]，其具有超小的體積、極低的功耗以及卓越的長期穩(wěn)定性，滿足加氫站溫濕度測量的要求，DHT11溫濕度傳感器有4個(gè)引腳，接線簡單，其中VDD引腳接電源，GND接地，DATA引腳接CC2530終端節(jié)點(diǎn)的P0_7。

煙霧傳感器和氫氣傳感器分別采用MQ-2和MQ-8，MQ-2和MQ-8所使用的氣敏材料是電導(dǎo)率較低的SnO2。當(dāng)氣體傳感器檢測到煙霧或者H2存在時(shí)，MQ-2和MQ-8傳感器的電導(dǎo)率就會(huì)隨著煙霧濃度或者氫氣濃度的增加而增大，將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為煙霧或氫氣濃度相對應(yīng)的輸出信號，從而可以檢測出煙霧濃度和判斷H2是否發(fā)生泄漏。MQ-2可檢測煙霧濃度的范圍為3×10-4～1×10-2，MQ-8可檢測H2濃度的范圍為5×10-5～1×10-2。當(dāng)煙霧傳感器MQ-2測得的數(shù)據(jù)超過設(shè)定的值，說明存在煙霧，蜂鳴器發(fā)出報(bào)警聲。當(dāng)氫氣傳感器MQ-8測得的數(shù)據(jù)超過設(shè)定的值，說明氫氣發(fā)生泄漏，蜂鳴器發(fā)出報(bào)警聲?；鹧?zhèn)鞲衅髂K由火焰?zhèn)鞲衅?、電阻、電容和比較器LM393等組成，可以檢測火焰或者波長在760～1 100 nm范圍內(nèi)的光源，探測角度60°左右，適用于加氫站檢測是否存在火焰。

本系統(tǒng)報(bào)警模塊采用蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警，蜂鳴器是通過給壓電材料供電來發(fā)出聲音的。壓電材料可以隨著電壓和頻率的不同而產(chǎn)生機(jī)械變形，從而產(chǎn)生不同頻率的聲音。蜂鳴器可以分為有源蜂鳴器和無源蜂鳴器。其中，有源蜂鳴器的內(nèi)部安裝有集成電路，不需音頻驅(qū)動(dòng)電路，只要接通直流電源就能直接發(fā)出聲響；“無源”只有外加音頻驅(qū)動(dòng)信號才能發(fā)出聲響。本系統(tǒng)選用有源蜂鳴器來實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能。加氫站環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的顯示模塊通過串口來顯示日期和溫濕度。PC機(jī)與協(xié)調(diào)器之間采用USB 轉(zhuǎn)串口芯片CH340實(shí)現(xiàn)正常通信，PC機(jī)通過USB接口來接收ZigBee協(xié)調(diào)器傳送過來的傳感器數(shù)據(jù)[8]。

3? 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中存在三種設(shè)備類型 ：協(xié)調(diào)器（Coordinator）、路由器（Router）以及終端節(jié)點(diǎn)（End-Device）。在一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，最多只能有一個(gè)協(xié)調(diào)器，卻可以由多個(gè)路由器和多個(gè)終端設(shè)備組成。

一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)有且只有一個(gè)協(xié)調(diào)器。ZigBee協(xié)調(diào)器是網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)信息的匯總點(diǎn)，是這個(gè)網(wǎng)絡(luò)的核心，主要負(fù)責(zé)組建網(wǎng)絡(luò)、管理和維護(hù)網(wǎng)絡(luò)，并通過ZigBee無線收發(fā)信息實(shí)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)傳遞；ZigBee協(xié)調(diào)器通過接入天線具有很強(qiáng)的通信能力、單片機(jī)信息處理能力和信息發(fā)送能力，能夠把數(shù)據(jù)通過無線遠(yuǎn)程發(fā)送至控制端。路由器節(jié)點(diǎn)則主要負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)資料包，進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳送和轉(zhuǎn)發(fā)，允許節(jié)點(diǎn)加入?yún)f(xié)調(diào)器網(wǎng)絡(luò)并輔助其子節(jié)點(diǎn)遠(yuǎn)程通信；路由器節(jié)點(diǎn)則是終端節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的中間節(jié)點(diǎn)，它為終端節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)之間的通信提供接力服務(wù)。終端節(jié)點(diǎn)則是把終端的傳感器等數(shù)據(jù)收集傳送給協(xié)調(diào)器，或者接收來自協(xié)調(diào)器的控制信息，進(jìn)行終端的控制命令。終端節(jié)點(diǎn)既可以直接與協(xié)調(diào)器相連，也可以根據(jù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的不同通過路由器節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器相連。

加氫站環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)選擇C語言作為編程語言，本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)內(nèi)容主要包含：終端節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)和協(xié)調(diào)器軟件設(shè)計(jì)，通過IAR Embedded Workbench來完成程序的編寫、編譯與調(diào)試。ZigBee的組網(wǎng)方式有多種，常見的有星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、樹型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等。不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)適用于不同的情景需求。在星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，其各個(gè)節(jié)點(diǎn)通過點(diǎn)到點(diǎn)的方式連接到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，由協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)向終端各節(jié)點(diǎn)傳遞數(shù)據(jù)。樹型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是分層結(jié)構(gòu)，具有根和各個(gè)分支，看起來就像一顆倒立的樹，適用于多分支結(jié)構(gòu)和控制的系統(tǒng)。網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)至少與其他兩個(gè)節(jié)點(diǎn)相連，各節(jié)點(diǎn)之間通過傳輸線互相連接，具有相對高的可靠性，但由于網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，組網(wǎng)成本較高，不易于日常的管理和維護(hù)，極少用于局域網(wǎng)。根據(jù)加氫站環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的實(shí)際的ZigBee組網(wǎng)需求，本系統(tǒng)擬采用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相對簡單的星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中包含一個(gè)ZigBee協(xié)調(diào)器以及多個(gè)ZigBee終端，ZigBee協(xié)調(diào)器主要負(fù)責(zé)建立新的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，接收數(shù)據(jù)，然后通過串口顯示日期和溫濕度值，判斷煙霧值、H2和火焰數(shù)據(jù)是否異常，如果異常則通過蜂鳴器實(shí)現(xiàn)報(bào)警，其流程圖如圖2所示。當(dāng)協(xié)調(diào)器上電后，首先初始化CC2530和協(xié)議棧，主要由協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行組網(wǎng)操作，然后檢查是否建立ZigBee網(wǎng)絡(luò)成功，如果沒有建網(wǎng)成功，則重新建立網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)建成功后，判斷是否有事件發(fā)生，當(dāng)有事件發(fā)生，開始接收和處理數(shù)據(jù)，然后通過串口顯示當(dāng)前日期、溫度和濕度，同時(shí)判斷煙霧、H2和火焰等傳感器數(shù)據(jù)是否異常，如果發(fā)生異常則蜂鳴器報(bào)警。

ZigBee終端節(jié)點(diǎn)主要功能是加入網(wǎng)絡(luò)，定時(shí)采集溫濕度傳感器、煙霧傳感器、氫氣傳感器以及火焰?zhèn)鞲衅鞯臄?shù)據(jù)，并把這些數(shù)據(jù)無線發(fā)送給ZigBee協(xié)調(diào)器，其流程如圖3所示。終端節(jié)點(diǎn)上電后首先進(jìn)行初始化操作，然后在其網(wǎng)絡(luò)覆蓋的范圍內(nèi)查詢協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，當(dāng)查詢到對應(yīng)的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，接著申請加入網(wǎng)絡(luò)，然后判斷是否入網(wǎng)成功，如果入網(wǎng)失敗，則繼續(xù)申請加入網(wǎng)絡(luò)；當(dāng)入網(wǎng)成功后定時(shí)調(diào)用傳感器數(shù)據(jù)采集函數(shù)來采集周圍環(huán)境的溫濕度、煙霧、H2和火焰的數(shù)據(jù)，并把這些數(shù)據(jù)打包后無線發(fā)送給協(xié)調(diào)器處理。

4? 系統(tǒng)測試

測試基于ZigBee的加氫站環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的ZigBee終端節(jié)點(diǎn)能否有效采集到溫濕度值和煙霧傳感器、H2傳感器和火焰?zhèn)鞲衅鞯臄?shù)據(jù)，判斷ZigBee協(xié)調(diào)器能否接收到來自終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，當(dāng)煙霧、H2和火焰數(shù)據(jù)異常時(shí)是否報(bào)警，這些數(shù)據(jù)能否通過串口動(dòng)態(tài)顯示出來，測試數(shù)據(jù)如表1所示。首先連接好傳感器和終端節(jié)點(diǎn)的硬件連接，然后分別下載編好的程序到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)，接著給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)上電，打開串口調(diào)試助手，選擇對應(yīng)的串口號，將波特率改為115200，打開串口，在正常室溫情況下，系統(tǒng)串口的數(shù)據(jù)如圖4所示，顯示當(dāng)前日期、溫度23 ℃、濕度57%、安全，當(dāng)往溫濕度傳感器DHT11人為增加濕度，其溫度為25 ℃、濕度持續(xù)增加到70%。這時(shí)用打火機(jī)氣體模擬存在煙霧的情況，串口顯示報(bào)警，如圖5所示。

5? 結(jié)? 論

為加強(qiáng)加氫站的安全措施，設(shè)計(jì)基于ZigBee的加氫站環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，本系統(tǒng)通過煙霧傳感器檢測是否有煙霧，火焰?zhèn)鞲衅鳈z測是否存在火焰，氫氣傳感器檢測加氫站環(huán)境是否存在氫氣泄露，溫濕度傳感器DHT11檢測加氫站環(huán)境中的溫濕度值，并通過串口顯示出來。系統(tǒng)由多個(gè)終端組成，采用ZigBee網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳送采集到的數(shù)據(jù)，克服傳統(tǒng)有線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)谋锥?，?shí)現(xiàn)對加氫站環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測，為提高加氫站安全提供有效措施。該系統(tǒng)具有低功耗、低成本、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，但是還不能做到完全智能化，當(dāng)檢測到氫氣發(fā)生泄漏或檢測到明火時(shí)，只能報(bào)警，還需要加氫站的工作人員及時(shí)切斷氣源，采用氫氣泄漏應(yīng)急措施和疏散加氫站內(nèi)人員，保證人員安全。下一步應(yīng)該完善這些措施，當(dāng)檢測到氫氣發(fā)生泄漏，啟動(dòng)自動(dòng)噴淋冷卻系統(tǒng)等。

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作者簡介：梁水英（1990.03—），女，漢族，廣西貴港人，助教，碩士，研究方向：電子科學(xué)與技術(shù)。