0 引 言
在各類社會公共場合或企業生產區間,如果發生易燃易爆、有毒有害等危險氣體泄漏,卻不能及時發現險情并采取補救措施,將會帶來極其嚴重的后果。因此實現對危險氣體的有效監測是非常重要的。危險氣體監測系統一般具有以下特點:由于其監測目標和應用場合的特殊性,因此危險氣體的濃度監測對準確性與實效性有著嚴格的要求。此外系統應當具備低成本、低功耗、安裝簡便等特點。傳統的氣體監測系統無法實施遠程監控,過分依賴以電線電纜為基礎的通信設施,可拓展性不足。即使是最新的無線氣體監測系統,也存在成本高、節點類型單一等缺陷。在實際運用中,由于監測區域面積較大,將會導致系統缺乏良好的聯動性,發現險情滯后和險情排除速度緩慢等問題。
針對上述特點和原因,本文設計了一種基于ZigBee模塊網絡并具備巡邏功能的危險氣體監測系統。首先設計了一種危險等級劃分方法,在最大程度上滿足了準確性這一指標。其次設計實現了靈活獨特的巡邏員手持節點,結合區域定位功能的應用,使得該系統能夠及時發現氣體的泄露并采取相關應對措施。最后基于ZigBee無線模塊 的設計使系統具備了安裝便捷和功耗低的特點。
1 系統總體機構
本系統主要包含底層ZigBee無線模塊網絡、上位機兩大部分。系統總體結構如圖1 所示。
圖1 系統總體結構
ZigBee網絡包括終端、路由器和協調器。其中終端定制了兩種:固定監測節點(布置在監控區域內不同位置實施固定監測)和巡邏員手持節點(由巡邏員配備實施移動監測)。路由器除了用來路由信息的普通路由外還定制了錨節點(每個錨節點擁有唯一的路由ID用來實現區域定位功能),協調器實現信息的匯聚及格式的轉換。上位機包括客戶端監控軟件及數據庫服務。
2 系統工作流程
在本系統中,管理員可以通過協調器上的OK鍵,CANCEL 鍵對所有固定監測節點進行開啟與關閉操作。固定監測節點接收到協調器發出的開啟命令后,隨即向離該節點最近的錨節點申請路由ID。
當成功收到路由ID 后,將自身監測狀態置為開啟,同時向協調器返回開啟成功命令。在開啟狀態下,當氣體發生泄漏導致濃度超標時,傳感器采集模塊會輸出低電平。這時固定監測節點會同時向協調器和巡邏員手持節點發送險情信息,信息包括險情等級與險情位置。
協調器在接收到固定監測節點發來的各種信息后,會將ZigBee數據幀解析轉化成串口幀,這樣管理員可以通過上位機客戶端實時有效的掌握整個監測區域的情況。
巡邏員手持節點作為獨立可移動的監測節點,當其在巡邏過程中自身監測到氣體泄漏時,會發出聲光報警。巡邏員在個人不能解決險情的情況下,可通過節點上的HELP 鍵向其他巡邏員發送包含該節點所在區域位置信息的請求支援命令,除此之外,當巡邏員手持節點接收到固定監測節點險情信息或其他巡邏員手持節點求助信息時,會發出聲光報警與LCD 顯示,便于巡邏員快速準確趕往以便排除隱患。當險情被排除后巡邏員可通過固定監測節點上的撤銷險情鍵清除險情,將固定監測節點重新設置為監測狀態。
在遇到設備檢修等特殊情況下管理員可以通過協調器上的CANCEL 鍵暫時關閉監測系統,并在檢修完畢后通過OK 鍵重新開啟。
3 下位機子系統設計
3. 1 系統硬件設計下位機子系統的硬件設計主要包括:固定監測節點,巡邏員手持監測節點、錨節點、路由節點和協調器5 部分。
協調器主要負責建立ZigBee數傳網絡,同時匯聚和處理來自底層網絡的監測信息。在本系統中協調器還負責所有固定監測節點的開啟與關閉。協調器硬件部分由CC2530 模塊、電源管理單元、串口轉USB(Universal Serial BUS) 模塊、JTAG ( Joint TestAction Group)接口、USB 接口等電路組成。
錨節點與路由節點主要負責信息的路由,其中錨節點是在路由節點的基礎上增加了區域定位的功能,二者硬件部分組成完全一致,包括由C2530 模塊、電源管理單元及天線、晶振等電路。監測節點上所采用的TGS813 是對甲烷、丙烷、異丁烷靈敏度很高的半導體型氣敏傳感器。當存在檢知對象氣體時,其電導率隨空氣中氣體濃度增加而增大。使用簡單的電路即可將電導率的變化,轉換為與該氣體濃度相對應的電壓信號。傳感器數據采集電路如圖2 所示。
圖2 傳感器采集處理電路
通過調節電路中的Rd1 可改變電壓比較器“+”端的參考電壓,從而設定氣體報警濃度閾值。巡邏員手持節點是為提高險情排除效率而特別設計的終端節點,該節點隨巡邏員在網絡內自由移動。不僅可以獨立監測,還能實現與固定監測節點、其他巡邏員手持節點間的聯動。為了實現這一靈活特性,硬件部分需要包括CC2530 模塊、電源管理模塊、天線、晶振、蜂鳴器、按鍵、液晶顯示模塊、以及傳感器采集模塊。
固定監測節點負責對危險氣體濃度的監測,其硬件部分主要包括CC2530 模塊、電源管理模塊、天線、晶振、蜂鳴器以及傳感器采集模塊。節點結構如圖3 所示。
圖3 固定監測節點結構
由于半導體型氣體傳感器比較容易受到外界環境的影響,而且對危險氣體的監測相較于常見的溫濕度監測有著更高的嚴肅性。為了提高系統的可靠性和防止發生誤報,本文提出了一種簡單的危險等級劃分方法:固定監測節點中采用了兩塊傳感器采集模塊,并且其中一塊擁有獨立的電源管理模塊。
氣體傳感器2 采集模塊的氣體報警濃度閾值根據GB50493-2009《石油化工可燃氣體和有毒氣體檢測報警設計規范》設置成標準值。而氣體傳感器1采集模塊則設置為標準值的90%。危險等級劃分方法見表1。
表1 危險等級劃分
表在完成所有硬件設備的設計后,對它們共有的CC2530 模塊進行了簡單的功耗分析,根據CC2530芯片數據手冊可知單個芯片在發送工作模式下功耗約為91 mW。本系統中由CC2530 芯片加上簡單的外圍電路組成的模塊經過實測功耗為115 mW,說明該無線模塊的功耗較低。
3. 2 系統軟件設計
下位機子系統的軟件設計主要包括:固定監測節點,巡邏員手持監測節點、協調器3 部分。
協調器的軟件部分主要實現通過獲取OK 鍵及CANCEL 鍵的鍵值對所有固定監測節點的開啟與關閉。同時完成底層各種信息的匯聚并在完成ZigBee數據采集到串口數據的格式轉換。具體流程圖見圖4。
圖4 協調器流程
固定監測節點軟件部分主要實現接收協調器開啟命令后的路由ID 申請請求,成功開啟或關閉后對協調器的反饋和發生險情后對巡邏員手持節點和協調器的報警信息發送。具體流程圖見圖5。
圖5 固定監測節點流程
巡邏員手持節點的軟件部分主要實現兩部分內容。首先是實現自身對氣體泄漏的監測以及通過讀取HELP 鍵值的改變發出請求幫助的信息。其次是對接收到的固定監測節點報警信息或其他巡邏員請求幫助信息的處理。具體流程圖見圖6。
圖6 巡邏員手持節點流程
4 上位機應用程序設計
為了方便管理員管理,系統需要設計一款PC端監控管理軟件。由于C/ S 架構能夠合理地將任務分配到服務器端和客戶端實現,通訊開銷較低,所以上位機將采用這種架構。系統采取三層架構并運用C#語言在Visual Studio 2010 環境下開發。
通過. NET Framework 框架的ADO. NET對SQLServer 2008 數據庫進行操作。
考慮到危險氣體監控的嚴肅性及重要性,上位機監控管理軟件只有管理員一項。主要實現對固定監測節點的添加與刪除,對所有監測節點安全狀態、危險等級和所在區域位置信息的監測查看,對歷史數據的查看與分析以及修改密碼功能。
5 實驗結果
5. 1 傳感器測試調節電路板上的電阻Rd1,將酒精濃度報警閾值設為1800 ppm。按圖7 搭建好實驗環境,向實驗瓶內滴入不同體積的酒精,濃度檢測儀器可實時顯示酒精濃度,實現結果如圖7 所示。
圖7 傳感器測試
5. 2 系統測試
按照系統總體結構搭建好實驗系統,采用酒精作為實驗氣體。系統通電后自動組建ZigBee數傳模塊網絡,按下協調器上OK 鍵開啟固定監測節點。
當固定監測節點傳感器1 監測到超過閾值濃度的目標氣體后,會發出聲光報警,由于固定監測節點傳感器2 未監測到超過閾值濃度的對象氣體,根據危險等級劃分方法,固定監測節點會同時向協調器和巡邏員手持節點發送危險等級為2 的報警信息。實驗結果如圖8 所示。
圖8 固定監測節點等級2 報警
巡邏員手持節點發出聲光報警并顯示了險情節點所在區域位置信息和危險等級,協調器顯示了危險等級。
為了進一步驗證系統區域定位和危險等級劃分的功能,系統重新選用了ID 不同的固定監測節點和錨節點,同時模擬不同的泄漏情況,讓固定監測節點上兩個采集模塊都充分接觸到超過閾值濃度的目標氣體。實現結果見圖9。
圖9 固定監測節點等級2 報警
當某個巡邏員手持節點監測到超過閾值濃度的甲烷會發出聲光報警及LCD 危險提示。如果巡邏員按下HELP 鍵后,其他巡邏員手持節點會顯示該節點所在區域位置信息和ASK FOR HELP 求助信息,實驗結果見圖10。
圖10 巡邏員手持節點報警及求助
6 結 語
本系統為石油化工企業的氣體泄漏情況進行實時有效的ZigBee數據采集而設計,利用ZigBee無線模塊網絡和氣體傳感器的結合,通過添加具備移動監測功能的巡邏員手持節點克服了以往無線氣體監測系統的靈活性差,響應不夠及時等缺點,提高企業保護生命及財產安全的能力,實際運行試驗結果表明,該ZigBee數傳模塊系統能夠正常實現上述功能。但不可否認的是系統目前還存在許多缺點,比如:對于氣體的不確定性以及實際環境中各種干擾,本系統中采用的氣體采集處理電路沒有做深入的考慮,這也將是以后繼續研究的方向。