冷庫氨氣無線監(jiān)測系統(tǒng)與泄漏點(diǎn)定位方法*

王 華，楊祥龍，李 琦，曹 泓，王立人

（浙江大學(xué)生物系統(tǒng)工程與食品科學(xué)學(xué)院，浙江杭州 310029）

0 引言

近年來隨著我國農(nóng)產(chǎn)品、水產(chǎn)品和肉類加工等食品冷鏈行業(yè)的快速發(fā)展，冷庫氨氣泄漏事故發(fā)生更加頻繁，極大地影響了人民健康與社會(huì)安全。冷庫泄漏事故不同于一般的環(huán)境污染，事故發(fā)生的時(shí)間、地點(diǎn)、環(huán)境具有很大的不確定性。因而，該事故具有發(fā)生突然、處理處置艱巨等特點(diǎn)［1］。目前，我國大部分地區(qū)遇到此類突發(fā)事故都是由消防人員去現(xiàn)場關(guān)閉閥門，很難做到及早發(fā)現(xiàn)和快速解決。

隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測、目標(biāo)定位等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，國內(nèi)外近幾年都開始采用無線技術(shù)來實(shí)現(xiàn)污染氣體在線監(jiān)測。韓國的Kwon Jong-won等人［2］2007年設(shè)計(jì)了一個(gè)基于Zig Bee技術(shù)的城市監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了粉塵、CO2的在線監(jiān)測。李勛濤等人［3］2010年設(shè)計(jì)了有毒氣體無線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，采用了Zig Bee技術(shù)結(jié)合電化學(xué)傳感器陣列，實(shí)現(xiàn)了甲醛氣體的監(jiān)測。

應(yīng)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來監(jiān)測環(huán)境已經(jīng)成為趨勢［4］，但是上述研究都沒有引入無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自身的技術(shù)優(yōu)勢，并且位置信息對(duì)于監(jiān)測活動(dòng)至關(guān)重要，目標(biāo)事件發(fā)生的位置或者節(jié)點(diǎn)位置信息是環(huán)境監(jiān)測信息的重要組成部分［5］。本文在設(shè)計(jì)了冷庫氨氣無線監(jiān)測系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，并結(jié)合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在目標(biāo)定位方面的優(yōu)勢，對(duì)比了最近點(diǎn)法和質(zhì)心算法的定位效果，為冷庫氨氣泄漏事故的及早解決奠定了基礎(chǔ)。

1 氨氣無線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

Zig Bee技術(shù)是一種低速率、低功耗、低成本的無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，特別適用于構(gòu)建環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。Zig Bee標(biāo)準(zhǔn)支持三種主要的自組織無線網(wǎng)絡(luò)類型，即星型網(wǎng)絡(luò)、Mesh網(wǎng)絡(luò)和簇狀網(wǎng)絡(luò)。星型網(wǎng)絡(luò)是構(gòu)建大規(guī)模監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，本文根據(jù)氨氣泄漏范圍不大、所需要的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)不多的實(shí)際情況，采用了星型的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，構(gòu)建了氨氣無線監(jiān)測系統(tǒng)。該氨氣監(jiān)測系統(tǒng)由多個(gè)氨氣傳感器節(jié)點(diǎn)和一個(gè)協(xié)調(diào)器組成。協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)建立網(wǎng)絡(luò)，與傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，接收傳感器節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)，顯示各個(gè)節(jié)點(diǎn)的連接狀態(tài)，并在LCD屏上顯示。氨氣傳感器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)采集氨氣體積分?jǐn)?shù)信息，并將采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過初步處理，發(fā)給協(xié)調(diào)器。氨氣無線監(jiān)測系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 氨氣無線監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)Fig 1 Ammonia wireless monitoring system architecture

系統(tǒng)采用JN5139無線微處理器芯片，這是一種兼容IEEE 802.15.4的低功耗，低成本無線微型控制器。該模塊內(nèi)置一種16 MHz、32位的 RISC處理器，集成了工作于2.4 GHz頻段的射頻模塊，同時(shí)提供了4路ADC輸入、異步串行口、SPI接口等，為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用提供了集成化解決方案。系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框圖如圖2所示，傳感器數(shù)據(jù)采集模塊通過氨氣傳感器對(duì)周圍環(huán)境中的氨氣體積分?jǐn)?shù)信息進(jìn)行采樣，然后通過信號(hào)調(diào)理電路對(duì)采集到的電流信號(hào)進(jìn)行放大處理，最后經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換將信號(hào)數(shù)字化，便于控制芯片進(jìn)行處理。針對(duì)氨氣泄漏場所環(huán)境復(fù)雜，存在低溫等因素，本文選用基于電化學(xué)原理的氨氣傳感器，由瑞士Membrapor公司生產(chǎn)的，型號(hào)為NH3/MR—100，測量范圍是0～100×10－6，適用于 －10～40℃。氨氣傳感器的輸出信號(hào)經(jīng)過調(diào)理電路接入JN5139的AD通道，然后經(jīng)過初步的數(shù)據(jù)處理，發(fā)送給協(xié)調(diào)器。協(xié)調(diào)器配置了液晶和按鍵，能夠顯示環(huán)境參數(shù)值和各個(gè)節(jié)點(diǎn)的連接狀態(tài)，也可以通過串口將數(shù)據(jù)傳送到計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。

圖2 節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)框圖Fig 2 Hardware structure block diagram of node

2 泄漏源定位算法原理

2.1 氨氣擴(kuò)散模型的簡化

如果冷庫機(jī)房的某個(gè)未知位置發(fā)生氨氣泄漏事故，氨氣從泄漏點(diǎn)擴(kuò)散到遠(yuǎn)處的過程是濃度呈梯度下降的過程。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)氣體擴(kuò)散規(guī)律進(jìn)行了大量研究，提出了很多擴(kuò)散模型。其中高斯擴(kuò)散模型（Gaussian dispersion model）的試驗(yàn)數(shù)據(jù)較為充分，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)值能較好吻合，使用最為廣泛［6］。冷庫中，管道破裂、閥門泄漏或儲(chǔ)罐穿孔時(shí)的擴(kuò)散模式屬于連續(xù)點(diǎn)源擴(kuò)散，符合建立高斯擴(kuò)散模型的條件。

為了提出高斯模型，還需要做如下假設(shè):

1）假定燃?xì)庠跀U(kuò)散的過程中沒有沉降、化合、分解及地面吸收的發(fā)生;

2）泄漏氣體連續(xù)均勻地排放;

3）擴(kuò)散空間的風(fēng)速、大氣穩(wěn)定度都均勻、穩(wěn)定;

當(dāng)平均風(fēng)速低于0.5 m/s時(shí)，根據(jù)以上假設(shè)條件，則距離泄漏點(diǎn)r氣體質(zhì)量濃度為

式中C（ri）為距離泄漏點(diǎn)r處的傳感器節(jié)點(diǎn)i濃度測量值，kg/m3;Q為氣體源的泄漏速率，m3/s;r為空間內(nèi)任意一點(diǎn)到泄漏點(diǎn)的距離，m;a，b為擴(kuò)散系數(shù)，m;t為靜風(fēng)持續(xù)時(shí)間，s;h為泄漏點(diǎn)的高度，m。

根據(jù)Pasquill-Gifford模型擴(kuò)散系數(shù)方程，在大氣穩(wěn)定度級(jí)別為F左右情況下，距離泄漏源r處的擴(kuò)散系數(shù)a和b的值為

式中m，n為常數(shù)。

假設(shè)泄漏點(diǎn)和傳感器位置在同一水平面上，周圍環(huán)境處于靜風(fēng)狀態(tài)。并且在實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中，由于傳感器測得的氨氣體積分?jǐn)?shù)總會(huì)伴有測量誤差和噪聲，通常將噪聲假定為加性高斯白噪聲，背景噪聲wi，滿足正態(tài)分布N（μ，δ），其中，μ為0。式（2）可以簡化為［7］

式中C（ri）為距離泄漏點(diǎn)r處的傳感器節(jié)點(diǎn)i濃度測量值;

u為擴(kuò)散系數(shù);α為擴(kuò)散衰減因子;wi為加性高斯白噪聲。

2.2 泄漏源定位算法

實(shí)際應(yīng)用中廣泛采用的是氨氣體積分?jǐn)?shù)超限報(bào)警方式，但某個(gè)氨氣傳感器檢測到氨氣超過安全范圍時(shí)，監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，讓工作人員來進(jìn)行處理。這種超限報(bào)警方法數(shù)學(xué)模型是最近節(jié)點(diǎn)法（closest point method，CPM），其原理就是假設(shè)泄漏點(diǎn)就在傳感器附近，最近點(diǎn)的計(jì)算模型如下

C（rm）就是所有傳感器節(jié)點(diǎn)中最大的測量值，則氣體泄漏源的位置坐標(biāo)（xo，yo）可由下式得出

基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位技術(shù)分為基于測距方法和基于非測距方法。基于測距方法的原理是通過監(jiān)測物理量獲得節(jié)點(diǎn)與目標(biāo)之間的距離信息，其定位結(jié)果的精度在一定程度上依賴于被測物理量的測量精度。幾種常見的測距技術(shù)有基于到達(dá)時(shí)間（ToA）、到達(dá)角度（AoA）、節(jié)點(diǎn)接收信號(hào)強(qiáng)度（RSSI）。常見的非測距方法有近似三角形內(nèi)點(diǎn)測試法（APIT）、質(zhì)心算法等。

為了便于在協(xié)調(diào)器上實(shí)現(xiàn)泄漏源定位算法，本文采用了組合三邊測量法和質(zhì)心算法來預(yù)估泄漏源的位置信息。假設(shè)傳感器節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為N個(gè)，任意3個(gè)節(jié)點(diǎn)根據(jù)三邊測量法就可以確定一個(gè)泄漏點(diǎn)，這樣N個(gè)節(jié)點(diǎn)就可以預(yù)估個(gè)泄漏點(diǎn)。然后根據(jù)質(zhì)心算法，求的個(gè)泄漏點(diǎn)組成的多邊形的質(zhì)心就是預(yù)估泄漏點(diǎn)的最終坐標(biāo)（xo，yo）［8］。令n=，則質(zhì)心算法的計(jì)算方法如下

3 模擬實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)場地選在一個(gè)7 m×8 m的空曠房間，房間內(nèi)放置一個(gè)裝有氨水的燒杯模擬氨氣泄漏源，實(shí)驗(yàn)使用了5個(gè)氨氣傳感器節(jié)點(diǎn)和1個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)包括兩部分，一是進(jìn)行氨氣揮發(fā)量實(shí)驗(yàn)，測定燒杯中氨水的氨氣排放系數(shù)，二是進(jìn)行氨氣泄漏定位實(shí)驗(yàn)，根據(jù)傳感器節(jié)點(diǎn)監(jiān)測到的氨氣體積分?jǐn)?shù)值，預(yù)估泄漏點(diǎn)的位置。

3.1 氨氣揮發(fā)量實(shí)驗(yàn)

在進(jìn)行泄漏源定位實(shí)驗(yàn)之前，需要先測定一定時(shí)間內(nèi)氨氣的揮發(fā)量。氨氣揮發(fā)量實(shí)驗(yàn)在相同的環(huán)境下進(jìn)行。揮發(fā)量測定的方法是先在燒杯中加入40mL體積分?jǐn)?shù)為25%的氨水和40 mL蒸餾水，然后每隔0.5 h取樣一次測定氨水的濃度，最后根據(jù)氨水濃度變化值確定氨氣揮發(fā)量。氨水濃度變化曲線如下圖所示。

圖3 氨水濃度與時(shí)間關(guān)系Fig 3 Relation between ammonia solution concentration and time

從圖中可知，氨水濃度隨著時(shí)間不斷下降，但是下降的速度越來越慢。氨氣泄漏定位實(shí)驗(yàn)集中在前面1 h，因此，取開始1 h內(nèi)的氨水濃度變化做為揮發(fā)量計(jì)算的依據(jù)，進(jìn)行線性擬合，如圖4所示，相關(guān)系數(shù)0.94，模型擬合效果較好。最終得到氨水濃度變化方程為

式中y為燒杯中氨水濃度值，g/L;t為時(shí)間，h。

圖4 開始1 h氨水濃度變化Fig 4 Change of ammonia solution concentration in the first hour

對(duì)方程y進(jìn)行求導(dǎo)，可以得出燒杯中80 mL氨水開始1 h內(nèi)氨氣揮發(fā)量Q為 3.68 g/h，即 1.022 mg/s。

3.2 氨氣泄漏定位模擬實(shí)驗(yàn)

模擬實(shí)驗(yàn)采用自己研發(fā)的氨氣無線監(jiān)測系統(tǒng)，在傳感器節(jié)點(diǎn)密度不同的情況下，進(jìn)行定位誤差對(duì)比實(shí)驗(yàn)。首先5個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)分別均勻布置在區(qū)域是9，16，25，36 m2的面積內(nèi)進(jìn)行定位實(shí)驗(yàn)，模擬泄漏源的燒杯隨機(jī)放置在場地內(nèi)坐標(biāo)為（x，y）的位置;然后根據(jù)5個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)監(jiān)測的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，采用最近節(jié)點(diǎn)法和質(zhì)心算法來預(yù)估泄漏源的位置;最后根據(jù)定位的結(jié)果與實(shí)際的泄漏源之間的距離計(jì)算定位誤差。

假設(shè)實(shí)驗(yàn)重復(fù)進(jìn)行了k次，則定位誤差

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

結(jié)果如圖5所示。當(dāng)監(jiān)測面積增大的時(shí)候，最近點(diǎn)法和質(zhì)心法的定位誤差都會(huì)增加，但是相對(duì)于最近點(diǎn)法，質(zhì)心算法在相同面積的情況下能減少50%左右的定位誤差。雖然質(zhì)心算法增加了實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度和計(jì)算量，但在面積較大的情況下也能保持很高的定位精度。

圖5 定位誤差與監(jiān)測面積Fig 5 Localization error vs monitoring area

定位誤差是反應(yīng)定位精確度的重要指標(biāo)，但是定位誤差的絕對(duì)距離不能反應(yīng)不同監(jiān)測面積下的定位精度。因此，比較合理地方法是采用相對(duì)定位誤差來比較不同面積下的定位精度。相對(duì)定位誤差為定位誤差與監(jiān)測區(qū)域邊長的比值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，質(zhì)心算法的相對(duì)定位誤差為11%左右，并且隨著面積增大，相對(duì)定位誤差基本保持穩(wěn)定，而最近點(diǎn)法相對(duì)定位誤差約為24%，并且隨著面積增大，相對(duì)定位誤差也在增大。因而，在實(shí)際生產(chǎn)中，采用質(zhì)心算法能有效地改進(jìn)目前超限報(bào)警方式的氨氣監(jiān)測系統(tǒng)。

圖6 監(jiān)測面積與相對(duì)定位誤差Fig 6 Relative localization error vs monitoring area

4 結(jié)論

危險(xiǎn)氣體泄漏事故威脅到人民群眾的身體健康和生命安全，目前的氣體監(jiān)測系統(tǒng)都有一定的局限性，只是簡單地進(jìn)行監(jiān)測和報(bào)警，沒有發(fā)揮在事故預(yù)防和處理上的優(yōu)勢。本文針對(duì)冷庫氨氣泄漏的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)了一種基于WSNs的氨氣監(jiān)測系統(tǒng)，詳細(xì)介紹了傳感器節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的軟硬件設(shè)計(jì)，提出了適用于氨氣泄漏定位的擴(kuò)散模型和定位算法，最后對(duì)最近點(diǎn)法和質(zhì)心算法進(jìn)行了模擬實(shí)驗(yàn)和分析，為今后的實(shí)際應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。本文將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位技術(shù)應(yīng)用到氨氣泄漏定位中，大大地發(fā)揮了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢，為今后改進(jìn)冷庫氨氣監(jiān)測系統(tǒng)提供了技術(shù)參考。

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