基于WSN的便攜式硫化氫檢測(cè)儀設(shè)計(jì)

劉 美 方湃盛 冼永文

(廣東石油化工學(xué)院計(jì)算機(jī)與電子信息學(xué)院，廣東 茂名 525000)

0 引言

隨著近年來石油企業(yè)進(jìn)口加工高含硫原油的增加，H2S中毒的防治成為企業(yè)做好職業(yè)安全衛(wèi)生工作的重要課題。實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)工廠生產(chǎn)過程含硫物的狀況，是直接減少工廠損失和確保工人生命安全的重要措施［1］。近年來，通過政府、企業(yè)、醫(yī)療和科研等機(jī)構(gòu)努力，H2S中毒防治取得一定成效，但H2S中毒事件仍時(shí)有發(fā)生，防治形勢(shì)依然嚴(yán)峻［2］。

目前H2S檢測(cè)方法有化學(xué)法和電子直接測(cè)定法［3－4］?；瘜W(xué)法測(cè)定程序繁瑣、數(shù)據(jù)獲取不及時(shí)，但測(cè)量精度高;電子直接測(cè)定法測(cè)定迅速，利于現(xiàn)場(chǎng)使用，具有報(bào)警等豐富功能，但測(cè)定誤差較大，價(jià)格昂貴［5］。在電子測(cè)定法中，國內(nèi)外傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控采用有線固定式H2S檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)通信嚴(yán)重依賴基礎(chǔ)設(shè)施，布線施工難度大、費(fèi)用高、耗時(shí)長(zhǎng)，對(duì)正在迅速擴(kuò)大的連網(wǎng)需求形成瓶頸阻塞。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wireless sensor network，WSN)是由大量具有無線通信能力、體積小、能源受限的傳感器節(jié)點(diǎn)組成的無線網(wǎng)絡(luò)。將WSN應(yīng)用于石化企業(yè)裝置的監(jiān)控，可通過大量分布于不同監(jiān)控區(qū)域的不同類型的傳感器節(jié)點(diǎn)，解決在高危險(xiǎn)環(huán)境下人工現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)有害生化氣體濃度的困難，同時(shí)克服有線通信中系統(tǒng)龐大、安裝困難等難題，有利于提高有害氣體的監(jiān)測(cè)效率。

本文在基于WSN的含硫裝置員工跟蹤監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用方案的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一個(gè)便攜式硫化氫檢測(cè)儀。該檢測(cè)儀可有效檢測(cè)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)所處位置的H2S濃度、溫濕度并進(jìn)行顯示報(bào)警，同時(shí)通過固定節(jié)點(diǎn)的無線通信模塊進(jìn)行檢測(cè)位置的定位和信息的遠(yuǎn)距離傳送與監(jiān)控。

1 便攜式硫化氫檢測(cè)儀原理

基于WSN的石化含硫裝置員工跟蹤監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Network structure of the system

含硫裝置監(jiān)控區(qū)域被劃分為多個(gè)監(jiān)控小區(qū)，每個(gè)監(jiān)控小區(qū)安置一個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)，并按需要部署傳感器節(jié)點(diǎn)。多個(gè)監(jiān)控小區(qū)組成WSN監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)區(qū)域，WSN監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)信息通過網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)與廠內(nèi)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)(Intranet)連接［6］。便攜式硫化氫檢測(cè)儀作為系統(tǒng)的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，可佩戴在現(xiàn)場(chǎng)工作人員的身上(移動(dòng)目標(biāo))，實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)移動(dòng)目標(biāo)所在區(qū)域的H2S濃度。

便攜式硫化氫檢測(cè)儀以TI公司的CC2431為核心。CC2431是高性能的IEEE 802.15.4無線片上系統(tǒng)(SoC)，集成了 2.4 GHz IEEE 802.15.4 兼容的收發(fā)器，128 kB閃存和8 kB RAM存儲(chǔ)器以及基于ZigBee系統(tǒng)的外設(shè)(如定位跟蹤引擎)。便攜式硫化氫檢測(cè)儀具備的功能如下［7－8］。

①能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)環(huán)境中的H2S濃度，正常檢測(cè)范圍為 0～50×10－6。

② 具備報(bào)警功能，報(bào)警設(shè)定值為10×10－6。當(dāng)檢測(cè)到H2S濃度超限時(shí)，蜂鳴器發(fā)出報(bào)警。

③LCD顯示功能，能夠?qū)崟r(shí)顯示環(huán)境的H2S濃度以及超限提示。

④能夠?qū)z測(cè)到的H2S濃度發(fā)送出去，而且還能夠利用自身的定位引擎判斷自己的位置信息。因此，在監(jiān)控室內(nèi)，監(jiān)護(hù)人員不僅可以清楚地知道現(xiàn)場(chǎng)工作人員所在位置，而且還可以知道該位置的H2S濃度。便攜式硫化氫檢測(cè)儀的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 便攜式硫化氫檢測(cè)儀硬件結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Hardware structure of the portable H2S detector

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

便攜式硫化氫檢測(cè)儀硬件由CC2431主控電路、電源電路、硫化氫檢測(cè)電路、液晶顯示電路等組成。

①CC2431主控電路

CC2431主控電路是整個(gè)便攜式硫化氫檢測(cè)儀的核心，其主要功能是對(duì)傳感器傳輸來的信號(hào)行進(jìn)采集、處理和編碼并進(jìn)行無線通信發(fā)送。整個(gè)ZigBee協(xié)議棧的功能由節(jié)點(diǎn)模塊的軟硬件來實(shí)現(xiàn)。CC2431主控電路如圖3所示。

圖3 CC2431主控電路圖Fig.3 CC2431 main control circuit

②H2S濃度及溫濕度檢測(cè)電路

H2S濃度檢測(cè)電路如圖4所示。硫化氫傳感器7H2S-50輸出的模擬信號(hào)需要經(jīng)過放大再輸入到CC2431內(nèi)部的A/D進(jìn)行采樣。作為便攜設(shè)備，硫化氫傳感器和運(yùn)放OPA340采用單電源供電。溫濕度傳感器DHT11與CC2431連接。

圖4 H2S濃度檢測(cè)電路Fig.4 H2S concentration detection circuit

③報(bào)警及液晶顯示電路

便攜式硫化氫檢測(cè)儀的報(bào)警電路采用有源蜂鳴器，用PNP型三極管8550驅(qū)動(dòng)。顯示采用低功耗液晶LCM12864，節(jié)省電池消耗。LCM12864與 CC2431的數(shù)據(jù)交換采用串行外設(shè)總線，節(jié)省CC2431的I/O引線。

此外還有電源供電電路、按鈕電路、LED指示電路等附加電路［9］。

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

便攜式硫化氫檢測(cè)儀的軟件設(shè)計(jì)主要是數(shù)據(jù)通信軟件設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)所采用的系統(tǒng)軟件基于TI/Chipcon公司免費(fèi)提供的ZigBee 2006協(xié)議棧，程序中嵌入實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，用于對(duì)網(wǎng)絡(luò)組建、節(jié)點(diǎn)加入、數(shù)據(jù)收發(fā)等功能進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度。進(jìn)行程序設(shè)計(jì)時(shí)，主要是在協(xié)議棧的應(yīng)用層程序中添加相應(yīng)的任務(wù)。因此，便攜式硫化氫檢測(cè)儀的軟件設(shè)計(jì)的重點(diǎn)將放在無線定位和傳感器數(shù)據(jù)的采集上。除協(xié)議棧的通信功能和定位功能外，設(shè)計(jì)所需要?jiǎng)?chuàng)建的任務(wù)有:H2S濃度采集任務(wù)、溫濕度采集任務(wù)、LCD任務(wù)、報(bào)警任務(wù)、按鍵處理任務(wù)。

①H2S濃度采集任務(wù)

H2S濃度采集任務(wù)流程圖如圖5所示。

圖5 H2S濃度采集任務(wù)流程Fig.5 Flowchart of H2S concentration acquisition task

H2S濃度數(shù)據(jù)采集任務(wù)需要使用CC2431內(nèi)部的A/D。將內(nèi)部ADC采樣到的數(shù)值進(jìn)行多次求平均值，并進(jìn)行數(shù)據(jù)濾波和單位換算，轉(zhuǎn)換為與實(shí)際H2S對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)發(fā)送給數(shù)據(jù)發(fā)送任務(wù)和LCD顯示任務(wù)，由數(shù)據(jù)發(fā)送任務(wù)通過無線發(fā)送出去，由LCD實(shí)時(shí)顯示采樣到的H2S濃度。

②溫濕度采集任務(wù)

溫濕度采集通過DHT11數(shù)字溫濕度傳感器完成。DHT11是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。它應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。DHT11與單片機(jī)之間能采用簡(jiǎn)單的單總線進(jìn)行通信，僅需要1個(gè)I/O口。

由于溫濕度傳感器DHT11輸出為串行的數(shù)字量，有特定的數(shù)據(jù)格式，因此需要采用CC2431的通用I/O口來模擬這個(gè)串行口。

③報(bào)警任務(wù)

報(bào)警任務(wù)的功能主要是在當(dāng)H2S的濃度超限時(shí)，控制蜂鳴器發(fā)出“滴滴”的報(bào)警聲，提示現(xiàn)場(chǎng)工作人員離開，同時(shí)通過無線網(wǎng)路發(fā)送H2S超限的信息。

④LCD顯示任務(wù)

LCD顯示任務(wù)主要是顯示操作提示信息、報(bào)警信息、H2S濃度和溫濕度。

⑤按鍵任務(wù)

本設(shè)計(jì)共用到3個(gè)按鍵，一個(gè)按鍵用于進(jìn)入/退出硫化氫傳感器的調(diào)零功能，用于硫化氫傳感器的調(diào)零;另外兩個(gè)按鍵用于加減調(diào)零量，在報(bào)警狀態(tài)下，其中一個(gè)按鍵還用于復(fù)位報(bào)警狀態(tài)。

除了上述這些任務(wù)外，軟件設(shè)計(jì)所需要?jiǎng)?chuàng)建的任務(wù)還有定位任務(wù)和數(shù)據(jù)發(fā)送任務(wù)等。其中CC2431引擎內(nèi)的定位算法是基于接收信號(hào)強(qiáng)度指示(received signal strength indication，RSSI)值的。CC2431向周圍的參考節(jié)點(diǎn)發(fā)送帶有信號(hào)強(qiáng)度的信息，參考節(jié)點(diǎn)接收到這個(gè)信息后，給盲節(jié)點(diǎn)發(fā)回一個(gè)包含參考節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)信息的數(shù)據(jù)包，RSSI值可由盲節(jié)點(diǎn)根據(jù)這些信息計(jì)算獲得。

3 結(jié)束語

本文在基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)的含硫裝置員工跟蹤監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用方案的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一個(gè)便攜式硫化氫檢測(cè)儀。該便攜式硫化氫檢測(cè)儀既可完成常規(guī)硫化氫檢測(cè)儀表的功能，以及H2S濃度和溫濕度的采集、顯示、報(bào)警，還可作為網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，將采集到的H2S濃度、位置等信息通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到中控室，由中控室的上位機(jī)集中監(jiān)視現(xiàn)場(chǎng)的H2S濃度和工作人員的位置、安全情況，有效地防止了H2S中毒事故的發(fā)生。

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