基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的氯氣監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

孔凡偉，施云波，修德斌，杜 放，王萌萌

(哈爾濱理工大學(xué)測控技術(shù)與通信工程學(xué)院測控技術(shù)與儀器黑龍江省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江哈爾濱150080)

0 引言

美國能源部(DOE)在2002年發(fā)布的“面向21世紀(jì)的工業(yè)無線技術(shù)”白皮書中首次提出將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wireless sensor network，WSNs)應(yīng)用于工業(yè)自動化領(lǐng)域［1］，WSNs節(jié)點(diǎn)硬件不但省電，而且有很好的抗干擾能力;軟件有很好的任務(wù)實(shí)時調(diào)度性能，能適應(yīng)各種前端點(diǎn)的應(yīng)用任務(wù)且具有處理無線信道協(xié)議的能力［2］。

隨著國內(nèi)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，化工企業(yè)不斷增加，有毒有害氣體的泄漏事故在商業(yè)化學(xué)品的生產(chǎn)、儲運(yùn)和使用過程中時有發(fā)生。據(jù)統(tǒng)計(jì)，氯氣是我國化學(xué)事故發(fā)生率最高的危化品之一，它的泄漏將嚴(yán)重威脅國家和人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。因此，對敏感區(qū)域的環(huán)境氯氣含量實(shí)時監(jiān)測尤為重要，傳統(tǒng)氯氣安全監(jiān)測系統(tǒng)采用有線方式傳輸信號，導(dǎo)致信號抗干擾能力弱，線路鋪設(shè)復(fù)雜，尤其在復(fù)雜的工業(yè)環(huán)境現(xiàn)場，擴(kuò)展性差，成本偏高［3］。因此，本文采用WSNs來搭建無線采集網(wǎng)絡(luò)，配合上位機(jī)軟件，可以很好地實(shí)現(xiàn)對監(jiān)測區(qū)域內(nèi)氯氣體積分?jǐn)?shù)的監(jiān)測，顯示和預(yù)警［4］。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)與節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由多個節(jié)點(diǎn)、中心模塊和PC監(jiān)測中心組成，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖Fig 1 Overall structure block diagram of system

節(jié)點(diǎn)由傳感器、信號調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)融合與處理模塊、射頻模塊及電源模塊構(gòu)成，結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)框圖Fig 2 Structure block diagram of node

中心模塊由傳感器模塊、數(shù)據(jù)融合與處理模塊、射頻模塊以及與PC機(jī)通信的接口電路組成。

1.2 系統(tǒng)工作

啟動后，各節(jié)點(diǎn)通過基于星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的通信協(xié)議快速自動地組成一個網(wǎng)絡(luò)，傳感器將檢測到的體積分?jǐn)?shù)變化通過信號調(diào)理模塊轉(zhuǎn)換成A/D采集能夠識別的電壓信號，數(shù)據(jù)融合處理模塊內(nèi)置12位的A/D，同時控制顯示與越線報警。監(jiān)測中心通過UART發(fā)送指令給中心模塊，各個節(jié)點(diǎn)通過接收中心模塊的指令執(zhí)行采集發(fā)送和相關(guān)指令，然后，通過無線通信模塊將執(zhí)行指令后獲取的數(shù)據(jù)信息回傳中心模塊，PC通過監(jiān)測界面實(shí)時顯示相應(yīng)監(jiān)測信息，同時實(shí)現(xiàn)報警功能。

2 模塊化設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)融合處理模塊

該模塊采用TI的混合信號微處理器MSP430系列作為處理芯片，該芯片不僅自身功耗低(休眠模式下僅為2μA，系統(tǒng)工作可以通過中斷喚醒)，另外，芯片集成了豐富的函數(shù)庫，如對信號進(jìn)行FFT等操作時會比其他的單片機(jī)快很多［5］。這樣，可以通過它對采集到的信號進(jìn)行融合、糾錯以及預(yù)處理，減少發(fā)射冗余，進(jìn)一步降低了系統(tǒng)的功耗。

2.2 信號調(diào)理模塊

氯氣傳感器采用具有高靈敏度、線性度好、工作常溫等優(yōu)點(diǎn)的三電極電化學(xué)氯氣傳感器，傳感器通過內(nèi)部電解液的氧化還原反應(yīng)外部氣體體積分?jǐn)?shù)的變化［6］。當(dāng)對電極與參比電極加上恒電位后，會在工作電極輸出負(fù)電流。該模塊設(shè)計(jì)了基于單電源供電的負(fù)電流信號檢測電路。設(shè)計(jì)中采用了2.5 V恒壓源模擬零電位。調(diào)理電路如圖3所示。

傳感器產(chǎn)生的負(fù)電流經(jīng)R1變成負(fù)電壓后，經(jīng)A1反向輸入低通濾波電路，A3，A4，A5組成為增益可調(diào)差動輸入運(yùn)算放大器，經(jīng)計(jì)算輸出電壓Vo范圍為1～3 V，后接保護(hù)電路，當(dāng)輸出大于保護(hù)電壓時，運(yùn)放A6導(dǎo)通，輸出大電流，對A5的輸出分流，降低A5的輸出電壓，輸出電壓下降后使得A6輸出關(guān)閉，從而防止由于信號畸變或體積分?jǐn)?shù)過高對輸入口產(chǎn)生灌電流，毀壞AD采集端口。

2.3 無線通信模塊

圖3 調(diào)理電路Fig 3 Conditioning circuit

無線通信模塊采用基于射頻集成芯片CC1101的射頻模塊，是一種低成本，低功耗，工作頻段在433 MHz的單片可編程UHF收發(fā)芯片［7］。處理芯片與CC1101采用SPI方式通信，傳輸距離可達(dá)600 m。采用GPSK方式調(diào)制，提高了數(shù)據(jù)抗突發(fā)干擾和隨機(jī)干擾的能力，理論誤碼率小于0.1%。為滿足通信要求，采用8 dbi全向天線［8］。

2.4 電源模塊

電源模塊的設(shè)計(jì)采用2個3.7 V鋰電池串聯(lián)組成8.4 V，3200 mAh，增強(qiáng)了系統(tǒng)的單電池續(xù)航能力，然而，電池容量有限，且不穩(wěn)定，電池充電期間系統(tǒng)處于關(guān)閉狀態(tài)，這給系統(tǒng)工作造成了真空區(qū)，設(shè)計(jì)采用了電池供電和外接電源供電2種模式可選，電池欠電發(fā)出警報，可就近接通外接電源，模塊會自動切入外接電源供電模式，同時給電池充電，切斷外接電源，系統(tǒng)自動切入電池供電模式。設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)不間斷工作。電源模塊電路原理如圖4所示。

圖4 電源模塊電路原理Fig 4 Circuit principle diagram of power module

2.5 報警電路

由于現(xiàn)場環(huán)境的復(fù)雜性，報警采用了聲光報警，通過繼電器控制大功率蜂鳴器報警。

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件包括兩部分，基于星狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的通信協(xié)議設(shè)計(jì)，基于C語言虛擬儀器(Cvirtual instrument，CVI)的監(jiān)測中心設(shè)計(jì)。

3.1 基于星狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的通信協(xié)議

系統(tǒng)初始化后，中心模塊通過UART接收PC指令。中心模塊通過判斷PC指令對各個節(jié)點(diǎn)發(fā)送相應(yīng)的命令，節(jié)點(diǎn)接收到命令以后，執(zhí)行采集處理和其他命令，各個節(jié)點(diǎn)依次按照設(shè)定好的時序?qū)⑻幚砗蟮臄?shù)據(jù)發(fā)送給中心模塊，中心模塊將所有節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)匯總處理(包括判斷、糾錯等)后，集中返回到上位機(jī)。軟件流程圖如圖5。

圖5 軟件流程圖Fig 5 Flow chart of software

3.2 基于CVI的監(jiān)測中心

CVI的交互式程序開發(fā)，具有強(qiáng)大的函數(shù)庫用來創(chuàng)建數(shù)據(jù)采集和儀器控制的應(yīng)用程序，以及具備完備的軟件工具進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，分析和顯示等區(qū)別于其他上位機(jī)開發(fā)環(huán)境的優(yōu)勢是選擇CVI開發(fā)監(jiān)測界面的原因?；贑VI設(shè)計(jì)的監(jiān)測中心具有實(shí)時顯示網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)地址信息、監(jiān)測數(shù)據(jù)、保存數(shù)據(jù)、繪制動態(tài)曲線、報警、查詢歷史數(shù)據(jù)以及繪制歷史數(shù)據(jù)曲線等功能。監(jiān)測中心程序流程如圖6所示。

圖6 監(jiān)測中心程序流程圖Fig 6 Program flow chart of monitoring center

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

在地址標(biāo)識為0X01～0X06的6套節(jié)點(diǎn)中隨機(jī)分成3組放入3個氣體測試箱中，連接好測試系統(tǒng)，啟動監(jiān)測中心軟件，向3組氣體測試箱中注入不同體積分?jǐn)?shù)的氯氣，通過監(jiān)測中心可以觀測到加入網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)地址與實(shí)測的氣體體積分?jǐn)?shù)值，穩(wěn)定后獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab 1 Experimental data

由表中數(shù)據(jù)可知，該系統(tǒng)啟動后自動地組成一個獨(dú)立的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，對氯氣體積分?jǐn)?shù)的監(jiān)測比較穩(wěn)定，監(jiān)測數(shù)據(jù)精度在5%以內(nèi)，滿足應(yīng)用要求。

5 結(jié)束語

本文將WSNs技術(shù)應(yīng)用于氯氣安全監(jiān)測，網(wǎng)絡(luò)的建立不需要預(yù)設(shè)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)施，具有組網(wǎng)簡單快捷，工作穩(wěn)定，擴(kuò)展性好，功耗低等優(yōu)點(diǎn)。目前，該網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍在500 m以內(nèi)，滿足了一般的氯氣存儲環(huán)境的監(jiān)測范圍要求，如果有更大區(qū)域的覆蓋需求，如大型的氯氣生產(chǎn)廠等，該網(wǎng)絡(luò)可以快速地?cái)U(kuò)展成樹狀乃至網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，滿足現(xiàn)場需求。

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