石化廠區(qū)環(huán)境監(jiān)測(cè)終端的研究與設(shè)計(jì)

Research and Design of the Environment Monitoring Terminal for Petrochemical Plant Area

張　鋒　曾俊林(廣東石油化工學(xué)院，廣東茂名　525000)

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石化廠區(qū)環(huán)境監(jiān)測(cè)終端的研究與設(shè)計(jì)

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(編號(hào):61272382);

國(guó)家青年自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(編號(hào):61401107);

廣東省教育廳科研基金資助項(xiàng)目(編號(hào):2013KJCX0131);

茂名市科技計(jì)劃項(xiàng)目基金資助項(xiàng)目(編號(hào):201513)。

修改稿收到日期:2015－08－13。

第一作者張鋒(1979－)，男，2009年畢業(yè)華南理工大學(xué)電子與通信工程專業(yè)，獲碩士學(xué)位，實(shí)驗(yàn)師;主要從事嵌入式與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的研究。

0　引言

目前，我國(guó)大多數(shù)石化廠區(qū)的建設(shè)呈現(xiàn)密集化、集群化，而面對(duì)復(fù)雜的廠區(qū)環(huán)境，還未實(shí)現(xiàn)全面的智能化、信息化，在很多方面還存在可以大力改善的地方，包括生產(chǎn)上的安全管理、提前預(yù)警等方面。在石化廠區(qū)中，對(duì)氣體環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)是石化生產(chǎn)中保證生產(chǎn)安全所必不可少的工作。對(duì)氣體泄漏和氣體濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行采集時(shí)，傳統(tǒng)的做法是讓工作人員配備手持式氣體監(jiān)測(cè)儀器到廠區(qū)現(xiàn)場(chǎng)附近進(jìn)行實(shí)地監(jiān)測(cè)并采集數(shù)據(jù)，工作人員根據(jù)長(zhǎng)期積累的經(jīng)驗(yàn)判斷空氣氣體濃度變化方向和尋找氣體泄漏源。由于工作人員只能在工作時(shí)間段內(nèi)對(duì)特定的區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)的采集，這顯然不能滿足對(duì)環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)［1］。因此，石化廠區(qū)迫切需要一種低成本、低功耗、實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)的環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備。

為了滿足這一要求，結(jié)合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wireless sensor networks，WSNs)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)與特點(diǎn)，提出了一種基于WSNs的石化廠區(qū)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)［2］。該系統(tǒng)的構(gòu)建實(shí)現(xiàn)了對(duì)石化廠區(qū)環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)和預(yù)警，為智能化工廠的建設(shè)提供了方法和依據(jù)，具有極高的應(yīng)用價(jià)值和意義。

1　系統(tǒng)架構(gòu)及工作原理

環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由監(jiān)測(cè)終端和上位機(jī)組成。其中，終端節(jié)點(diǎn)由移動(dòng)節(jié)點(diǎn)和固定節(jié)點(diǎn)組成，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)裝在基于WiFi的智能小車上;上位機(jī)由PC監(jiān)控中心、便攜式ARM以及安卓智能終端組成。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

傳感器節(jié)點(diǎn)分別放置在待檢測(cè)區(qū)域周邊，通過自組織的方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)(即子站)。各子站之間相互獨(dú)立，互不通信，只有子站內(nèi)部節(jié)點(diǎn)可以相互交換數(shù)據(jù)。子站內(nèi)的傳感器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)據(jù)的感知和采集，數(shù)據(jù)沿著其他傳感器節(jié)點(diǎn)以逐跳方式進(jìn)行傳輸。在傳輸過程中，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可能被多個(gè)節(jié)點(diǎn)處理，經(jīng)多跳路由后到達(dá)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)［3］。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)對(duì)收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析并通過串口傳給上位機(jī)［4］，上位機(jī)的PC監(jiān)控中心處理、綜合分析各項(xiàng)參數(shù)，判斷數(shù)據(jù)是否正常，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)庫(kù)。同時(shí)監(jiān)控中心通過TCP通信協(xié)議將處理好的數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控平臺(tái)，由網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控平臺(tái)轉(zhuǎn)發(fā)至手機(jī)客戶端，實(shí)現(xiàn)多平臺(tái)監(jiān)控。出于工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景的考慮，開發(fā)了基于ARM的便攜式監(jiān)控終端以及WiFi可移動(dòng)節(jié)點(diǎn)小車。小車節(jié)點(diǎn)上集成了顯示節(jié)點(diǎn)地理位置信息的GPS模塊，系統(tǒng)采用了太陽(yáng)能電池板和鉛蓄電池兼并供電方式［5］。終端設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖1　系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.1　Structure of the system

圖2　終端設(shè)計(jì)框圖Fig.2　Blok diagram of the terminal design

1.1 STM32核心電路設(shè)計(jì)

STM32核心電路包括的模塊有:主芯片貼片接口、AMS1117－3.3 V穩(wěn)壓電路、上電復(fù)位及按鍵復(fù)位電路、256 B的AT24C08存儲(chǔ)器、可以與上位機(jī)通信的Micro USB接口、2個(gè)紅色光指示LED燈、8 MHz晶振和32 MHz晶振電路、SWD仿真接口。核心板還添加有AT24C08存儲(chǔ)器，可以用于存儲(chǔ)少量的節(jié)點(diǎn)控制或配置信息，防止重啟之后數(shù)據(jù)丟失的問題。

1.2 CC2530核心板電路設(shè)計(jì)

CC2530核心電路根據(jù)TI公司的文檔說明進(jìn)行射頻電路設(shè)計(jì)，核心板電路主要由主芯片CC2530電路和射頻功放電路RFX2401C電路組成。

電路中添加了PA功放RFX2401C，這部分電路的設(shè)計(jì)需要解決主要阻抗匹配問題。底板電路由3.3 V穩(wěn)壓模塊以及一些基本電路組成，節(jié)點(diǎn)底板的電源電路芯片為AMS1117－3.3，由5 V電壓轉(zhuǎn)換成3.3 V電壓給CC2530芯片供電;其他基本電路包括了復(fù)位電路、2個(gè)可用LED、2個(gè)可用按鍵、程序下載接口、3.3 V電源外接接口以及核心板接口。

1.3電源轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

為滿足不同傳感器的供電需求，電池采用了標(biāo)準(zhǔn)電壓輸出為12 V的大容量進(jìn)口原廠鋰離子電池。本電路設(shè)計(jì)所使用的穩(wěn)壓芯片分別采用L7805cv和L7806cv這2款降壓穩(wěn)壓芯片，分別可以為節(jié)點(diǎn)電路以及傳感器電路提供穩(wěn)定的5 V和6 V直流電壓輸出［3］。轉(zhuǎn)換電路由太陽(yáng)能電池、ZigBee控制模塊、開關(guān)控制電路、蓄電池、穩(wěn)壓模塊以及上位機(jī)監(jiān)控平臺(tái)組成。其電路如圖3所示。

圖3　電源控制電路圖Fig.3　Circuit diagram of power control

由太陽(yáng)能電池板將太陽(yáng)光能量轉(zhuǎn)化為電能，使用ZigBee作為控制核心，根據(jù)采集到的主、副電源的電量情況自動(dòng)對(duì)開關(guān)控制電路進(jìn)行控制，將電能存儲(chǔ)到相應(yīng)的電源中，并無線傳輸數(shù)據(jù)至上位機(jī)監(jiān)控平臺(tái)。同時(shí)，通過CC2530芯片來控制雙電源的開關(guān)切換，通過CC2530芯片對(duì)兩個(gè)繼電器進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)雙電源電路的切換［6］。

2　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)是基于輪詢查詢式操作系統(tǒng)的Z－Stack－CC2530－2.3.1－1.4.0協(xié)議棧進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)的［7］。軟件設(shè)計(jì)由協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)軟件、終端節(jié)點(diǎn)軟件、路由節(jié)點(diǎn)軟件和STM32主控軟件四部分構(gòu)成。

2.1協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器的軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖4所示。

圖4　協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)流程圖Fig.4　Flowchart of coordinator node

一旦有節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)，那么網(wǎng)絡(luò)的PAN ID將確定不變，協(xié)調(diào)器便完成了網(wǎng)絡(luò)的建立。網(wǎng)絡(luò)建立成功之后，設(shè)備將會(huì)把網(wǎng)絡(luò)信息存儲(chǔ)在Flash中，同時(shí)協(xié)調(diào)器會(huì)時(shí)刻檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)信道上的信號(hào)。當(dāng)有數(shù)據(jù)發(fā)送過來時(shí)，便開始接收工作，并作相應(yīng)處理后，將數(shù)據(jù)傳送給LCD顯示或通過串口傳輸?shù)絇C監(jiān)控中心［8］。

2.2傳感器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

終端節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集并發(fā)送，其軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖5所示。

節(jié)點(diǎn)掃描所在環(huán)境的網(wǎng)絡(luò)是否存在，如果發(fā)現(xiàn)有可加入的網(wǎng)絡(luò)存在，便申請(qǐng)加入網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)成功之后便將節(jié)點(diǎn)信息保存在Flash存儲(chǔ)器里面。接著，開啟數(shù)據(jù)采集周期，定時(shí)采集環(huán)境參數(shù)并發(fā)送給協(xié)調(diào)器。低功耗是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問題［9］。節(jié)點(diǎn)的低功耗設(shè)計(jì)和睡眠調(diào)度可以延長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)的壽命［10］。在空閑時(shí)間里，節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠狀態(tài)，以降低節(jié)點(diǎn)功耗。

圖5　傳感器節(jié)點(diǎn)流程圖Fig.5　Flowchart of sensor node

2.3路由節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

路由節(jié)點(diǎn)在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中所擔(dān)任的角色是負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的多跳傳送，將數(shù)據(jù)分組從源節(jié)點(diǎn)通過網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)到目的節(jié)點(diǎn)。路由節(jié)點(diǎn)流程如圖6所示。

圖6的主要功能是路徑優(yōu)化和正確轉(zhuǎn)發(fā)。本文也實(shí)現(xiàn)了路由采集數(shù)據(jù)的功能，采集流程和終端節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)一樣，但路由器在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中是處于長(zhǎng)期工作的狀態(tài)，不能進(jìn)入休眠狀態(tài)，因此程序設(shè)計(jì)時(shí)需要關(guān)閉路由器節(jié)點(diǎn)的休眠功能。

圖6　路由節(jié)點(diǎn)流程圖Fig.6 Flowchart of route node

2.4 STM32主控軟件設(shè)計(jì)

STM32程序主要包含了系統(tǒng)初始化和函數(shù)調(diào)用。初始化包括了系統(tǒng)時(shí)鐘、延時(shí)函數(shù)、串口等初始化函數(shù);函數(shù)調(diào)用包括了數(shù)據(jù)處理函數(shù)的調(diào)用、顯示函數(shù)的調(diào)用、延時(shí)函數(shù)和背景及字體顏色調(diào)整函數(shù)的調(diào)用。STM32主控端芯片程序設(shè)計(jì)基本實(shí)現(xiàn)流程如圖7所示。

圖7　STM32主控軟件程序流程圖Fig.7 Main control software flowchart of STM32 program

3　通信機(jī)制

3.1物理層數(shù)據(jù)幀格式

物理層協(xié)議數(shù)據(jù)單元(physics protocol data unit，PPDU)的傳輸過程是先傳送低字節(jié)再傳送高字節(jié)。對(duì)于每一個(gè)字節(jié)的傳送也是先傳送低位再傳送高位。每個(gè)PPDU包含同步包頭、物理層包頭、可變長(zhǎng)度載荷這3部分。同步包頭(SHR)使接收設(shè)備同步鎖定在比特流上;物理層包頭(PHR)包含幀長(zhǎng)度的信息;可變長(zhǎng)度載荷攜帶MAC層幀信息。物理層數(shù)據(jù)協(xié)議通用幀格式如表1所示。

表1　物理層數(shù)據(jù)協(xié)議單元(PPDU)的幀格式Tab.1 Format of PPDU frame

由表1可見，PPDU是由物理層有效載荷物理層服務(wù)數(shù)據(jù)單元(PSDU)，即需要物理層發(fā)送的數(shù)據(jù)以及前面的附加同步包頭和物理層包頭組成的。

3.2物理層數(shù)據(jù)收發(fā)服務(wù)

(1)使用PD－DATA原語(yǔ)收發(fā)數(shù)據(jù)幀PDDATA.request和PD－DATA.confirm，用于發(fā)送數(shù)據(jù)幀;使用PD－DATA.indication，用于接收數(shù)據(jù)幀。

(2)128 B的射頻數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。

①發(fā)送射頻數(shù)據(jù)緩沖區(qū)TXFIFO;②接收射頻數(shù)據(jù)緩沖區(qū)RXFIFO;③通過RFD寄存器，讀取RXFIFO和寫入TXFIFO;④清空TXFIFO和RXFIFO，用立即指令I(lǐng)SFLUSHTX和ISFLUSHRX;⑤CC2530提供了一個(gè)強(qiáng)大的MDA模塊，并專門配置了射頻觸發(fā)事件，以協(xié)助MCU處理RXFIFO數(shù)據(jù)的搬運(yùn)，將FIFO的數(shù)據(jù)搬至數(shù)據(jù)內(nèi)存區(qū)。

(3)數(shù)據(jù)發(fā)送和接收的實(shí)現(xiàn)。

物理層數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，需要先調(diào)用函數(shù)PHY_ RxMode_Off()關(guān)閉射頻接收機(jī)，而數(shù)據(jù)接收時(shí)，則需要通過調(diào)用函數(shù)PHY_RxMode_On()以開啟射頻接收機(jī)。當(dāng)物理層接收到數(shù)據(jù)后，主動(dòng)向MAC層發(fā)送數(shù)據(jù)指示原語(yǔ)，MAC即獲得了數(shù)據(jù)和鏈路質(zhì)量等信息。

當(dāng)存放在RXFIFO的數(shù)據(jù)序列長(zhǎng)度達(dá)到接收閾值或數(shù)據(jù)序列構(gòu)成了一個(gè)完整的PSDU時(shí)，射頻收發(fā)器觸發(fā)中斷RFIF.FIFO通知MCU;然后MCU將數(shù)據(jù)從RXFIFO中搬運(yùn)至某預(yù)定內(nèi)存區(qū)域;緊接著通知協(xié)議棧MAC層，交由MAC層對(duì)數(shù)據(jù)幀進(jìn)一步處理。

4　組網(wǎng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試過程中，設(shè)計(jì)1個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、1個(gè)路由節(jié)點(diǎn)、3個(gè)終端節(jié)點(diǎn)，終端節(jié)點(diǎn)上分別接上CO、CO2、SO2、PM2.5、風(fēng)速、風(fēng)向、溫濕度等傳感器，將協(xié)調(diào)器通過USB串口連接上位機(jī)，設(shè)置上位機(jī)參數(shù)，選擇COM1，波特率為38 400 bit/s。監(jiān)控界面顯示各個(gè)節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)、歷史監(jiān)測(cè)等數(shù)據(jù)曲線。

4.1數(shù)據(jù)計(jì)算測(cè)試

由于接收的數(shù)據(jù)為十六進(jìn)制的數(shù)據(jù)，需要轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制float型數(shù)據(jù)，如“CA”對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)為202。同時(shí)，由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)為傳感器輸出的電壓值，需要根據(jù)傳感器的特性曲線計(jì)算相應(yīng)的環(huán)境參數(shù)。數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)幀的分配情況如表2所示。

表2　數(shù)據(jù)幀的分配情況Tab.2 Distribution of data frame

按照以上格式分割數(shù)據(jù)幀后，將各自傳感器的十六進(jìn)制電壓值轉(zhuǎn)化為十進(jìn)制的電壓值進(jìn)行計(jì)算。以下的voltage為傳感器電壓。

(1)CO2計(jì)算公式為: voltage×0.305 18;

(2)SO2計(jì)算公式為:500×(voltage×3.3/32 767－0.22 )/4.78;

(3)風(fēng)速計(jì)算公式為: voltage/1 092;

(4)煙塵顆粒物計(jì)算公式為:0.5×(voltage×3.3/ 32 767－0.4)/3.3;

(5)溫度計(jì)算公式為: voltage×0.062 5;

(6)CO計(jì)算公式為: 10 000×(voltage×3. 3/ 32 767－0.23)/4.88。

4.2系統(tǒng)穩(wěn)定性測(cè)試

由上位機(jī)的歷史曲線顯示可知，系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到的CO、CO2、溫濕度等數(shù)據(jù)在一天內(nèi)變化平穩(wěn)，在不同的時(shí)間段里監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)均符合一般環(huán)境下的環(huán)境參數(shù)。而風(fēng)速則會(huì)有比較大的數(shù)據(jù)起伏，主要是因?yàn)榄h(huán)境里風(fēng)速的不確定因素大些。

5　結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)石化廠區(qū)環(huán)境監(jiān)測(cè)的需求，提出石化廠區(qū)環(huán)境監(jiān)測(cè)終端系統(tǒng)。系統(tǒng)采用STM32作為主控制器，提高了系統(tǒng)的運(yùn)行速度和數(shù)據(jù)處理能力;采用太陽(yáng)能板和12 V鉛蓄電池雙電源供電，延長(zhǎng)了無線網(wǎng)絡(luò)的壽命周期;利用Z－Stack協(xié)議棧組建了星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的無線傳感器檢測(cè)網(wǎng)絡(luò);利用QT編寫的上位機(jī)監(jiān)測(cè)軟件，完成數(shù)據(jù)的接收、處理、顯示以及云存儲(chǔ)，大大加強(qiáng)了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可操作性，并且使得監(jiān)測(cè)界面更加友好。經(jīng)過多次的測(cè)試和長(zhǎng)時(shí)間的觀察及改進(jìn)，系統(tǒng)運(yùn)行安全穩(wěn)定，解決了目前石化廠區(qū)有毒氣體監(jiān)測(cè)、預(yù)警實(shí)時(shí)性差等問題。下一步工作是如何運(yùn)用大數(shù)據(jù)觀點(diǎn)處理、挖掘采集來的海量數(shù)據(jù)。

參考文獻(xiàn)

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［9］楊雪，田洪現(xiàn).礦用無線傳感器節(jié)點(diǎn)低功耗設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.計(jì)算機(jī)與現(xiàn)代化，2015(3):80－83，107.

［10］于凱，謝志軍，金光，等.低功耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.微電子學(xué)與計(jì)算機(jī)，2012，29(9):157－159，163.

Research and Design of the Environment Monitoring Terminal for Petrochemical Plant Area

張鋒曾俊林
(廣東石油化工學(xué)院，廣東茂名525000)

摘要:針對(duì)石化廠區(qū)毒氣泄漏監(jiān)測(cè)與預(yù)警困難等特點(diǎn)，以STM32單片機(jī)為核心，CC2530為無線通信模塊，采用太陽(yáng)能板和12 V鉛蓄電池雙電源供電，利用Z－Stack協(xié)議棧設(shè)計(jì)石化廠區(qū)環(huán)境監(jiān)測(cè)終端。該終端能自動(dòng)采集、發(fā)送CO、CO2、溫度、濕度、風(fēng)速、風(fēng)向以及PM2.5等環(huán)境參數(shù)，并與監(jiān)控中心實(shí)時(shí)通信，完成了數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)和傳輸。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，終端設(shè)備具有良好的穩(wěn)定性以及高效通信性能，為石化廠區(qū)環(huán)境自動(dòng)監(jiān)測(cè)提供了有效的方法和手段。

關(guān)鍵詞:石化廠區(qū)監(jiān)測(cè)終端Z－Stack協(xié)議棧無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在線監(jiān)測(cè)預(yù)警TCP通信協(xié)議智能化工廠

Abstract:Aiming at the problems that it is difficult to monitor toxic gas leakage and issue early warning in petrochemical plant area，with STM32 as the processing core，CC2530 as wireless communication module，and using dual power supply of solar panels and 12 V lead storage battery，the monitoring terminal is designed by adopting Z－Stack protocol stack.The terminal can automatically collecting and sending the CO，CO2，temperature，humidity，wind speed，wind direction，PM2.5 and other environmental parameters，and communicate with monitoring center in real time，to achieve data acquisition，storage and transmission.The results of experiment indicate that the terminal equipment has good stability as well as high efficient communication performance，it provides an effective method and means for environment automatically monitoring in the petrochemical plant area.

Keywords:Petrochemical plant area Monitor terminal Z－Stack protocol stackWireless sensor networks(WSNs)Online monitoring Early warning TCP communication protocol Intelligent plant

中圖分類號(hào):TH－39; TP274

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000－0380.201603014