基于ZigBee的分布式氣體監(jiān)測(cè)定位系統(tǒng)

王長(zhǎng)清+韓金

摘 要： 為了及時(shí)發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)化工氣體的泄漏與排放，實(shí)現(xiàn)對(duì)排放源的快速定位以及對(duì)擴(kuò)散范圍的預(yù)測(cè)，提高對(duì)化工氣體泄漏事件的處理速度?；诖?，建立一種基于ZigBee和多傳感器融合的分布式氣體檢測(cè)平臺(tái)。采用多傳感器融合對(duì)環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，針對(duì)檢測(cè)得到的數(shù)據(jù)，選擇合適的插值算法，結(jié)合具體環(huán)境信息采用Surfer軟件構(gòu)造氣體擴(kuò)散等值線，對(duì)氣體的擴(kuò)散范圍進(jìn)行預(yù)測(cè)；根據(jù)影響定位的因素和模糊控制算法，快速選擇合適的定位算法，結(jié)合參考節(jié)點(diǎn)位置信息實(shí)現(xiàn)對(duì)擴(kuò)散源的定位。實(shí)驗(yàn)表明，系統(tǒng)能對(duì)化工氣體濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)性在線檢測(cè)，同時(shí)還能對(duì)化工氣體的擴(kuò)散等值線進(jìn)行模擬，實(shí)現(xiàn)了對(duì)氣體擴(kuò)散范圍的預(yù)測(cè)，以及對(duì)擴(kuò)散的迅速處理。

關(guān)鍵詞： 氣體泄露； ZigBee； 多傳感器融合； 定位； 模糊控制； 分布式

中圖分類號(hào)： TN957.52+3?34； TP212 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2018）02?0087?04

Abstract： To discover the leakage and emission of dangerous chemical gas in time， realize fast location of the emission source and forecast of diffusion range， and improve the processing speed of chemical gas leakage incident， the distributed gas detection platform based on Zigbee and multi?sensor fusion is established for the system. The multi?sensor fusion is adopted for real?time monitoring of the environment. The appropriate interpolation algorithm is selected for the obtained data. The Surfer software is used to construct gas diffusion contour lines in combination with specific environmental information so that the gas diffusion range can be forecasted. The appropriate localization algorithm is selected quickly according to positioning influencing factors and fuzzy control algorithm so as to realize the location of the diffusion source in combination with location information of the reference node. The practice application result shows that the system can perform real?time online detection of chemical gas concentration and meanwhile modulate the chemical gas diffusion contour lines， which realizes the forecast of gas diffusion range and quick processing of the diffusion.

Keywords： gas leakage； ZigBee； multi?sensor fusion； location； fuzzy control； distribution

0 引 言

隨著化學(xué)工業(yè)的迅速發(fā)展，化工廠如雨后春筍般出現(xiàn)，化工廠中產(chǎn)生的廢氣里含有對(duì)人們工作、生活帶來(lái)不便的氣體，而且有些氣體還會(huì)對(duì)人們生活的環(huán)境以及人們的身體健康造成嚴(yán)重影響；化工廠有時(shí)候也會(huì)出現(xiàn)意外突發(fā)狀況：化工氣體泄漏事件，當(dāng)突發(fā)事件發(fā)生時(shí)，如果對(duì)泄漏點(diǎn)迅速定位，就能迅速對(duì)泄漏事件做出反應(yīng)，大大降低氣體泄漏帶來(lái)的影響。文獻(xiàn)[1]介紹了一種基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的氣體泄漏源定位方法研究，采用高斯煙羽擴(kuò)散模型和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)定位，但是其受環(huán)境因素影響較大，靈活性不夠強(qiáng)；文獻(xiàn)[2]介紹了一種基于移動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò)的氣體源定位系統(tǒng)，但是移動(dòng)節(jié)點(diǎn)需要移動(dòng)搜索定位，同時(shí)有些地點(diǎn)移動(dòng)傳感器并不能達(dá)到；文獻(xiàn)[3]設(shè)計(jì)了一種基于MCMC方法的城區(qū)有毒氣體泄漏點(diǎn)反演方法，但是定位方法是基于穩(wěn)態(tài)下的狀態(tài)，實(shí)時(shí)性不夠好。

針對(duì)上述情況，本文設(shè)計(jì)了一種基于ZigBee和多傳感器融合的分布式氣體監(jiān)測(cè)定位硬件平臺(tái)，實(shí)時(shí)檢測(cè)環(huán)境信息。根據(jù)檢測(cè)得到的數(shù)據(jù)，利用Surfer軟件繪制化工廢氣的擴(kuò)散等值線，結(jié)合具體的環(huán)境地理信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體擴(kuò)散范圍的預(yù)測(cè)。結(jié)合影響定位的因素，采用模糊控制選擇合適的定位算法，將采集節(jié)點(diǎn)的位置信息和定位算法結(jié)合對(duì)排放源進(jìn)行定位，提高定位精度和系統(tǒng)的靈活性。

1 系統(tǒng)方案及原理

1.1 系統(tǒng)方案

系統(tǒng)采用無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)分布式布局，節(jié)點(diǎn)分布廣泛，能夠快速檢測(cè)到目標(biāo)氣體。多傳感融合實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域化工氣體濃度信息、風(fēng)速信息的實(shí)時(shí)同步在線檢測(cè)；根據(jù)檢測(cè)到的實(shí)時(shí)環(huán)境信息，利用模糊控制器選擇合適的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)定位算法，結(jié)合參考點(diǎn)位置信息實(shí)現(xiàn)對(duì)擴(kuò)散源的定位[4]，增加系統(tǒng)針對(duì)不同環(huán)境因素的適應(yīng)性，靈活性高，有效提高系統(tǒng)的定位精度。根據(jù)風(fēng)速信息，結(jié)合氣體等值線以及具體環(huán)境信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體擴(kuò)散范圍的預(yù)測(cè)。系統(tǒng)整體由監(jiān)測(cè)中心和檢測(cè)節(jié)點(diǎn)兩部分組成。監(jiān)測(cè)中心是ZigBee網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器部分，用于組建無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)串口總線與PC機(jī)進(jìn)行通信，實(shí)時(shí)記錄和處理數(shù)據(jù)。檢測(cè)節(jié)點(diǎn)包含ZigBee模塊和多個(gè)傳感器，采用分布式布局，對(duì)檢測(cè)區(qū)域的環(huán)境化工廢氣和環(huán)境風(fēng)速進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，同時(shí)將采集到的化工氣體濃度信息和風(fēng)速信息通過(guò)ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)上傳至協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。endprint

1.2 系統(tǒng)原理

系統(tǒng)方案中的檢測(cè)節(jié)點(diǎn)包含氣體傳感器、風(fēng)速傳感器、CC2530模塊。氣體傳感器用來(lái)檢測(cè)環(huán)境中的化工氣體濃度信息，風(fēng)速傳感器將實(shí)時(shí)在線檢測(cè)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的風(fēng)速信息；氣體傳感器檢測(cè)到化工氣體之后會(huì)產(chǎn)生一個(gè)微弱電流信號(hào)，將信號(hào)進(jìn)行放大濾波電路處理后發(fā)送到CC2530內(nèi)部的ADC采樣端；CC2530模塊的ADC采樣端通過(guò)I/V轉(zhuǎn)化將電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，根據(jù)電壓值計(jì)算出環(huán)境的氣體濃度值。同時(shí)系統(tǒng)通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)將處理后得到的數(shù)據(jù)以及參考節(jié)點(diǎn)的位置信息發(fā)送至協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄和整理，然后通過(guò)串口總線，將數(shù)據(jù)上傳至PC機(jī)。PC機(jī)對(duì)環(huán)境化工氣體的濃度值進(jìn)行判斷，如果濃度值未超過(guò)閾值，PC機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄和存檔；如果濃度值超過(guò)閾值，PC機(jī)將會(huì)對(duì)擴(kuò)散范圍進(jìn)行預(yù)測(cè)，對(duì)擴(kuò)散源進(jìn)行定位。利用Surfer軟件繪制氣體擴(kuò)散等值線，結(jié)合地理位置信息以及等值線信息，對(duì)化工氣體的擴(kuò)散范圍進(jìn)行預(yù)測(cè)；PC機(jī)調(diào)用模糊控制器，根據(jù)環(huán)境影響定位精度的因素選擇一個(gè)適合當(dāng)前環(huán)境條件的定位算法，結(jié)合協(xié)調(diào)器上傳的采集節(jié)點(diǎn)的位置信息，對(duì)排放源進(jìn)行定位，提高定位的精度以及系統(tǒng)對(duì)不同環(huán)境的適應(yīng)度，增加了系統(tǒng)應(yīng)用的靈活性。

2 具體實(shí)現(xiàn)

2.1 硬件部分

2.1.1 檢測(cè)節(jié)點(diǎn)模塊

系統(tǒng)方案中的檢測(cè)節(jié)點(diǎn)包含氣體傳感器、風(fēng)速傳感器、CC2530模塊以及CC2591模塊[5?7]。氣體傳感器用來(lái)檢測(cè)環(huán)境中的氣體濃度信息，風(fēng)速傳感器將實(shí)時(shí)在線檢測(cè)監(jiān)測(cè)區(qū)域的風(fēng)速信息；電化學(xué)氣體傳感器檢測(cè)到之后會(huì)產(chǎn)生一個(gè)微弱電流信號(hào)，將信號(hào)進(jìn)行放大濾波處理發(fā)送到CC2530內(nèi)部的ADC采樣端；CC2530模塊將電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，同時(shí)根據(jù)電壓值計(jì)算出環(huán)境的氣體濃度值；隨后CC2530模塊通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)向協(xié)調(diào)器發(fā)送采集到的濃度值以及風(fēng)速信息。采集節(jié)點(diǎn)模塊如圖2所示。

2.1.2 協(xié)調(diào)器電路

協(xié)調(diào)器作為無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的建立節(jié)點(diǎn)，通過(guò)串口總線與PC機(jī)組成監(jiān)測(cè)中心，主要由電源適配器、串口總線模塊組成。協(xié)調(diào)器把接收到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)絇C機(jī)進(jìn)行顯示記錄，使系統(tǒng)可以根據(jù)采集到的環(huán)境實(shí)時(shí)情況分析泄漏氣體的成分、實(shí)現(xiàn)對(duì)泄漏點(diǎn)的定位以及對(duì)氣體擴(kuò)散范圍的預(yù)測(cè)，采取合理的處理措施。協(xié)調(diào)器電路如圖3所示。

2.2 系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)在初始化之后，傳感器開(kāi)始工作，實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)環(huán)境化工氣體濃度信息和風(fēng)速信息，在檢測(cè)到化工氣體后傳感器會(huì)產(chǎn)生一個(gè)微弱電流信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大濾波電路，電流信號(hào)傳送到CC2530內(nèi)部的ADC采樣端，CC2530將電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，同時(shí)根據(jù)公式將電壓信號(hào)值轉(zhuǎn)化為化工氣體濃度值。PC機(jī)根據(jù)接收到的采集端采集到的環(huán)境化工氣體濃度值以及節(jié)點(diǎn)位置信息，構(gòu)造化工氣體擴(kuò)散等值線，再根據(jù)影響定位精度的因素選擇合適的定位算法，利用協(xié)調(diào)器傳來(lái)的參考節(jié)點(diǎn)的地理位置信息，對(duì)排放源進(jìn)行定位，并對(duì)擴(kuò)散范圍進(jìn)行預(yù)測(cè)。軟件流程圖如圖4所示。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 氣體擴(kuò)散等值線構(gòu)造

系統(tǒng)將采用等值線模型對(duì)氣體的擴(kuò)散進(jìn)行模擬。等值線模型是把實(shí)際具體數(shù)值在已定義的區(qū)域上用圖形表示的一種方法，在可視化仿真中得到廣泛的應(yīng)用，可用來(lái)表示各種指標(biāo)如濃度、溫度等的分布情況。

系統(tǒng)方案中的檢測(cè)節(jié)點(diǎn)包含風(fēng)速傳感器、氣體傳感器以及CC2530模塊。風(fēng)速傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境風(fēng)速進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)控；氣體傳感器對(duì)環(huán)境濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)控；CC2530將傳感器采集到的化工氣體濃度信息轉(zhuǎn)化為確切數(shù)值，得到的氣體濃度值和環(huán)境實(shí)時(shí)風(fēng)速值通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)器將數(shù)據(jù)通過(guò)串口總線上傳至PC機(jī)，PC機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理。

首先，將接收到的化工氣體數(shù)據(jù)和參考節(jié)點(diǎn)位置坐標(biāo)信息整理到Excel中，以文本形式輸出；在Surfer中以該文本文件為基礎(chǔ)，選擇合適的插值方法對(duì)文本中的離散數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)格化，得到規(guī)則的網(wǎng)格文件，接著繪制氣體擴(kuò)散等值線[8?10]。氣體擴(kuò)散等值線具有如下規(guī)律：

氣體擴(kuò)散等值線會(huì)在擴(kuò)散源附近閉合環(huán)狀線的形式向外輻射，當(dāng)環(huán)境因素對(duì)氣體擴(kuò)散影響較小時(shí)，氣體擴(kuò)散等值線會(huì)以近似同心圓的形式出現(xiàn)；當(dāng)影響較大時(shí)，等值線在風(fēng)速的方向上比較稀疏，風(fēng)向兩側(cè)的等值線比較密集；當(dāng)環(huán)境中有影響氣體擴(kuò)散的障礙物，等值線在障礙物附近的等值線也比較密集；若有兩個(gè)及兩個(gè)以上的排放源時(shí)，等值線會(huì)有交叉區(qū)域。

3.2 定位算法

ZigBee網(wǎng)絡(luò)由協(xié)調(diào)器發(fā)起后，會(huì)有屬于自己的短地址，同時(shí)參考節(jié)點(diǎn)的位置信息會(huì)通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到協(xié)調(diào)器。協(xié)調(diào)器將采集節(jié)點(diǎn)的地理位置信息和環(huán)境信息通過(guò)串口總線上傳至PC機(jī)，PC機(jī)根據(jù)環(huán)境中影響定位精度的因素，例如氣體密度、環(huán)境風(fēng)速以及風(fēng)向的變化率采用模糊控制器選擇合適的定位算法；結(jié)合采集節(jié)點(diǎn)的位置信息和定位算法，系統(tǒng)迅速對(duì)排放源進(jìn)行定位，實(shí)現(xiàn)對(duì)排放源迅速有效地處理，減小化工氣體擴(kuò)散帶來(lái)的影響。

系統(tǒng)對(duì)定位算法的選擇將采用模糊控制器[11]。模糊控制是一種非線性控制方法，屬于智能控制的范疇，應(yīng)用于自動(dòng)化控制領(lǐng)域。一個(gè)基本的模糊控制器包括3部分：模糊化、模糊推理和反模糊化。本文引用的是一種多輸入單輸出的模糊控制器如圖5所示。

經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的發(fā)展，出現(xiàn)很多化工氣體的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)定位算法，可近似估計(jì)擴(kuò)散源的位置。幾類常見(jiàn)的氣體擴(kuò)散源定位算法：AOA、TOA、RSSI、粒子濾波算法[12]等。對(duì)于氣體定位的影響因素來(lái)說(shuō)，最主要的影響因素有氣體密度（p）、環(huán)境風(fēng)速（v）、風(fēng)向變化率（f），將這些因素作為模糊控制器中的主要參數(shù)。系統(tǒng)在接收到采集節(jié)點(diǎn)的信息值后，將參數(shù)p，v，f輸入后，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)采集到的信息選擇最合適的氣體定位算法，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)擴(kuò)散源的定位，提高定位的精度。

4 仿真與測(cè)試

針對(duì)某市的化工廠附近的SO2排放情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)布置30個(gè)采集節(jié)點(diǎn)，實(shí)時(shí)對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域中的環(huán)境風(fēng)速信息以及化工氣體濃度進(jìn)行檢測(cè)。圖6是通過(guò)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)到的某化工廠的SO2濃度值擴(kuò)散等值線，由等值線擴(kuò)散規(guī)律得知，在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)有幾個(gè)不同的SO2排放源。endprint

PC機(jī)調(diào)用模糊控制器，輸入影響定位因素的參數(shù)，選擇合適的定位算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)泄漏源的定位。模糊控制器中輸入影響因素后，系統(tǒng)選擇加權(quán)質(zhì)心定位算法對(duì)泄漏源進(jìn)行定位。加權(quán)質(zhì)心定位算法是對(duì)質(zhì)心定位算法的改進(jìn)算法，對(duì)于泄漏源的定位精度精確度較高。針對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域中的采集節(jié)點(diǎn)進(jìn)行模擬定位，利用加權(quán)質(zhì)心算法進(jìn)行定位，與質(zhì)心定位算法進(jìn)行比較。改進(jìn)的加權(quán)質(zhì)心定位算法與普通的質(zhì)心定位算法的誤差比較見(jiàn)圖7。

圖7中：“*”代表的是未知點(diǎn)；“△”代表的是加權(quán)質(zhì)心算法得到的定位點(diǎn)；“○”代表的是質(zhì)心定位算法得到的定位點(diǎn)。同時(shí)根據(jù)等值線信息，可以計(jì)算出氣體擴(kuò)散的速度，從而可以對(duì)氣體擴(kuò)散的范圍進(jìn)行預(yù)測(cè)。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文主要從系統(tǒng)整體入手，對(duì)系統(tǒng)整體的實(shí)現(xiàn)做出詳細(xì)的論述。系統(tǒng)具有節(jié)點(diǎn)分布廣泛、靈活性以及適用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，系統(tǒng)能對(duì)化工氣體濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)性在線檢測(cè)，同時(shí)還能對(duì)化工氣體的擴(kuò)散等值線進(jìn)行模擬，用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體擴(kuò)散范圍的預(yù)測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)擴(kuò)散的迅速處理。同時(shí)本系統(tǒng)還可以用在工廠排污的檢測(cè)，以及工廠的廢水廢氣處理監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域，具有很廣的應(yīng)用前景，以及很強(qiáng)的實(shí)用性。

注：本文通訊作者為韓金。

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