基于ZigBee的化工廠安全監(jiān)測報警系統(tǒng)

劉國梅

摘要：依據(jù)化工廠安全建設(shè)的實際需求，構(gòu)建基于ZigBee的化工廠安全監(jiān)測報警系統(tǒng)，通過采用多種傳感器技術(shù)、ZigBee網(wǎng)絡(luò)、以太網(wǎng)、嵌入式開發(fā)等多種技術(shù)，在化工廠布置多個帶有多種類型傳感器的監(jiān)測模塊，實現(xiàn)對化工廠全面無死角的監(jiān)測和報警。監(jiān)測模塊加入由路由模塊建立的ZigBee網(wǎng)絡(luò)，可以及時將監(jiān)測數(shù)據(jù)無線傳輸給路由模塊，然后再由路由模塊通過以太網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)給監(jiān)測中心，監(jiān)測模塊在監(jiān)測數(shù)據(jù)超過正常值時能啟動聲、光報警，及時定位危險地帶并提醒人們迅速撤離，系統(tǒng)成本低、使用方便，為化工廠的安全生產(chǎn)提供了保障。

關(guān)鍵詞：安全監(jiān)測;化工廠;ZigBee;以太網(wǎng)

中圖分類號：TP393.0? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）35-0056-03

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

1 引言

化工企業(yè)在生產(chǎn)經(jīng)營過程中，需要接觸化工原料或產(chǎn)品，大多數(shù)化工原料及產(chǎn)品具有易燃、易爆、易中毒、高溫、高壓、有腐蝕性等特點(diǎn)，在生產(chǎn)、儲存等過程中，火災(zāi)爆炸、中毒窒息、腐蝕灼燙等安全事故時有發(fā)生，不僅造成巨大的財產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)損失，更會讓許多原本幸福的家庭支離破碎，造成無法彌補(bǔ)的災(zāi)難[1]。

安全生產(chǎn)，預(yù)防為主，事故的預(yù)防必定是重中之重。壓力、溫濕度、液位、流量、各類可燃?xì)怏w、有毒有害氣體、氧氣的濃度等參數(shù)都是化工廠的重要安全指標(biāo)，如果能一直不斷地監(jiān)測這類參數(shù)指標(biāo)，并且超過安全范圍能自動報警，一定可以預(yù)防事故的發(fā)生，減少各種損失[2]。

文本提供一套基于ZigBee的監(jiān)測報警方案，該方案是在化工廠的各個廠房和倉庫的監(jiān)測點(diǎn)放置加入ZigBee網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測模塊，監(jiān)測模塊上的各種傳感器可以對關(guān)鍵參數(shù)（例如壓力、溫濕度、液位、流量、各類可燃?xì)怏w、有毒有害氣體、氧氣的濃度）進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測數(shù)據(jù)通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)和以太網(wǎng)傳輸?shù)奖O(jiān)測中心，監(jiān)測數(shù)據(jù)超過正常范圍后會立馬報警，以達(dá)到安全生產(chǎn)、嚴(yán)防事故的目的[3]。

2 監(jiān)測方案設(shè)計

基于化工廠面積大、監(jiān)測點(diǎn)多、監(jiān)測參數(shù)多種多樣等特點(diǎn)，本文中采用ZigBee無線傳感網(wǎng)與工業(yè)以太網(wǎng)相結(jié)合的監(jiān)測方案[4]。本系統(tǒng)中一個廠房或者一個倉庫組成一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)，一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)中有一個路由模塊和多個監(jiān)測模塊，路由模塊作為協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，監(jiān)測模塊作為普通ZigBee節(jié)點(diǎn)。

具體監(jiān)測方案如圖1所示，N1為監(jiān)測模塊，S1為路由模塊，它們之間通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，各個廠房或倉庫的路由模塊則通過通信線路組成以太網(wǎng)。各個監(jiān)測模塊分別置于需要監(jiān)測的監(jiān)測點(diǎn)，通過相應(yīng)傳感器監(jiān)測各個參數(shù)的值，并通過ZigBee 網(wǎng)絡(luò)無線傳輸給路由模塊，再經(jīng)路由模塊通過以太網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)給監(jiān)測中心，如果監(jiān)測值超過正常的安全范圍，監(jiān)測中心可以及時采取相應(yīng)措施，同時N1模塊也會發(fā)出聲、光報警，迅速定位事發(fā)地點(diǎn)，提醒人們及時采取措施或者快速撤離。

3 硬件設(shè)計

3.1 模塊硬件組成

本系統(tǒng)中有監(jiān)測模塊和路由模塊。監(jiān)測模塊由MCU、各種傳感器、ZigBee模塊、存儲器、蜂鳴器、LED燈等組成。MCU是整個模塊的核心，用來指揮各個模塊協(xié)同工作，ZigBee模塊可以將監(jiān)測的參數(shù)信息無線傳輸給路由模塊，存儲器可以根據(jù)需要暫存一些數(shù)據(jù)信息，蜂鳴器、LED燈可以在危險發(fā)生時自動發(fā)出聲、光報警，提醒人們及時采取措施或者盡快撤離。監(jiān)測模塊根據(jù)監(jiān)測的對象參數(shù)不同可以選擇集成不同的傳感器，例如監(jiān)測溫濕度的模塊需要集成溫濕度傳感器，監(jiān)測壓力的模塊需要集成壓力傳感器，監(jiān)測各類可燃?xì)怏w、有毒有害氣體、氧氣的濃度等參數(shù)的模塊則需要集成各種相應(yīng)氣體傳感器，等等，圖2中（a）所示的監(jiān)測模塊可以監(jiān)測溫濕度、多種有害氣體、火焰等，并能在危險時刻自動發(fā)出聲光報警。

各個廠房的路由模塊主要用于完成監(jiān)測數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，其硬件組成如圖2中的（b）所示，除了基本的MCU、電源、時鐘、復(fù)位等外，集成有ZigBee模塊、存儲器、以太網(wǎng)模塊等。

3.2 模塊硬件詳細(xì)設(shè)計

監(jiān)測模塊MCU采用NXP公司的基于Cortex-M0內(nèi)核的LPC11C14處理器，該芯片有32KB Flash、8KB的SRAM存儲器，具有豐富的外圍接口，工作頻率為50MHZ，對于一般工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用是足夠了[5]。ZigBee收發(fā)模塊采用的是TI公司的CC2530，溫濕度傳感器選用DHT11，氣體傳感器采用MQ-2，火焰?zhèn)鞲衅髂K采用KY-026。這些外圍器件通過不同的接口與LPC11C14相連接，溫濕度傳感器、LED燈通過普通的I/O口與LPC11C14連接，氣體傳感器、火焰?zhèn)鞲衅魍ㄟ^A/D轉(zhuǎn)換與LPC11C14相連接，蜂鳴器通過PWM口與LPC11C14相連接，ZigBee模塊CC2530則通過SPI口與LPC11C14之間通信。

CC2530是一款工業(yè)級SOC芯片，低電壓供電，超低功耗，方便操作，CC2530結(jié)合了RF收發(fā)器、增強(qiáng)型8051CPU和許多其他模塊的強(qiáng)大功能[6]。因為CC2530模塊本身帶有射頻功能，因此只需要在模塊的RF-P、RF_N管腳與天線之間加一級接口電路，即無線收發(fā)模塊，就可用來放大接收和發(fā)送信息的功率，從而加大數(shù)據(jù)傳輸距離，CC2430 模塊電路如圖 3 所示。

本系統(tǒng)中采用的MQ-2氣體傳感器可用于家庭和工廠的氣體泄漏監(jiān)測，適宜于液化氣、苯、烷、酒精、氫氣、煙霧等的監(jiān)測。因此，MQ-2可以說是一個多種氣體傳感器，其測量范圍極其廣泛。它的優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高、響應(yīng)快、穩(wěn)定性好、壽命長、驅(qū)動電路簡單等[7]。本系統(tǒng)中MQ-2氣體傳感器電路圖如圖4所示。

路由模塊的MCU仍采用NXP公司的LPC11C14處理器，ZigBee模塊的配置也與監(jiān)測模塊類似，以太網(wǎng)控制器采用DM9000AE。LPC11C14使用16個GPIO端口與以太網(wǎng)控制器DM9000AE相連接，DM9000AE的讀寫信號IOR和IOW分別與LPC11C14的讀寫引腳對應(yīng)連接[8]。

4 系統(tǒng)軟件開發(fā)

4.1 ZigBee通信協(xié)議[9]

本文采用TI 公司半開源的 Zstack 協(xié)議棧 ZigBee 2007。ZigBee 2007協(xié)議棧的操作系統(tǒng)抽象層OSAL通過時間片輪轉(zhuǎn)函數(shù)實現(xiàn)任務(wù)調(diào)度，并提供多任務(wù)處理機(jī)制。在使用 ZigBee 協(xié)議棧進(jìn)行應(yīng)用程序開發(fā)時需要添加新任務(wù)，即需要編寫兩個函數(shù)：新任務(wù)的初始化函數(shù)PlantApp_Init（）及事件處理函數(shù)PlantApp_ProcessEvent（），在初始化函數(shù)中注冊端點(diǎn)描述符，配置發(fā)送模式及目的地址等，在事件處理函數(shù)中通過調(diào)用相應(yīng)函數(shù)完成數(shù)據(jù)的收發(fā)。然后將新任務(wù)的初始化函數(shù)添加在 osalInitTasks（）函數(shù)的最后，將事件處理函數(shù)的地址加入tasksArr[]數(shù)組。

發(fā)送數(shù)據(jù)的流程為：1）填充并注冊端點(diǎn)描述符;2）配置發(fā)送模式及目的地址;3）調(diào)用AF_DataRequest（）函數(shù)發(fā)送數(shù)據(jù)。接收數(shù)據(jù)的流程為：1）填充并注冊端點(diǎn)描述符;2）處理系統(tǒng)事件SYS_EVENT_MSG中的AF_INCOMING_MSG_CMD消息;3）使用消息包中的無線數(shù)據(jù)。

4.2 監(jiān)測模塊應(yīng)用軟件開發(fā)[10]

監(jiān)測模塊應(yīng)用軟件流程圖如圖5所示，系統(tǒng)上電后進(jìn)行初始化，包括系統(tǒng)定時器、GPIO口、SPI、UART、I2C、PWM等設(shè)備，然后進(jìn)行ZigBee網(wǎng)絡(luò)初始化，加入由路由模塊組建的ZigBee網(wǎng)絡(luò)，接著主程序進(jìn)入循環(huán)，采集各種傳感器參數(shù)，打包數(shù)據(jù)并通過ZigBee模塊發(fā)送給路由模塊，同時判斷采集的數(shù)據(jù)有沒有超過正常值，如果超過，則通過LED燈及蜂鳴器啟動聲光報警。

4.3 路由模塊應(yīng)用軟件開發(fā)

路由模塊應(yīng)用軟件流程圖如圖6所示，系統(tǒng)上電進(jìn)行硬件初始化之后，通過信道掃描建立起一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)。ZigBee協(xié)議使用一個16位的PAN ID（個域網(wǎng)標(biāo)識符）來標(biāo)識一個網(wǎng)絡(luò)，所以不同的路由模塊使用不同的PAN ID。然后監(jiān)測模塊申請加入該網(wǎng)絡(luò)，路由模塊為監(jiān)測模塊分配一個 16 位短地址，允許其加入網(wǎng)絡(luò)。之后，路由模塊不斷地接收監(jiān)測模塊通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送過來的監(jiān)測數(shù)據(jù)，處理數(shù)據(jù)后再通過以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)發(fā)送給監(jiān)測中心，監(jiān)測中心根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)值進(jìn)行相應(yīng)的處理。

5 結(jié)束語

針對化工廠安全建設(shè)的實際需要，設(shè)計了基于ZigBee的化工廠安全監(jiān)測報警系統(tǒng)。系統(tǒng)中采用多種傳感器、ZigBee無線通信網(wǎng)絡(luò)、以太網(wǎng)等技術(shù)實現(xiàn)了對化工廠全面無死角的實時監(jiān)測，當(dāng)監(jiān)測到異常時，監(jiān)測中心可以及時采取適當(dāng)措施，同時監(jiān)測模塊也會通過其集成的LED燈、蜂鳴器啟動聲光報警，能及時定位危險發(fā)生地，及時提醒人們迅速撤離。另外，監(jiān)測中心人員平時也可以隨時查看監(jiān)測數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析預(yù)估，對化工廠安全進(jìn)行研究。本系統(tǒng)能夠大大提高化工廠的安全性，并且成本低，具有較高的實際應(yīng)用價值。

參考文獻(xiàn)：

[1] 陳瓊楓.化工安全生產(chǎn)中存在的問題及其對策[J].化工管理，2019（18）：86-87.

[2] 于子平，田文德.基于Matlab的化工安全分析模塊系統(tǒng)開發(fā)[J].上?；?， 2017，42（8）：28-31.

[3] 閆亞玲，李博，劉偉杰.基于ZigBee的實驗室防火遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J].實驗室研究與探索，2019，38（5）：282-285.

[4] 高雪.基于MSP430的提升機(jī)鋼絲繩狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J].煤礦機(jī)械， 2019，40（7）：24-26.

[5] 楊路，辛煜，王茂林.基于ZigBee和LPC11C14的多終端倉儲監(jiān)控系統(tǒng)[J].西安石油大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）， 2019，34（4）：103-108.

[6]白宏圖.基于CC2530的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計[J].電子設(shè)計工程， 2019，27（5）：147-150，155.

[7] 毛敏.基于Arduino和LabVIEW遠(yuǎn)程可燃?xì)怏w監(jiān)測系統(tǒng)[J].電氣自動化， 2017，39（5）：28-30.

[8] 韋瑋，商枝江，胡亞楠.車載多用途串口-以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)計[J].新技術(shù)新工藝，2014（11）：73-77.

[9] 邵曉琳. ZStack協(xié)議棧研究及應(yīng)用開發(fā)[D].北京：北方工業(yè)大學(xué)，2015.

[10] 魏玉峰.基于Zstack協(xié)議棧的無線網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)計[J].電子世界，2018（16）：143-144.

【通聯(lián)編輯：梁書】