基于ZigBee的危險化學(xué)品倉庫無線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

魏東格，張嘉琪，謝繼標，楊慧聞，蘇俊全

（天津理工大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與安全工程學(xué)院，天津 300384）

根據(jù)我國《危險化學(xué)品目錄（2015 版）》，目前已知的危險化學(xué)品（簡稱“危化品”）有2828 類，約數(shù)萬種。 隨著我國國民經(jīng)濟及工業(yè)化的快速發(fā)展，化學(xué)品的使用領(lǐng)域越來越廣泛，?；返氖褂迷诜N類和數(shù)量上不斷增加，與人民生活的關(guān)系也越來越緊密，與此同時?；返陌踩芾砑笆褂脝栴}也變得越來越突出，由危化品自身所屬的危險性質(zhì)而引發(fā)的事故在途徑、程度、范圍等維度內(nèi)也在逐步增大。安全使用化學(xué)品包括化學(xué)品的產(chǎn)出、運輸、存儲3個方面[1]。 其中，存儲最有可能存在隱患，數(shù)據(jù)表明?；肥鹿实?%發(fā)生在倉儲過程中[2-3]。 2015年天津港“8.12”瑞海公司?；穫}庫發(fā)生特大火災(zāi)，造成了巨大的人員傷亡和財產(chǎn)損失，震驚全國[4]。

為了將?；钒踩卮娣旁趥}庫之中，需要監(jiān)測系統(tǒng)對其環(huán)境參數(shù)進行監(jiān)測和調(diào)節(jié)，同時要求監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)崟r工作并且在長時間內(nèi)穩(wěn)定運行。ZigBee 技術(shù)功耗低、成本低、延時短、容量高等特點恰好契合這一需求[5-6]。故在此基于ZigBee 設(shè)計了危險化學(xué)品倉庫無線監(jiān)測系統(tǒng)。

1 無線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

該系統(tǒng)利用ZigBee 無線通訊技術(shù)與RS-485 技術(shù)相結(jié)合，與傳感器組成下位機采集模塊，并將數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機PC 端，由計算機編寫LabVIEW 控制程序，處理并分析環(huán)境參數(shù)。 所形成針對危化品倉庫的中距離范圍無線監(jiān)測系統(tǒng)[7-8]，可以改進傳統(tǒng)倉庫監(jiān)測的效果，從而更好地保證危險化學(xué)品倉庫的安全運轉(zhuǎn)。

1.1 無線監(jiān)測系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，實物如圖2所示。 選取具備RS-485 通訊協(xié)議的溫濕度等傳感器[9]，利用485 總線的電源正負接線腳，使用鋰電池為其供電，利用A，B 接線口將采集數(shù)據(jù)傳輸至ZigBee終端，同時將電源電壓12 V 連接到降壓模塊，經(jīng)降壓模塊輸出5 V 電壓，為ZigBee 終端供電。 計算機通過USB 接口連接ZigBee 協(xié)調(diào)器，從而實現(xiàn)遠程無線對?；穫}庫的基本環(huán)境參數(shù)的采集與傳輸[10]。其中，ZigBee 芯片采用SZ05-ADV-RS485 嵌入式無線模塊，標準串口RS485 數(shù)據(jù)接口，可以實現(xiàn)多點間的數(shù)據(jù)通訊，最大傳輸距離能夠達到200 m。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Block diagram of the overall structure of the system

圖2 系統(tǒng)整體實物Fig.2 Overall physical object of the system

1.2 無線監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件部分基于LabVIEW 開發(fā)平臺編寫，使用圖形化編輯語言G 編寫程序，產(chǎn)生的程序為框圖形式，能夠有效地將信息采集模塊與計算機結(jié)合起來。 程序后臺如圖3所示。

圖3 LabVIEW 程序框圖Fig.3 LabVIEW block diagram

采集模塊通過Modbus 協(xié)議將采集到的信息“打包”，經(jīng)過ZigBee 網(wǎng)絡(luò)傳送至計算機。 通過I/O控制單元軟件對不同傳感器進行識別編號，因此能夠清晰地區(qū)分出不同傳感器之間的數(shù)據(jù)傳輸。 此處，上位機軟件選用虛擬儀器軟件架構(gòu) （VISA）函數(shù)，VISA 函數(shù)可以通過改變VISA 的配置參數(shù)來實現(xiàn)與不同接口之間的連接。 上位機主控部分的整體結(jié)構(gòu)即為實現(xiàn)串口通信的結(jié)構(gòu)，整個串口通信的結(jié)構(gòu)可以拆分為4 個主要部分：

1）串口初始化配置與串口的選擇 通過VISA配置串口控件對串口進行初始化配置。 配置完成后，將移位寄存器存儲串口與所選擇的串口進行對比。 若兩接口不一致，需將移位寄存器中串口關(guān)閉，對新串口重新配置，并設(shè)置串口緩存區(qū)大?。蝗粢恢拢瑒t直接進行下一步操作。

2）發(fā)送指令 主要通過指令發(fā)送子VI 來實現(xiàn)。 指令發(fā)送子VI 中含有VISA 寫入控件，將發(fā)送的指令、設(shè)置的參數(shù)等寫入緩存區(qū)。

3）數(shù)據(jù)接收 先通過屬性節(jié)點讀取串口寫入數(shù)據(jù)的位數(shù)，判斷與移位寄存器儲存的上次操作讀取的位數(shù)一致且不為0 后，進行VISA 讀取操作，并顯示接受數(shù)據(jù)的個數(shù)。 讀取的數(shù)據(jù)通過CRC 校驗子VI 實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的校驗；通過數(shù)據(jù)接收子VI 實現(xiàn)對接收數(shù)據(jù)的顯示及設(shè)置命令的反饋，還可以判斷各參數(shù)是否達到報警限值而決定是否啟動報警信號。

4）數(shù)據(jù)儲存 生成日志文件，實現(xiàn)存儲數(shù)據(jù)功能。

2 危險化學(xué)品倉庫無線監(jiān)測系統(tǒng)實測

2.1 測試方案及過程

監(jiān)測系統(tǒng)采用閾值比較法來判斷環(huán)境參數(shù)是否正常，即針對不同參數(shù)為其設(shè)定上、下限。 當(dāng)接受到的數(shù)據(jù)處于安全閾值之內(nèi)時，僅做記錄而不做其他處理；當(dāng)參數(shù)超出設(shè)定閾值范圍時，軟件交互界面有相應(yīng)的報警提示，并且與報警系統(tǒng)聯(lián)動。 其邏輯關(guān)系如圖4所示。

針對?；穫}庫，考慮到溫濕度、氣體壓力、火災(zāi)報警等參數(shù)是判斷監(jiān)測倉庫處于臨界狀態(tài)及其重要的指標參系統(tǒng)[11-12]，該監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)由多氣體報警器、紅外火災(zāi)報警器、酒精傳感器、溫濕度傳感器、煙霧報警器、有毒氣體（CO，H2S，SOx等）傳感器等組成。 傳感器均采用標準RS485 通訊方式和Modbus 通訊協(xié)議。

圖4 邏輯關(guān)系Fig.4 Logical relationship

倉庫溫度的管控是?；穫}庫管理的重中之重，本田汽車（中國）有限公司就通過引進某品牌溫度智能化監(jiān)控系統(tǒng)，使?；穫}庫的管理現(xiàn)狀得到有效改善[13]。 因此，為測試監(jiān)測系統(tǒng)的性能，采取在實驗室人為改變測試環(huán)境的試驗方法，分別測得溫濕度、室內(nèi)煙度等2 組數(shù)據(jù)。 采用HSTL-104WS 數(shù)顯溫濕度變送器，其溫度范圍為-20～80 ℃，RS485輸出，且變送器本身具有顯示功能，可與上位機電腦實時比對。 溫濕度測試結(jié)果如圖5所示，交互界面可以顯示單一參數(shù)曲線或同時顯示多種參數(shù)變化情況。

圖5 溫濕度測試結(jié)果界面Fig.5 Temperature and humidity test result interface

起初傳感器顯示為室溫及室內(nèi)空氣濕度。 由圖可見，隨著向傳感器發(fā)射沸騰的水蒸氣，傳感器反應(yīng)迅速，濕度明顯上升，且溫度變化不大。 然后將干燥的熱風(fēng)吹向傳感器，隨著熱風(fēng)將水蒸氣帶走，濕度數(shù)值逐漸下降，同時溫度上升。 最后，撤除所有人為干預(yù)數(shù)值重又逐漸恢復(fù)到室溫狀態(tài)，即符合物理規(guī)律，又能夠?qū)崟r準確地傳輸數(shù)據(jù)，并在LabVIEW交互界面顯示出實時的數(shù)值和變化曲線。

測得另一組煙度變化曲線，如圖6所示。 在一封閉空間內(nèi)2 次點燃紙張，測得對應(yīng)2 個峰值的曲線，能夠反映實際情況。

圖6 煙度測試結(jié)果界面Fig.6 Smoke test result interface

2.2 測試結(jié)果與分析

借助ZigBee 通訊延遲低的特點，將記錄頻率設(shè)計為每秒記錄1 次，或相同的任意時間間隔記錄1次，極大程度地提高了精準性，可得到連續(xù)的變化曲線，直觀且清晰地表達所測得的數(shù)據(jù)。 曲線的變化可以很直觀地反映出環(huán)境參數(shù)的變化過程，具有一定的參考價值。 經(jīng)過與傳感器本身的數(shù)字顯示比對，延遲幾乎可以忽略不計，數(shù)據(jù)傳輸準確。

此次試驗場地為跨樓層的2 個獨立實驗室，ZigBee 傳輸信號受到建筑物墻體的影響，降低了數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性，而通過ZigBee 模塊的中繼功能便可以很好地解決這一問題。 先將終端節(jié)點的信號傳輸?shù)铰酚善?，再由路由器發(fā)送時協(xié)調(diào)器。 因此，跨樓棟傳輸也是可行的，為危化品倉庫的遠程監(jiān)控創(chuàng)造了可能，從而替代人工現(xiàn)場采集的過程。 若為大型場地，還可以通過區(qū)域劃分，按照相關(guān)法規(guī)，布置傳感器數(shù)量，對倉儲現(xiàn)場進行無死角全面測量。

在此以溫濕度傳感器為例，展示該系統(tǒng)的部分功能。 其中包括（如圖5和圖6所示）交互界面有打開、關(guān)閉曲線，保存、打開文件等操作按鈕，生成日志文件，便于隨時調(diào)取記錄，并且利用ZigBee 網(wǎng)絡(luò)拓撲功能最多可以連接256 個任意功能的傳感器。另外，通過閾值判斷，可以確定環(huán)境參數(shù)是否處于正常區(qū)間內(nèi)。 當(dāng)超出預(yù)先設(shè)定的上下限，交互界面給出相應(yīng)的燈光提示，并且可以與火災(zāi)報警系統(tǒng)聯(lián)動，第一時間發(fā)現(xiàn)異常，第一時間報警，大大降低因為工作人員的反應(yīng)時間所造成的延誤。 通過對采集數(shù)據(jù)的分析可以更好地總結(jié)?；饭芾淼慕?jīng)驗，減小事故的發(fā)生率。

該系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，易于安裝維護，可以采用固定安裝和移動安裝的靈活安裝方式，本身自帶充電式鋰電池，由于ZigBee 芯片能耗很低，因此僅通過鋰電池供電就可以達到長時間使用的效果；即插即用，不受建筑結(jié)構(gòu)所限制，由于不需要更改固有線路，尤其適用于臨時搭建儲存場所或老舊場地。 針對不同場所靈活選擇傳感器種類，自由搭配，靈活性高，具有很強的實用價值。

3 結(jié)語

針對?；穫}庫所建立的無線監(jiān)測系統(tǒng)，可以連續(xù)穩(wěn)定地采集環(huán)境參數(shù)，并以數(shù)字化的形式顯示出來，既能省去人為記錄的過程，還能與報警系統(tǒng)自動聯(lián)動，最終達到加強?；穫}儲安全管理的目的，具有一定的安全意義。 然而該系統(tǒng)尚有許多待于改進的地方：應(yīng)豐富不同的模塊中不同的通訊方式，對每一個模塊實施進一步的細化和優(yōu)化；將采集到的傳感器數(shù)據(jù)上傳至云端，進一步實現(xiàn)“無線”的思想，加強不同管理層對于信息的把控。