張 鋒 曾俊林 李凱亮

(廣東石油化工學(xué)院，廣東 茂名 525000)

傳統(tǒng)的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)多由人工操控，由于人力和物力的限制，監(jiān)測面僅限于幾個斷面和點，監(jiān)測頻率也是每月數(shù)次，不能保證所測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和時效性，難以實現(xiàn)對環(huán)境要素全時段和全方位的動態(tài)監(jiān)測[1]。近年來，環(huán)境在線監(jiān)測方面的相關(guān)設(shè)備和軟件的研發(fā)成果也比較多，國內(nèi)的諸如中國環(huán)境科學(xué)研究院、華南理工大學(xué)及湖南力合科技等科研院所、高校和高新技術(shù)企業(yè)相繼研發(fā)了環(huán)境在線監(jiān)測系統(tǒng)，都取得了一定的成果[2]。但是這些產(chǎn)品大都存在一些缺陷，如只具備個別的監(jiān)測功能、監(jiān)測數(shù)據(jù)類型單一、數(shù)據(jù)采集傳輸速度慢、智能化程度低、界面不直觀、不符合相關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)及綜合性差等[3]。針對這些問題，筆者以廣東茂名石化廠區(qū)的實際環(huán)境監(jiān)測需求為背景，設(shè)計其遠(yuǎn)程環(huán)境在線監(jiān)測系統(tǒng)，以期科學(xué)管理廢氣的排放，為生活在廠區(qū)和周邊的人們營造良好的生活環(huán)境。

根據(jù)廣東茂名石化廠區(qū)的實際環(huán)境監(jiān)測目標(biāo)，要求遠(yuǎn)程環(huán)境在線監(jiān)測系統(tǒng)具有以下功能：解決現(xiàn)場電源布線困難的問題；低成本，并能在線實時監(jiān)測環(huán)境參數(shù)的功能；實現(xiàn)數(shù)據(jù)以曲線形式進行對比分析，并且至少存儲一年，便于歷史數(shù)據(jù)的查詢和補足；固定式與便攜式相結(jié)合，以實現(xiàn)隨時隨地網(wǎng)絡(luò)在線查看環(huán)境數(shù)據(jù)，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)對廢氣排放進行科學(xué)管理。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理

廣東茂名石化廠區(qū)的遠(yuǎn)程環(huán)境在線監(jiān)測系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，包括傳感器節(jié)點、匯聚節(jié)點和監(jiān)測中心。傳感器節(jié)點分別放置在待檢測區(qū)域周邊，通過自組織方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)(即子站)，各子站之間相互獨立，互不通信，只有子站內(nèi)部節(jié)點可以相互交換數(shù)據(jù)，子站內(nèi)的傳感器節(jié)點負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集，數(shù)據(jù)沿著其他傳感器節(jié)點逐跳傳輸，在傳輸過程中監(jiān)測數(shù)據(jù)可能被多個節(jié)點處理，經(jīng)多跳路由后到達(dá)匯聚節(jié)點(各子站網(wǎng)關(guān))；匯聚節(jié)點對收集到的數(shù)據(jù)進行處理分析并通過以太網(wǎng)將結(jié)果傳送到監(jiān)測中心，監(jiān)測中心的管理員對收集到的數(shù)據(jù)做出判斷或者決策后[4]轉(zhuǎn)發(fā)給環(huán)保局和用戶。

圖1 遠(yuǎn)程環(huán)境在線監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架簡圖

3 硬件部分

遠(yuǎn)程環(huán)境在線監(jiān)測系統(tǒng)的核心設(shè)備無線傳感器節(jié)點通過購買芯片和自主設(shè)計完成制作。該節(jié)點的硬件設(shè)計框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件框圖

每個傳感節(jié)點自動采集環(huán)境信息，并結(jié)合預(yù)設(shè)的環(huán)境參數(shù)上下限進行分析，判斷是否需要執(zhí)行動作以及何時停止。傳感器網(wǎng)絡(luò)分布于監(jiān)測區(qū)域內(nèi)，將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給就近的無線路由節(jié)點，路由節(jié)點根據(jù)路由算法選擇最佳路由，建立相應(yīng)的路由列表(列表中包括自身的信息和鄰居網(wǎng)關(guān)的信息)。無線網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)無線傳感器節(jié)點的管理。通過網(wǎng)關(guān)把數(shù)據(jù)傳給遠(yuǎn)程監(jiān)測中心，監(jiān)測中心可以通過PC機、智能手機或者任何具有瀏覽器功能的設(shè)備對Web服務(wù)器發(fā)布的數(shù)據(jù)進行查看[5]。

3.1 傳感器節(jié)點硬件

濕度傳感器采用DHT11，全稱為數(shù)字溫濕度傳感器，是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合式傳感器，適合應(yīng)用于各種條件苛刻的工作環(huán)境中。

溫度傳感器選用DS18B20，其供電電壓范圍3.0～5.5V，無需備用電源，性能穩(wěn)定，應(yīng)用范圍廣泛，適用于工業(yè)系統(tǒng)等各種場所。

二氧化碳濃度測量采用MG811模塊，MG811傳感器對CO2具有良好的靈敏度和選擇性，同時具有良好的穩(wěn)定性和再現(xiàn)性[6]，受溫濕度變化的影響較小，輸出方式可采用電平輸出方式和模擬量輸出方式。

風(fēng)速測量采用HL-FS2電壓型模擬輸出風(fēng)速傳感器，供電電壓12V，輸出電壓0～5V，測量范圍0.0～30.0m/s，測量精度0.5m/s，抗干擾能力強，性能穩(wěn)定，制作材料為防腐合金，適用于環(huán)境惡劣的工業(yè)環(huán)境。

風(fēng)向傳感器采用HL-FX2電壓型模擬輸出風(fēng)向傳感器，供電電壓12～24V，啟動風(fēng)速0.5m/s，分辨率0.1m/s，可指示16個方位。

3.2 網(wǎng)關(guān)

考慮到網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)較大，因而選用Tiny6410開發(fā)板為硬件平臺，此嵌入式網(wǎng)關(guān)連接內(nèi)外信息傳輸通道皆采用無線方式，外部網(wǎng)絡(luò)以基于IP網(wǎng)絡(luò)技術(shù)并提供通用分組無線業(yè)務(wù)的GPRS通信網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)[7]。內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)采用短距離和低功率的ZigBee無線通信技術(shù)，結(jié)合現(xiàn)場采用專業(yè)傳感器對空分裝置環(huán)境中的CO2、溫濕度及氣象參數(shù)等數(shù)據(jù)進行采集和傳輸。

3.3 電源模塊

為使節(jié)點適應(yīng)石化工業(yè)環(huán)境并長期而穩(wěn)定地工作，選用雙電源系統(tǒng)供電，并利用太陽能電池板對電池進行充電。電池電量由節(jié)點的主處理芯片CC2530實時跟蹤，使用的是CC2530提供的ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換功能。在CC2530芯片中先設(shè)定好某一閾值，當(dāng)?shù)竭_(dá)這一閾值時主處理芯片便對電池進行切換，使供電系統(tǒng)穩(wěn)定工作。切換之后，備用電池接入節(jié)點的核心系統(tǒng)進行供電，而原供電電池開始充電，這樣便實現(xiàn)了節(jié)點的穩(wěn)定持續(xù)工作。

為滿足不同傳感器的供電需求，電池采用標(biāo)準(zhǔn)電壓輸出12V的大容量進口原廠鋰離子電池。本模塊使用的穩(wěn)壓芯片分別是L7805CV和L7806CV，分別提供穩(wěn)定的5V和6V電壓，雙電源由CC2530控制的兩個繼電器實現(xiàn)電路切換。

3.4 基于S3C6410的便攜式監(jiān)測平臺

便攜式監(jiān)測平臺由ARM11，S3C6410的核心板、ZigBee、7寸觸摸屏驅(qū)動電路和串口驅(qū)動電路組成。由ZigBee無線接收模塊接收來自終端節(jié)點的數(shù)據(jù)，經(jīng)串口驅(qū)動電路并送往6410處理器處理數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)經(jīng)過相應(yīng)處理后在觸摸屏顯示。同時當(dāng)觸摸屏被點擊時，也會觸發(fā)相應(yīng)的操作。便攜式監(jiān)測平臺的硬件框圖如圖3所示。

圖3 便攜式監(jiān)測平臺硬件框圖

4 軟件部分

4.1 ZigBee協(xié)議棧構(gòu)建

該環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的軟件設(shè)計是基于Z-Stack-CC2530-2.3.1-1.4.0協(xié)議棧進行設(shè)計的。首先，選用GenricApp例程，新建工程，修改底層以適應(yīng)硬件電路；其次，在工程中添加新建的任務(wù)ID，任務(wù)中添加的事件主要包括按鍵事件、無線接收事件、串口接收事件和定時器觸發(fā)的事件，其中利用定時器分時來產(chǎn)生的事件有二氧化碳濃度采集事件、溫度采集事件、濕度采集事件、風(fēng)速采集事件、風(fēng)向采集事件、數(shù)據(jù)發(fā)送事件、休眠事件和電源的檢測與控制事件，另外接收節(jié)點還要添加一個串口發(fā)送事件。在接收節(jié)點添加串口發(fā)送事件，每接收一次終端節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)就完成一次串口發(fā)送事件。采集節(jié)點和接收節(jié)點的流程如圖4所示。

圖4 采集和接收流程

然后在終端節(jié)點的HAL層添加DS18B20溫度傳感器、DHT11濕度傳感器和CC2530的ADC驅(qū)動程序。二氧化碳濃度、風(fēng)速和風(fēng)向的輸出采集信號采用的是電壓型模擬信號，故可利用CC2530芯片提供的8路獨立ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器對它們進行數(shù)據(jù)采集。

完成底層和任務(wù)ID的添加之后，在APP層初始化串口、初始化定時器、初始化電源檢測和控制程序，并完成串口和定時器的設(shè)置。串口采用串口0，其中不選用流控制，波特率則選擇默認(rèn)的38 400bit/s。定時器采用8位的定時器3，操作模式采用Clear Timer on Compare，通道模式采用Output_Compare比較輸出模式，設(shè)置每1ms產(chǎn)生一次定時中斷，中斷中實現(xiàn)Count變量的累加，當(dāng)累加到設(shè)定的值時便產(chǎn)生一個任務(wù)事件，實現(xiàn)定時采集數(shù)據(jù)、定時發(fā)送數(shù)據(jù)、定時進入休眠及定時喚醒等一系列有序的工作。

4.2 基于Qt的上位機監(jiān)測平臺的開發(fā)

上位機使用Qt平臺編寫程序，Qt是一個跨平臺C++圖形用戶界面應(yīng)用程序開發(fā)框架，具有優(yōu)良的跨平臺特性、面向?qū)ο?、豐富的API、拓展性強及控件多等優(yōu)點。

運行本監(jiān)測平臺應(yīng)用軟件時，當(dāng)有數(shù)據(jù)從接收數(shù)據(jù)的協(xié)調(diào)器上行至PC機串口，觸發(fā)串口接收信號槽，就會執(zhí)行串口讀取數(shù)據(jù)的操作。接收完數(shù)據(jù)后校驗數(shù)據(jù)的完整性和正確性，如果數(shù)據(jù)正確則執(zhí)行數(shù)據(jù)分類存儲與分析，并將數(shù)據(jù)在圖表上繪制成曲線；如果校驗接收的數(shù)據(jù)是錯誤的則丟棄數(shù)據(jù)。其軟件工作流程如圖5所示。

采用PHP+MYSQL+Apache編寫的網(wǎng)站程序，支持?jǐn)?shù)據(jù)通信原理，基于B/S架構(gòu)通信方式實現(xiàn)了網(wǎng)頁端與服務(wù)器之間的交流。采用Ajax無刷新頁面技術(shù)，管理者就可以看到石化廠區(qū)實時的信息，同時還可以在網(wǎng)頁上看到各個時期的數(shù)據(jù)變化，對于統(tǒng)計和分析數(shù)據(jù)提供了數(shù)據(jù)支撐。在網(wǎng)頁上，用戶還可以進行石化廠的易燃易爆氣體、有毒氣體和粉塵的實時在線監(jiān)測分析，形成直觀結(jié)果以便了解石化廠環(huán)境參數(shù)的最新情況。

圖5 Qt軟件工作流程

5 試驗結(jié)果與分析

5.1 接收數(shù)據(jù)測試

串口接收截取的部分原始數(shù)據(jù)見表1。

表1 串口接收截取的部分原始數(shù)據(jù)

注：第1幀數(shù)據(jù)為沒有任何操作時測得的；第2～7幀數(shù)據(jù)是通過人為改變傳感器所處的環(huán)境狀況，以獲得不同參數(shù)。

由表1中的數(shù)據(jù)可以看出：二氧化碳濃度采用ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換進行檢測，由第一幀數(shù)據(jù)可以看出電壓值VCO2=value×3.3/32767=0x0C93×3.3/32767=324mV；同樣可以計算出第2～7幀的數(shù)據(jù)電壓值分別為314、310、308、308、305、305mV。對照MG811靈敏度特性曲線，可知二氧化碳濃度值分別為0.4‰、0.6‰、0.7‰、0.8‰、0.8‰、1.0‰、1.0‰。可見數(shù)據(jù)逐漸增大，即二氧化碳濃度逐漸增大，說明傳感器工作正常，變化靈敏。

溫度計算公式為T=tem×0.0625。即以上7幀數(shù)據(jù)的溫度分別為：29.625 0、31.062 5、32.250 0、32.250 0、32.625 0、32.875 0、33.062 5℃。溫度值逐漸上升，和溫度計測量數(shù)據(jù)一致，可見溫度傳感器工作正常，數(shù)據(jù)接收也正常。

濕度為相對值，由原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為十進制的數(shù)據(jù)即可，即相對濕度分別為46%、47%、51%、52%、54%、56%、55%。數(shù)據(jù)和濕度計測量值一致，測試正常。

風(fēng)向和風(fēng)速的都是通過ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換獲得的。風(fēng)向電壓計算公式V=value×3.3/128。故風(fēng)向?qū)?yīng)采集到的電壓值為3.17、3.17、2.93、2.52、2.37、2.11、1.67V。風(fēng)向的數(shù)據(jù)接收范圍為0x00～0x7F，共16個方向，每個方向的數(shù)據(jù)間隔為8(7F/16)，則WD_Num=(WD_Data-3)/8，WD_Num的范圍為0～15，分別代表16個方向：北、東偏北72.5°、東北、東偏北27.5°、東、東偏南27.5°、東南、東偏南72.5°、南、西偏南72.5°、西南、西偏南27.5°、西、西偏北27.5°、西北、西偏北72.5°。因此表1的數(shù)據(jù)分別代表的風(fēng)向是：西偏北72.5°、西偏北72.5°、西偏北27.5°、西偏南27.5°、西偏南27.5°、西偏南72.5°、東偏南72.5°。測試結(jié)果均與轉(zhuǎn)動的角度相符合，即指向可正常采集。風(fēng)速電壓計算公式V=value×3.3/32767，故風(fēng)向?qū)?yīng)采集到的電壓值為0.000、0.810、0.488、0.379、0.337、0.325、0.307V。而風(fēng)速傳感器的檢測范圍是0～30，則對應(yīng)0～0x7FFF的電壓范圍，即風(fēng)速公式WS=30/0x7FFF·WS_Data。故表1對應(yīng)的風(fēng)速分別為0.00、7.37、4.44、3.44、3.06、2.96、2.79m/s，第一個數(shù)據(jù)到第二個數(shù)據(jù)的突變是因為手動轉(zhuǎn)動風(fēng)速傳感器，風(fēng)速傳感器瞬間獲得轉(zhuǎn)速引起的；然后由于存在摩擦阻力而逐漸減慢，直到最后停止轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)速接近0，可見測試結(jié)果也正常，可以正常進行風(fēng)速檢測。

5.2 上位機接收測試

將ZigBee接收設(shè)備(協(xié)調(diào)器)通過USB串口連接上計算機，并開啟設(shè)備的電源開關(guān)，可看見節(jié)點LED燈開始閃爍，節(jié)點開始組建網(wǎng)絡(luò)；將采集節(jié)點設(shè)備上的傳感器等各個模塊組裝好，開啟電源開關(guān)，節(jié)點開始初始化并準(zhǔn)備加入網(wǎng)絡(luò)，指示LED燈由快閃變?yōu)槁W，表示節(jié)點已經(jīng)加入網(wǎng)絡(luò)并定時向接收節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)。

開啟上位機，設(shè)置COM口和波特率，選擇COM1，波特率38 400bit/s。監(jiān)測界面顯示各個節(jié)點實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，其中節(jié)點1數(shù)據(jù)的分析結(jié)果如圖6所示。

圖6 節(jié)點1數(shù)據(jù)分析

6 結(jié)束語

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的石化廠區(qū)環(huán)境在線監(jiān)測系統(tǒng)可以在石化廠區(qū)空分裝置空氣吸入口布置節(jié)點，用于監(jiān)測大氣CO2濃度，分析CO2來源，并提供控制措施；實時測量氣象參數(shù)，監(jiān)視風(fēng)向變化帶來空氣質(zhì)量的變化。在石化廠區(qū)內(nèi)，經(jīng)過多次的測試和長時間的觀察與改進，系統(tǒng)已經(jīng)能夠正常持續(xù)而又穩(wěn)定地工作了。同時，也可以在其他石化設(shè)備附近設(shè)置節(jié)點，有效預(yù)防有毒氣體的泄漏和擴散；在不同的場所，只需添加不同的傳感器即可采集到不同的環(huán)境參數(shù)，系統(tǒng)的升級和功能的擴展更加簡單、方便快捷，不僅在石化廠區(qū)可以推廣應(yīng)用，在其他遠(yuǎn)程監(jiān)測領(lǐng)域也有一定的借鑒價值。

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