苑苓苓，鄭勇峰，李紅升

（天津渤海職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津 300402）

基于GPRS與無(wú)線傳感器的石化泄漏源定位方法研究

苑苓苓，鄭勇峰，李紅升

（天津渤海職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津 300402）

為了及時(shí)發(fā)現(xiàn)石化泄漏源，本文采取了基于GPRS與無(wú)線傳感器的石化泄漏源定位系統(tǒng)，系統(tǒng)主要由監(jiān)控中心、遠(yuǎn)程控制終端和無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)組成。無(wú)線傳感模塊具有采集、收發(fā)信息數(shù)據(jù)等功能，并在一定范圍內(nèi)組成本地網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)傳送給遠(yuǎn)程控制端。監(jiān)控中心與各個(gè)遠(yuǎn)程監(jiān)控終端之間的通過(guò)GPRS進(jìn)行通信。通過(guò)簡(jiǎn)單軟件設(shè)置，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、多級(jí)控制等不同模式，達(dá)到及時(shí)監(jiān)控氣體、液體泄露，快速處理泄露事故。

GPRS；無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)；泄漏源

一、引言

化工企業(yè)是高危行業(yè)，危險(xiǎn)化學(xué)品在生產(chǎn)、運(yùn)輸、存儲(chǔ)保管等過(guò)程中均易發(fā)生泄漏事故，一旦發(fā)生劇毒化學(xué)品、危險(xiǎn)品、易燃品等出現(xiàn)泄漏等事故，造成后果將不堪設(shè)想，不僅嚴(yán)重危害國(guó)家和人民生命和財(cái)產(chǎn)安全，而且對(duì)生態(tài)環(huán)境造成了長(zhǎng)期破壞[1]。

為了檢測(cè)化學(xué)危險(xiǎn)品的泄漏，國(guó)內(nèi)外對(duì)氣敏傳感器進(jìn)行了深入研究，并研制成功了可以檢測(cè)多達(dá)100余種化學(xué)危險(xiǎn)品的商品化傳感器，主要類型有半導(dǎo)體傳感器、固體電解質(zhì)傳感器、高分子傳感器、接觸燃燒式傳感器等。目前在國(guó)內(nèi)，其主要應(yīng)用在以下三個(gè)方面：（1）、監(jiān)測(cè)報(bào)警：安裝在化學(xué)危險(xiǎn)品的生產(chǎn)、儲(chǔ)運(yùn)、使用等場(chǎng)所中，及時(shí)檢測(cè)危險(xiǎn)品的含量，并進(jìn)行報(bào)警。（2）、化學(xué)危險(xiǎn)品的種類或特性檢測(cè)：采用具有不同敏感特性的傳感元件組成傳感矩陣，對(duì)泄漏的化學(xué)危險(xiǎn)品的種類和濃度進(jìn)行識(shí)別和監(jiān)測(cè)，其工作過(guò)程為：進(jìn)入事故現(xiàn)場(chǎng)、吸附樣品、傳感元件產(chǎn)生信號(hào)、計(jì)算機(jī)信號(hào)識(shí)別、性質(zhì)、輸出氣體種類、毒性及處置方案。主要用于確定警戒區(qū)域，搶救中毒人員等。（3）、尋找泄漏點(diǎn)：采用智能傳感器，利用計(jì)算機(jī)處理傳感元件的信號(hào)變化，檢測(cè)其濃度變化，從而找到泄漏點(diǎn)。也有采用傳感器與圖像識(shí)別技術(shù)相結(jié)合，利用遙控技術(shù)進(jìn)入事故現(xiàn)場(chǎng)，查找泄漏點(diǎn)的位置[2][3]。

針對(duì)傳統(tǒng)危險(xiǎn)氣體泄漏源檢測(cè)定位方法的不足，以及化工設(shè)備泄露點(diǎn)比較多，輸油管道較長(zhǎng)的特點(diǎn)，本課題擬研究借助分布的無(wú)線傳感器自主地進(jìn)行危險(xiǎn)氣體泄漏源定位，并利用高效的搜尋算法，迅速、準(zhǔn)確的找到氣體泄漏源。并把檢測(cè)到的泄露情況通過(guò)GPRS發(fā)送到監(jiān)控計(jì)算機(jī)或者手機(jī)上。并能對(duì)泄露情況進(jìn)行自動(dòng)處理。

二、系統(tǒng)理論依據(jù)

通用無(wú)線分組業(yè)務(wù)（英文譯作-General Packet Radio Service）也就是通常大家常說(shuō)的GPRS，它是在2G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)基礎(chǔ)上的無(wú)線的分組交換的技術(shù)，提供廣范區(qū)域的、點(diǎn)到點(diǎn)的通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)互連協(xié)議的連接。也就是，GPRS是廣泛數(shù)據(jù)處理的、高速度傳輸?shù)募夹g(shù)，具體方法是通過(guò)將信息劃分成不同的組別同時(shí)將信息資料快速通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳送到客戶端上。GPRS是現(xiàn)有2G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)提升為新一代移動(dòng)通信技術(shù)的過(guò)渡技術(shù)，雖然將被替代但是其明顯的優(yōu)勢(shì)在眾多方面表現(xiàn)非常好。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)難度較高、所需知識(shí)的密集度也較高，是一項(xiàng)具有計(jì)算機(jī)技術(shù)、電氣自動(dòng)化、儀表自動(dòng)化、通信技術(shù)、軟件技術(shù)、無(wú)線傳輸技術(shù)、現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)、傳感器技術(shù)、信息處理技術(shù)等眾多學(xué)科高度融合的領(lǐng)域。它能夠把物體感知、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、采集監(jiān)控測(cè)量信息通過(guò)大量不同的集成化的微型、小型傳感器，以自組織、多地址網(wǎng)絡(luò)，并利用無(wú)線方式傳送至用戶的終端。這種無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)目前備受國(guó)內(nèi)國(guó)外關(guān)注。

此網(wǎng)絡(luò)的工作方式是在監(jiān)控需要的不同地方，布置好各種不同功能的傳感器，已形成多個(gè)單元節(jié)點(diǎn)，所有的節(jié)點(diǎn)通過(guò)自組織的方式以最短時(shí)間迅速形成一個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。各節(jié)點(diǎn)包含的各種硬件設(shè)備比如傳感器、通訊模塊等，他們?cè)趦?nèi)置的各種不同功能的傳感器的幫助下，負(fù)責(zé)采集所探測(cè)地方的各種信號(hào)，探測(cè)諸如聲、光、噪、氣、壓力、濕度、溫度、酸堿度、含氧量、有毒氣體等的情況、分布、危害程度等所需的事情。

在這個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)中的節(jié)點(diǎn)是具有采集所需信息的作用，同時(shí)還得將采集的信息共享上傳到其他節(jié)點(diǎn)或上位，除此之外節(jié)點(diǎn)還具有上傳下達(dá)的作用也就是路由的功能，它將采集的數(shù)據(jù)通過(guò)多地址路由到網(wǎng)關(guān)，然后再路由到監(jiān)控指揮中心。

該網(wǎng)絡(luò)由于優(yōu)點(diǎn)突出，能夠達(dá)到傳輸網(wǎng)絡(luò)廣覆蓋、容錯(cuò)性高、冗余量大以及自組織、測(cè)量精度高等優(yōu)良性能，以及其建成網(wǎng)絡(luò)成本較低、搭建網(wǎng)絡(luò)可靠、靈活方便等的特點(diǎn)，所以其在工業(yè)控制領(lǐng)域、計(jì)算機(jī)應(yīng)用及通訊領(lǐng)域以及一些民用設(shè)施領(lǐng)域應(yīng)用前景非常廣闊。

基于通用無(wú)線分組業(yè)務(wù)（GPRS）與無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位方法檢測(cè)定位石化泄漏源，具有非常重要的實(shí)際意義。它可以將傳感器節(jié)點(diǎn)在不同監(jiān)控區(qū)域測(cè)量出的節(jié)點(diǎn)自身位置所在地放的信息，通過(guò)將各種傳感器信息的整合，用以增強(qiáng)應(yīng)變能力，降低事故的發(fā)生。

三、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于GPRS與無(wú)線傳感器的石化泄漏源定位系統(tǒng)，主要由監(jiān)控中心、無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)、遠(yuǎn)程控制終端、基站構(gòu)成。如圖1是本系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，對(duì)于化工設(shè)備的關(guān)鍵部位如接頭、閥門、機(jī)械密封、墊片、密封填料、玻璃觀測(cè)窗、檢查口、計(jì)量?jī)x表等處安裝傳感器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)檢測(cè)氣體、液體、閥門的運(yùn)行，通過(guò)接收無(wú)線傳感器發(fā)送來(lái)的指令，來(lái)確定泄漏源的位置，執(zhí)行開、關(guān)閥門的操作，快速處理泄漏事故。由于傳感器節(jié)點(diǎn)受電源的限制，電源如果為交流電則需進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)布線，那么將對(duì)系統(tǒng)的成本造成很大的上升；如果電源為直流電，供電時(shí)間較短，因此一定范圍內(nèi)的無(wú)線傳感器作為一個(gè)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間采用多跳通信協(xié)議相互通信。同一范圍內(nèi)的傳感器節(jié)點(diǎn)形成一個(gè)本地網(wǎng)絡(luò)，遠(yuǎn)程監(jiān)控終端對(duì)管道內(nèi)流動(dòng)液體的狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)、控制，并在本地網(wǎng)絡(luò)中起中間節(jié)點(diǎn)的作用，其目的是負(fù)責(zé)向監(jiān)控中心傳輸本地網(wǎng)絡(luò)的傳感器的參數(shù)數(shù)據(jù)等。同時(shí)無(wú)線傳感器也能夠獨(dú)立于主監(jiān)中心工作，主監(jiān)控中心的硬件由電腦、不間斷電源和打印機(jī)等設(shè)備組成。軟件部分由SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)、泄漏源定位管理軟件組成，系統(tǒng)支持Internet 網(wǎng)絡(luò)的發(fā)布功能，方便用戶在異地對(duì)化工設(shè)備泄漏源進(jìn)行定位和處理。

四、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件采用VC++和IFIX相結(jié)合的方式。IFIX是具有現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集、過(guò)程監(jiān)控和過(guò)程可視化的工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)，在自動(dòng)化控制領(lǐng)域廣泛應(yīng)用于石油行業(yè)、化工行業(yè)、電力、機(jī)械、醫(yī)藥等眾多行業(yè)的過(guò)程控制。在開發(fā)過(guò)程中，如何從自動(dòng)化軟件中進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的讀取是重難點(diǎn)，本軟件設(shè)計(jì)使用VC++調(diào)用IFIX的庫(kù)文件，并對(duì)同步傳輸?shù)姆謴S數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取的方法完成監(jiān)控。

IFIX應(yīng)用了微軟的系列工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，是全球領(lǐng)先的自動(dòng)化監(jiān)控組態(tài)軟件，IFIX的分布式、客戶/服務(wù)器結(jié)構(gòu)具有可靈活構(gòu)造的服務(wù)器（SCADA Server）和客戶端。IFIX是一個(gè)集成的完整系統(tǒng)，每臺(tái)計(jì)算機(jī)有自己的名字，每個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)都有自己的名字。IFIX網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)的讀取都通過(guò)標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)。

IFIX包含了各種功能專家、動(dòng)態(tài)對(duì)象工具、圖形工具。為方便開發(fā)畫面，用戶可以根據(jù)需要調(diào)整工具欄大小及放置常用工具按鈕。

IFIX還支持動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換、OPC服務(wù)器協(xié)議、開放式數(shù)據(jù)庫(kù)、COM和分布式COM、VBA等技術(shù)，具有強(qiáng)大的開放性。其中動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換是基于Windows應(yīng)用程序與交換數(shù)據(jù)之間的一種協(xié)議，可以從一個(gè)應(yīng)用程序到另一個(gè)用用程序傳遞數(shù)據(jù)，其傳送者是動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換服務(wù)器，接受者是動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換服務(wù)器客戶端。由于IFIX提供了動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換服務(wù)，所以只需開發(fā)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換的客戶端程序就能從IFIX中讀取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，非常簡(jiǎn)單、安全。

VC++又提供了動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換（DDE）的管理庫(kù)，本身就是為DDE設(shè)計(jì)的一個(gè)應(yīng)用程序編程接口。在VC++中首先定義一個(gè)全局?jǐn)?shù)據(jù)組，用于保存實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，然后再用有關(guān)函數(shù)初始化DDE，再由系統(tǒng)調(diào)用DDE自定義的回調(diào)函數(shù)，用來(lái)通知各種時(shí)間的發(fā)生，最后用相關(guān)函數(shù)啟動(dòng)與服務(wù)器的聯(lián)系，然后再用函數(shù)與服務(wù)器建立熱鏈接捕獲消息，該消息中的一個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)的值變化時(shí)通知客戶端并用相關(guān)函數(shù)取得數(shù)據(jù)，保存到定義好的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)組中。至此，也就實(shí)現(xiàn)了從IFIX讀取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的功能。

動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)讀取后，編制控制中心的軟件后，就可以顯示化工設(shè)備的運(yùn)行情況，當(dāng)發(fā)生氣體或者液體泄漏時(shí)，能夠快速確定泄漏源并對(duì)泄漏源進(jìn)行處理。

主監(jiān)控中心軟件的功能流程框圖，如圖2所示首先對(duì)無(wú)線傳感器采集發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、歸整，然后通過(guò)上位機(jī)的動(dòng)態(tài)顯示界面，向用戶實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前無(wú)線傳感器的運(yùn)行狀況和相關(guān)信息，同時(shí)具有存儲(chǔ)、查詢和打印分析這些信息的功能，當(dāng)檢測(cè)到有故障發(fā)生時(shí)，會(huì)及時(shí)在動(dòng)態(tài)監(jiān)視屏幕上出現(xiàn)報(bào)警信息及警告聲音，提醒工作人員對(duì)發(fā)生的泄漏信息進(jìn)行及時(shí)處理，工作人員若不在，自動(dòng)啟動(dòng)事故處理應(yīng)急方案，自動(dòng)關(guān)閉掉相關(guān)閥門，并給工作人員發(fā)送短消息。工作人員得到短消息后，登陸化工設(shè)備泄露監(jiān)控系統(tǒng)也可對(duì)泄漏進(jìn)行相關(guān)處理。

圖1 系統(tǒng)框圖

圖2 主監(jiān)控中心軟件功能流程圖

五、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)功能

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（簡(jiǎn)稱：WSN）中網(wǎng)關(guān)作為關(guān)鍵，它負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)間協(xié)議的轉(zhuǎn)換、網(wǎng)絡(luò)路由和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理等重要任務(wù)，是網(wǎng)絡(luò)間連接的紐帶。所以設(shè)計(jì)出好的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)是整個(gè)WSN中的重要部分。

“WSN”的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)要達(dá)到計(jì)算能力強(qiáng)、數(shù)據(jù)吞吐量大、存儲(chǔ)能力高的特點(diǎn)，而且傳輸范圍還要比傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)大得多，這樣才能保證大量的數(shù)據(jù)傳輸?shù)酵饩W(wǎng)的監(jiān)控指揮中心，也才可以作為整個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的輸出端口使用。

另外，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的GPRS通信模塊，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)“RS-232”串行接口，，使用調(diào)制解調(diào)器命令完成對(duì)模塊的操作，完成GPRS的無(wú)線撥號(hào)與互聯(lián)網(wǎng)相連接，長(zhǎng)期時(shí)刻在線、登陸迅速、按流量大小計(jì)費(fèi)等不可比擬的優(yōu)勢(shì)。

因此，它應(yīng)主要承擔(dān)以下作用：

對(duì)從各傳感器節(jié)點(diǎn)接收的數(shù)據(jù)自適應(yīng)地啟動(dòng)數(shù)據(jù)融合算法，降低數(shù)據(jù)冗余度；

完成不同網(wǎng)絡(luò)之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換；

處理來(lái)自監(jiān)控中心的命令；

完成數(shù)據(jù)傳輸功能，在不同網(wǎng)絡(luò)之間建立路由。

因此WSN網(wǎng)關(guān)要具備以下功能：

能匯聚接收來(lái)自無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中傳感器終端節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)；

能通過(guò)以太網(wǎng)將收集的傳感器數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)竭h(yuǎn)程監(jiān)控中心；

能通過(guò)無(wú)線傳輸?shù)姆绞綄R聚的傳感器節(jié)點(diǎn)信息傳輸?shù)奖O(jiān)控中心；

能以短信的形式提示定期發(fā)送無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前狀態(tài)；

具備網(wǎng)關(guān)實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前系統(tǒng)所處的狀態(tài)（即狀態(tài)顯示功能）；

能負(fù)責(zé)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建與維護(hù)；

能接收監(jiān)控中心的采集命令，將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前信息發(fā)送到遠(yuǎn)程監(jiān)控中心；

能顯示接收節(jié)點(diǎn)的編號(hào)和能量狀態(tài)信息；

軟件需求上選用便于移植、可修改的嵌入式操作系統(tǒng)，支持TCP/IP協(xié)議棧，應(yīng)用層支持WSN數(shù)據(jù)的接收、協(xié)議轉(zhuǎn)換、轉(zhuǎn)發(fā)等功能。

六、結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的化工設(shè)備泄漏源定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案組網(wǎng)成本低，網(wǎng)絡(luò)易維護(hù)，將其用于化工設(shè)備泄漏檢測(cè)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)智能化管理，可對(duì)泄漏事故及時(shí)進(jìn)行處理，具有良好經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)可為工廠數(shù)字化管理提供一種嶄新的通訊平臺(tái)，具有廣闊的應(yīng)用前景以及社會(huì)效益。

[1]任豐源,黃海寧,林闖.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)[J].軟件學(xué)報(bào),2003，（12）.

[2]黃志強(qiáng),韓月霞,周茂.基于GPRS-Internet 的城市路燈遠(yuǎn)程監(jiān)控實(shí)現(xiàn)[J]．微計(jì)算機(jī)信息，2007,（01）.

[3]李露曦,鄢楚平.基于TinyOS 的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)[J]．微計(jì)算機(jī)信息，2008,（03）.

Research on Identification of Petrochemical Leakage Source Based on GPRS and Wireless Sensors

YUAN Ling-ling, ZHENG Yong-feng, LI Hong-sheng

（TianjinBohaiVocationalTechnicalCollege,Tianjin, 300402）

To identify the source of petrochemical leakage timely, this paper adopts the identification system of petrochemical leakage source based on GPRS and wireless sensors. This system is composed of monitor center, remote control terminal, and wireless sensor nodes. The wireless sensor module can collect, receive and send information data, and form the local network within a certain range to transmit data to the remote control terminal. The monitor center communicates with each remote control terminal through GPRS. Through simple software configuration, real time control and multiple-level control can be achieved to monitor the gas and liquid leakage and deal with leakage accidents immediately.

GPRS; wireless sensor network; source of leakage

2015-04-03

苑苓苓，女，天津市人，天津渤海職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系主任，副教授、高級(jí)工程師，研究方向：機(jī)電一體化、自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)科學(xué)；鄭永峰，男，河北省，天津渤海職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系副主任，副教授、高級(jí)工程師，研究方向：機(jī)電一體化、機(jī)械制造與自動(dòng)化；李紅升，男，天津市人，天津渤海職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師，研究方向：計(jì)算機(jī)、機(jī)電、自動(dòng)化、儀表等成套系統(tǒng)的研發(fā)、教學(xué)等工作。

TP393

A

1673-582X（2015）05-0099-04