【正文】 基于無線傳感器網(wǎng)絡的化工區(qū)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)研究報告 摘 要基于無線傳感器網(wǎng)絡的化工區(qū)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)研究報告摘 要本文針對當前環(huán)境監(jiān)測中面臨的監(jiān)測點分散、布線困難和實時性差等特點，研制了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡（Wireless Sensor Networks ,WSN）的化工區(qū)空氣環(huán)境遠程實時監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)的主要功能是：分布在化工廠區(qū)域的傳感器節(jié)點采集空氣環(huán)境參數(shù)，通過基站傳輸數(shù)據(jù)到中央控制室的數(shù)據(jù)中心進行實時處理與分析，遠程終端用戶可以通過Internet 實現(xiàn)對空氣質量全天候的實時監(jiān)測，并對污染等突發(fā)事件和環(huán)境急劇變化所影響的區(qū)域的空氣環(huán)境狀況實時報警，為空氣環(huán)境污染的防治提供決策支持。本項目對系統(tǒng)的傳感器節(jié)點設計、網(wǎng)關節(jié)點設計、節(jié)點監(jiān)測軟件、上位機監(jiān)控軟件等方面進行了詳細的設計。在系統(tǒng)結構上采用傳感器節(jié)點、基站節(jié)點、數(shù)據(jù)處理監(jiān)控中心的三層結構。 傳感器節(jié)點的系統(tǒng)設計技術是組建無線傳感器網(wǎng)絡的關鍵技術之一，本文首先研究了無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的系統(tǒng)設計與實現(xiàn)方法，分別闡述了傳感器板和基站節(jié)點板的硬件設計，并詳細討論了基于ATmega128和CC2420芯片數(shù)據(jù)采集電路、通信電路設計和監(jiān)控軟件結構等構成，最后給出了I/O擴展接口的設計；基站與上位機的通信采用GPRS無線收發(fā)模塊，有效地解決了數(shù)據(jù)傳輸距離的限制；設計了一種太陽能自供電的ZigBee無線傳感器監(jiān)測節(jié)點, 可以為系統(tǒng)無限制的提供能量；, 有效的提高傳輸?shù)姆€(wěn)定性及可靠性。上位機采用工業(yè)組態(tài)軟件KINGVIEW對化工區(qū)現(xiàn)場的環(huán)境信息進行顯示和管理，不僅降低了系統(tǒng)設計的復雜性，提高了系統(tǒng)工作的實時性和可靠性，又實現(xiàn)了界面的友好。此系統(tǒng)的設計成功，不但有效地克服了傳統(tǒng)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的低可靠性問題, 而且增加了新的監(jiān)測功能，很好地解決了化工區(qū)環(huán)境實時監(jiān)測的問題，在條件惡劣和無人堅守的環(huán)境監(jiān)測和事件跟蹤中顯示了很大的應用價值。關鍵詞：環(huán)境監(jiān)測 無線傳感器網(wǎng)絡 低功耗 GPRS 組態(tài)軟件不要刪除行尾的分節(jié)符，此行不會被打印 69 第五章 工作總結目錄摘 要 I第一章 緒 論 5 項目研發(fā)及背景意義 5 化工區(qū)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展前景 6 無線傳感器網(wǎng)絡監(jiān)測系統(tǒng)的功能及特點 7 本章小結 8第二章 化工區(qū)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設計 9 化工區(qū)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)構架 9 傳感器節(jié)點 10 網(wǎng)關節(jié)點 10 上位機監(jiān)控中心 11 本章小結 12第三章 化工區(qū)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的硬件設計 13 傳感器節(jié)點設計 13 傳感器節(jié)點的系統(tǒng)構架 13 數(shù)據(jù)采集模塊設計 15 數(shù)據(jù)處理模塊設計 19 zigbee無線數(shù)據(jù)傳輸模塊設計 22 電源模塊設計 26 網(wǎng)關節(jié)點設計 27 網(wǎng)關節(jié)點的系統(tǒng)構架 27 CC2420模塊設計 28 微處理器模塊的設計 28 GPRS模塊設計 28 電源模塊設計 35 本章小結 38第四章 化工區(qū)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的軟件設計 39 無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)的軟件設計 39 軟件開發(fā)環(huán)境介紹 39 軟件設計功能分析 39 網(wǎng)關的軟件設計 39 終端設備節(jié)點的軟件設計 42 路由器節(jié)點的軟件設計 43 終端節(jié)點低功耗軟件設計 44 上位機監(jiān)控軟件設計 45 監(jiān)控軟件開發(fā)環(huán)境介紹 45 45 上位機監(jiān)控軟件設計 47 本章小結 52第五章 工作總結 53參考文獻 54致 謝 55附錄1 目前化工區(qū)在線環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng) 56附錄2 傳感器節(jié)點總體硬件設計圖 57附錄3 CC2420芯片48引腳及其功能介紹 58附錄4 AT指令集指令簡編 61附錄5 采用MC35i模塊的GPRS 67附錄6 太陽能電池電路 68第一章 緒 論 項目研發(fā)及背景意義化工生產的出現(xiàn)是社會發(fā)展、科技進步、人類文明提高到一定程度的標志，是現(xiàn)代化生產的重要領域，也是當今工業(yè)發(fā)達的重要體現(xiàn)。隨著我國經(jīng)濟的快速增長，化學工業(yè)也在飛速發(fā)展，隨之而來的是化工事故發(fā)生的頻率不斷增大，造成了大量的人員傷亡和嚴重的經(jīng)濟損失，甚至造成不良的政治影響?；ぎa業(yè)一方面給我們的社會經(jīng)濟和人民生活水平起到了巨大的提高和促進作用，另一方面也給人民群眾的生命財產安全構成了極大的威脅。在我國，安全生產，突發(fā)事件，環(huán)境處理等問題形式日益嚴峻。我國是一個化工業(yè)發(fā)展大國，由于工作設備相對落后，管理水平水平欠缺，環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)未完善等原因，引起的化工事故頻繁發(fā)生，造成重大的經(jīng)濟損失和人員傷亡，環(huán)境問題也日益惡化。2005年11月13日，中石油吉林石化分公司雙苯廠苯胺二車間操作人員違反操作規(guī)程，發(fā)生爆炸事故，造成8人死亡。大量苯、硝基苯等物料流入松花江，造成松花江水體嚴重污染。2006年1月6日，浙江省紹興市上虞市長征化工有限公司六氯車間一反應釜發(fā)生爆炸事故，造成2人死亡。2008年8月26日，廣西宜州一家化工廠發(fā)生爆炸，據(jù)稱爆炸車間儲存著甲醇等化工原料。爆炸事故造成16人死亡（其中有2人身份無法確定，可能是失去聯(lián)系人員），另有6人失去聯(lián)系，醫(yī)院收治傷員60人。2009年4月24日，沈陽化工集團一化工廠一車間在對設備檢修時，一蒸汽水罐的蓋子突然爆炸，造成4人死亡,所幸的是未造成火災或者有毒、有害氣體泄漏，未對環(huán)境造成嚴重污染或威脅，倘若有氣體泄漏，造成的危害會更加嚴重。由此可知，化工區(qū)發(fā)生事故造成的經(jīng)濟損失和人員傷亡是比較嚴重的。據(jù)預測，到2020年全世界死于空氣污染的人數(shù)將達到800萬。目前我國11個最大城市中，空氣中的煙塵和細顆粒物每年使5萬人夭折，40萬人感染上慢性支氣管炎。可想而知，空氣污染已經(jīng)成為人類身體健康的無形殺手，如何防治空氣污染，凈化我們的空氣已經(jīng)成為當今刻不容緩的難題。針對我國化工區(qū)環(huán)境現(xiàn)狀，我們必須得到全面的監(jiān)測數(shù)據(jù)，及時準確的監(jiān)測出空氣污染物含量的含量，采取有效地處理措施，在可持續(xù)發(fā)展生產中具有重要的研究意義。保護人們的身體健康，實現(xiàn)化工區(qū)發(fā)生事故前的科學預防，事故后科學處理，最大限度地減少人員傷亡和經(jīng)濟財產的損失，從而減少了化工區(qū)事故的發(fā)生具有重要的意義。因此研制一種能在突發(fā)空氣污染物泄漏或惡劣環(huán)境下，替代工作人員執(zhí)行環(huán)境監(jiān)測，同時能得到準確及時數(shù)據(jù)等的系統(tǒng)顯得尤為的迫切而必要?；跓o線傳感器網(wǎng)絡的化工區(qū)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)采用多項創(chuàng)新設計，通過在化工區(qū)形成了一個立體的監(jiān)測網(wǎng)，為環(huán)保部門工作的展開提供依據(jù)，這對環(huán)境的保護將起到很大作用。本項目采用無線傳感器網(wǎng)絡技術，它綜合了微電子技術、嵌入式計算技術、現(xiàn)代網(wǎng)絡及無線通信技術和分布式信息處理技術等，能夠使這些先進技術協(xié)同地實時監(jiān)測和采集網(wǎng)絡覆蓋區(qū)域中各種環(huán)境監(jiān)測對象的信息，并進行處理，處理后的信息通過無線傳輸方式發(fā)送給終端設備。傳感器能保證數(shù)據(jù)的精確采集，無線通信技術能保證數(shù)據(jù)的可靠、及時的傳送等，這種技術能夠很好地解決目前化工區(qū)的環(huán)境監(jiān)測問題。 化工區(qū)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展前景環(huán)境監(jiān)測是環(huán)境保護的基礎,其目的是為環(huán)境保護提供科學決策的依據(jù),目前我國對化工區(qū)環(huán)境的監(jiān)測主要采用兩種方法:一種是傳統(tǒng)人工取樣實驗室分析的方法。 但是它只能得到監(jiān)測現(xiàn)場某段時間內被監(jiān)測氣體的平均濃度,不能夠提供實時值,且監(jiān)測結果受人為的影響很大,對有害氣體濃度很高的現(xiàn)場進行監(jiān)測時,現(xiàn)場擺放氣體吸收液會嚴重損害環(huán)境監(jiān)測人員的健康。 人工取樣便攜式氣體分析儀另一種是采用國外進口的自動化大氣環(huán)境監(jiān)測進行在線監(jiān)測的方法。但也存在所用設備結構復雜、價格昂貴、國產化率低、難以維護、運營成本高等缺陷，很難在全國大范圍內普及。同時其工作環(huán)境苛刻,一旦建站地點確定后就很難再次移動,這就限制了工廠的擴建、改建等發(fā)展的要求，對化工區(qū)環(huán)境進行監(jiān)測具有不靈活性。特別是對目前頻發(fā)的有毒有害氣體泄漏等突發(fā)的環(huán)境污染事件的監(jiān)測,自動化空氣環(huán)境監(jiān)測站更是顯得力不從心,面對這樣的突發(fā)化工區(qū)環(huán)境污染事件,環(huán)境監(jiān)測人員就不得不采取在突發(fā)現(xiàn)場進行人工采樣實驗室分析的方法進行監(jiān)測,這樣不但危害環(huán)境監(jiān)測人員的健康和安全,而且監(jiān)測結果具有嚴重的滯后性,難以滿足突發(fā)大氣環(huán)境污染事件應急的需要。 目前環(huán)境在線監(jiān)測儀目前化工區(qū)在線環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)見附錄1。針對化工區(qū)監(jiān)測系統(tǒng)存在隱患與弊端?，F(xiàn)代化、安全可靠、高效的、價格低廉空氣環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的研制勢在必行?；跓o線傳感器網(wǎng)絡的化工區(qū)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)研究將有效地解決化工區(qū)域環(huán)境監(jiān)測難的問題，可以檢測得到及時有效的數(shù)據(jù)，又能做到監(jiān)測方法安全簡便可靠，同時不用環(huán)境監(jiān)測人員親自去化工區(qū)進行監(jiān)測，種種的原因是我們研制此環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的目的，此監(jiān)測系統(tǒng)的研制將在化工區(qū)環(huán)境監(jiān)測中起著越來越重要作用。 無線傳感器網(wǎng)絡監(jiān)測系統(tǒng)的功能及特點基于無線傳感器網(wǎng)絡的化工區(qū)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)具有信息感知系統(tǒng)，通過在化工區(qū)安裝多種傳感器能夠檢測出污染氣體的種類、污染氣體的含量和溫度再把收集到的信息通過無線傳輸發(fā)送到網(wǎng)關節(jié)點，網(wǎng)關節(jié)點通過GPRS網(wǎng)絡傳到基站，最后由基站進行數(shù)據(jù)分析、處理、總結，接著把總結出來的信息發(fā)布到網(wǎng)上。本系統(tǒng)的顯著特點是：巧合地利用了無線數(shù)據(jù)傳播技術，解決了化工區(qū)空氣環(huán)境監(jiān)測的布線難問題；利用太陽能電源裝置給接點充電電池充電,并用電池電壓測量單元對充電電池電壓進行監(jiān)測,當?shù)陀谀硞€閾值時,控制太陽能電池板給充電電池充電,直到電壓高于某值時,切斷太陽能電池板對充電電池的充電，解決了監(jiān)測接點的電源供應問題。 本章小結本章通過對國內化工區(qū)環(huán)境污染事故造成的嚴重危害，展開了關于化工區(qū)環(huán)境監(jiān)測的論述，闡述了此項目的研發(fā)背景和研究意義。同時，針對目前我國在化工區(qū)環(huán)境監(jiān)測方面的現(xiàn)狀引入了基于無線傳感器網(wǎng)絡的化工區(qū)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，并做了簡要介紹。最后，介紹了本系統(tǒng)的功能及特點。第二章 化工區(qū)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設計 化工區(qū)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)構架本系統(tǒng)采用PC機作為基站監(jiān)控中心上位機，基于AVR系列ATmega128處理器的開發(fā)平臺作為下位機，由傳感器節(jié)點采集化工區(qū)環(huán)境信息，經(jīng)Zigbee無線網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)傳送到網(wǎng)關節(jié)點，再經(jīng)網(wǎng)關節(jié)點轉發(fā)，將所采集的信息通過GPRS無線網(wǎng)絡傳送到基站的上位機中，經(jīng)過上位機軟件的在線監(jiān)測，實現(xiàn)對化工區(qū)環(huán)境的實時監(jiān)視。 化工區(qū)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)框圖基于無線傳感器網(wǎng)絡的化工區(qū)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)由三部分組成：無線網(wǎng)絡的傳感器節(jié)點、無線傳輸?shù)木W(wǎng)關節(jié)點和進行實時監(jiān)測的基站監(jiān)控中心。 化工區(qū)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)模擬圖 傳感器節(jié)點傳感器節(jié)點是無線傳感器網(wǎng)絡的基本組成部分。傳感器節(jié)點主要功能是定時采集化工區(qū)環(huán)境中排放有害氣體的濃度、濕度、溫度等信息，并把該信息經(jīng)A/D轉換器轉換成數(shù)字信號，發(fā)送到網(wǎng)關節(jié)點，最終將此數(shù)據(jù)傳送到基站監(jiān)控中心以便上位機的實時監(jiān)控和進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計。同時，此節(jié)點也接收基站監(jiān)控中心經(jīng)網(wǎng)關節(jié)點發(fā)送的命令，使相應節(jié)點進行數(shù)據(jù)采集，并將采集的信息經(jīng)原路傳送到監(jiān)控中心。當采集數(shù)據(jù)比數(shù)據(jù)設定值高時，即數(shù)據(jù)超標出現(xiàn)污染事故時，不論此節(jié)點處于何種工作模式下，此節(jié)點會立即進入工作模式，向上級發(fā)送超標數(shù)據(jù)，以便基站監(jiān)控中心采取有效措施進行處理，同時此節(jié)點也有相應的報警指示電路，提示有污染事件發(fā)生，提醒工作人員給予及時的處理。 網(wǎng)關節(jié)點網(wǎng)關節(jié)點是化工區(qū)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的重要模塊，有兩種工作模式，即工作模式和休眠模式，主要負責傳感器節(jié)點與基站監(jiān)控中心的信息連接。網(wǎng)關節(jié)點中設有與傳感器節(jié)點中匹配的CC2420模塊，進行無線短距離通信，同時也有與基站監(jiān)控中心進行遠程無線通信的GPRS模塊。當網(wǎng)關節(jié)點收到傳感器節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)時，網(wǎng)關節(jié)點進入工作模式，處理器進行快速處理，將該數(shù)據(jù)傳送給基站監(jiān)控中心，數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后，此節(jié)點立即進入休眠模式。當網(wǎng)關節(jié)點收到基站控制中心發(fā)來的命令時，網(wǎng)關節(jié)點進入工作模式，經(jīng)處理器處理后，將命令發(fā)送給相應的傳感器節(jié)點，等待接收傳感器節(jié)點的信息數(shù)據(jù)，并轉發(fā)給基站監(jiān)測中心，一定時間后進入休眠模式。 上位機監(jiān)控中心化工區(qū)環(huán)境監(jiān)測的數(shù)據(jù)顯示、報警、處理、打印等功能主要是依靠以PC機作為上位機的監(jiān)測控制來實現(xiàn)的。傳感器節(jié)點通過網(wǎng)關節(jié)點按照一定的工作模式向上位機傳送采集的數(shù)據(jù)，上位機對數(shù)據(jù)進行處理后，一方面在主界面顯示傳感器節(jié)點終端的環(huán)境信息，另一方面將此信息數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫中進行存儲。在對環(huán)境信息進行分析比較時，可以將數(shù)據(jù)庫中信息讀出，并顯示在歷史記錄查詢界面或歷史日志查詢界面。主界面的傳感器節(jié)點終端列表定時更新傳感器節(jié)點終端的具體信息。 上位機數(shù)據(jù)處理流程圖、 本章小結 本章首先對化工區(qū)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)結構進行了闡述，然后圍繞總體框架結構，對每一個子系統(tǒng)結構，即傳感器節(jié)點、網(wǎng)關節(jié)點和上位機控制中心進行了總體描述和簡要說明。第三章 化工區(qū)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的硬件設計 傳感器節(jié)點設計 傳感器節(jié)點的系統(tǒng)構架 傳感器節(jié)點設計框圖傳感器節(jié)點共有四大部分組成，即數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)處理單元、數(shù)據(jù)傳輸單元和電源模塊。傳感器節(jié)點的硬件電路連接圖見附錄2。數(shù)據(jù)采集單元：主要功能是采集空氣污染物濃度信息，其中包括采集氮氧化合物（NO2）、二氧化硫（SO2）、二氧化碳(CO2)、硫化氫(H2S)等幾種有害氣體污染物。在此單元中傳感器與處理器之間采用傳感器接口實現(xiàn)連接，避免了當傳感器使用壽命終止而此節(jié)點報廢的狀況?？紤]到傳感器采集到的信息為模擬量，因此需要在傳感器接口與處理器之間增加一片A/D轉換芯片，將傳感器接收到的模擬量轉化成數(shù)字信號，再傳送到數(shù)據(jù)處理單元。數(shù)據(jù)處理單元：主要功能是對傳感器采集的數(shù)據(jù)進行初步的處理，并將此數(shù)據(jù)傳送到數(shù)據(jù)傳輸單元。此單元由處理器、內存、應用程序及報警指示燈構成。處理器采用的是AT公司的AVR系列ATmega128型芯片。ATmega128單片機對數(shù)據(jù)進行初步判斷后，將數(shù)據(jù)傳送到數(shù)據(jù)傳輸單元，如果此數(shù)據(jù)超標即出現(xiàn)環(huán)境污染事故，報警指示燈會作出反應，相應的指示燈變亮。四盞指示燈的顏色分別為：藍、綠、黃、紅四種，順次表示其所對應二氧化氮、二氧化硫、二氧化碳和硫化氫四種有害氣體。同時，本單元可以數(shù)據(jù)傳輸單元接收到經(jīng)網(wǎng)關節(jié)點轉發(fā)的上位機控制命令，進行命