【正文】 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。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。 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?；跓o線傳感器網絡的化工區(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，為環(huán)保部門工作的展開提供依據，這對環(huán)境的保護將起到很大作用?？上攵諝馕廴疽呀洺蔀槿祟惿眢w健康的無形殺手，如何防治空氣污染，凈化我們的空氣已經成為當今刻不容緩的難題。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。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?；ぎa業(yè)一方面給我們的社會經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。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。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，通過基站傳輸數據到中央控制室的數據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。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。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。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。由此可知，化工區(qū)發(fā)生事故造成的經濟損失和人員傷亡是比較嚴重的。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)測數據，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。本項目采用無線傳感器網絡技術，它綜合了微電子技術、嵌入式計算技術、現(xiàn)代網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。 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。 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。 無線傳感器網絡監(jiān)測系統(tǒng)的功能及特點基于無線傳感器網絡的化工區(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)送到網關節(jié)點，網關節(jié)點通過GPRS網絡傳到基站，最后由基站進行數據分析、處理、總結，接著把總結出來的信息發(fā)布到網上。最后，介紹了本系統(tǒng)的功能及特點。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A/D轉換器轉換成數字信號，發(fā)送到網關節(jié)點，最終將此數據傳送到基站監(jiān)控中心以便上位機的實時監(jiān)控和進行數據統(tǒng)計。網關節(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。傳感器節(jié)點通過網關節(jié)點按照一定的工作模式向上位機傳送采集的數據，上位機對數據進行處理后，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據存入數據庫中進行存儲。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，即數據采集單元、數據處理單元、數據傳輸單元和電源模塊?？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字信號，再傳送到數據處理單元。ATmega128單片機對數據進行初步判斷后，將數據傳送到數據傳輸單元，如果此數據超標即出現(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。考慮到無線傳感器網絡在通信方面的功耗問題，本單元采用TI公司的zigbee 無線收發(fā)模塊CC2420芯片。由于我們所設計的傳感器節(jié)點為低功耗的設備，所以我們采用電池盒供電。根據化工區(qū)環(huán)境的主要有害氣體成分，本系統(tǒng)選擇了二氧化氮傳感器、二氧化硫傳感器、二氧化碳傳感器和硫化氫傳感器。濕度范圍：0～100%RH供電電壓：4～工作溫度：40～85℃補償溫度：帶溫度補償響應時間：15Sec產品精度：177?！妫?0176。假如傳感器是直接焊在電路板上的，那么更換一個傳感器就需要再買一塊傳感器子節(jié)點環(huán)境監(jiān)測模塊。： 傳感器接口與處理器的硬件電路連接圖 數據處理模塊設計數據處理模塊是傳感器節(jié)點核心控制器件。選用AVR單片機，考慮到電路中I／O的個數不多，功耗低、成本低、適合與無線器件接口配合等多方面因素，綜合對比后，選用Atmel公司的ATmega128。（3）報警指示燈的設計 報警指示燈設計電路 如上圖所示，我們采用四個不同顏色的指示燈表示四種不同的污染氣體。Zigbee, 在中國被譯為紫蜂,與藍牙相類似，是一種新興的短距離無線技術。zigBee網絡節(jié)點的設計具有微型化、擴展性和靈活性、穩(wěn)定性和安全性、低成本等要求。CC2420芯片的引腳介紹見附錄4。另外, 通過CCA管腳狀態(tài)的設置可以控制清除通道估計, 通過SFD管腳狀態(tài)的設置可以控制時鐘/ 定時信息的輸入。主要用于近距離無線連接。其MAC層的幀格式為：頭幀+數據幀+校驗幀；PHY層的幀格式為：同步幀+PHY頭幀+MAC幀，幀頭序列的長度可通過設置寄存器改變，采用16位CRC校驗來提高數據傳輸的可靠性。 MAC 層為高層訪問物理信道提供了點到點通信的服務接口，具體功能是信標管理、信道接入、時隙管理、發(fā)送確認幀、發(fā)送連接及斷開連接請求。 應用層主要為Zigbee技術的實際應用提供一些應用框架模型等，以便對Zigbee技術進行開發(fā)應用。 時延短：休眠激活時延和活動設備接入信道時延均為 15 ms,典型的搜索設備時延為 30 ms，這便可以使系統(tǒng)有更多的睡眠時間，從而大大降低能量消耗。 免執(zhí)照頻段：采用直接序列擴頻在 ISM (工業(yè)、科學、醫(yī)療 )頻段 ,2. 4 GHz (全球 )、915 MHz (美國)樹狀和網狀868 MHz(歐洲 ),均為免執(zhí)照頻段。 MAC層采用了完全確認的數據傳輸模式，每個發(fā)送的數據包都必須等待接收方的確認信息。CC2420通過簡單的四線(SI、SO、SCLK、CSn)與SPI兼容串行接口配置，這時CC2420是受控的。 CC2420接收數據時，它會從天線接收到射頻信號，首先經過低噪聲放大器(LowNOisoAmplifier，LNA)，然后正交下邊頻到2MHz的中頻，形成中頻信號的同相分量和正交分量，兩路信號經過濾波和放大后，直接通過模數轉換器轉換成數字信號，后續(xù)的自動增益控制、信道的選擇、解擴及同步等處理都是以數字信號的形式處理的。最后 ,經過低通濾波和變頻混頻 ,并在能量放大器中進行放大后交由天線發(fā)送。PCB引線天線是印制在電路板上的導線，通過它來感應空中電波。這樣做是為了避免化工區(qū)的污染物質腐蝕電池，同時避免傳感器長時間暴露在工作區(qū)而被雨淋灌水破壞電路的現(xiàn)象發(fā)生。電源模塊負責為網關節(jié)點提供能量，按工作模式可劃分為工作狀態(tài)和休眠狀態(tài)，本節(jié)點是利用太陽能電池板實現(xiàn)可供高效蓄電池充電，這樣可以有效的解決此節(jié)點的能耗大問題，延長了此節(jié)點的有效工作時間。 GPRS模塊設計隨著信息技術的迅速發(fā)展，無線遠程監(jiān)控技術得到了越來越廣泛的應用，采用先進的GPRS技術的無線傳輸網絡系統(tǒng)，集計算機、通信等多種先進技術于一體，成功實現(xiàn)了對數據的無線遠程傳輸問題。它通過利用GSM網絡中未使用的TDMA信道，提供中速的數據傳遞。此外，在GSM phase 2 的標準里，GPRS可以提供四種不同的編碼方式，這些編碼方式也分別提供不同的錯誤保護（Error Protection）能力。MC35i是Siemens公司推出的新一代無線通信GPRS模塊，可以快速安全可靠地實現(xiàn)系統(tǒng)方案中的數據、語音傳輸、短消息服務 (Short Message Service)和傳真。常用工作模式有省電模式、IDLE、TALK等模式。作為MC35i的核心，基帶處理器主要處理GSM終端內的語音、數據信號，并涵蓋了蜂窩射頻設備中的所有的模擬和數字功能?！?MC35I GPRS模塊電氣特性支持電壓范圍： ；電流消耗： mA（睡眠）、 mA（閑置）、300 mA (通話， A) 、100 μA（掉電）；◇ MC35I GPRS模塊輸出功率– 2W，for EGSM 900；– 1W，for GSM 1800；◇ MC35I GPRS模塊機械特性；尺寸: x 36 x mm；重量。 CS 1,2,3,4； GPRS: 最大 kbps。 MC35i芯片引腳l 啟動電路啟動電路由開漏極三極管和上電復位電路組成。 啟動信號下降根據上面的分析，設計啟動部分的參考電路如下： 啟動電路圖，當Power ON腳電壓由低變高時，電容C1被充電左負右正。顯然IGT腳在 POWERON腳電壓由低變高時處于低電平，GPRS模塊開機。由于電容電壓不能跳變，在開關投到b的瞬間，電容電壓仍為零。穩(wěn)態(tài)值是根據“電容相當于開路”而確定為Us的。其中：r=R總C+；R總=R1+R2=200Ω ；r=R總C+=200103 106=200 ms。數據接口配置為8位數據位、1位停止位、無校驗位，可以在300 bps115 kbps的波特率下運行， kbps—115 kbps( kbps除外)。具有獨特的177。如果FORCEON和/FORCEOFF引腳均為高電平，那么AutoPowerdown Plus功能失效。 該芯片的以上特性，滿足了MC35i作為移動終端的3路接收、5路發(fā)送電路連接要求。由于MC35i的接口電路使用了9針串口的全部引腳，使MC35i可以獲得DTR、DSR、DCD和RING控制信號。為了適合外部的SIM接口，該接口連接到主接口(ZIF連接器)。 在設計中為SIM卡布線時，發(fā)現(xiàn)了一個值得引起注意問題：如果將SIM卡的第四腳CCGND直接與印刷電路板的GND相連，不作任何信號的隔離保護，則通話時音量很小。： MC35i與SIM卡的連接電路圖 電源模塊設計通過本節(jié)點的設計指標參數可知，本節(jié)點的耗能較大，如果按照傳統(tǒng)做法采用普通干電池供電,由于電池容量有限,即使節(jié)點本身功耗極小,電池漏電流的存在也將大大縮短電池的壽命,特別是在較潮濕的環(huán)境中使用而未采用一定保護措施,或電池本身的質量問題等造成電池的自身放電,節(jié)點也將由于能量耗盡而很快失效。太陽能電池充電器采用MC34063芯片。 MC34063A為單片機控制電路，能夠DC─DC轉換，同時功能尚有升壓、降壓、穩(wěn)壓，并且能夠轉成負電壓。由于Q3（TB123），關閉E腳輸出電壓，停止供應電壓給BT（電池）充電。在網關節(jié)點節(jié)點硬件設計中，主要圍繞GPRS模塊的硬件設計和太陽能電池對蓄電池充電電路展開的設計，并對相關的芯片做了詳細的介紹。同時，軟件還應該具備可升級性，可擴展性，可以根據不同的需求適應不同的工作環(huán)境。在環(huán)境監(jiān)測應用中，系統(tǒng)需要周期性獲得被監(jiān)測區(qū)域的空氣質量（重點是SO2和NO2），同時當被監(jiān)測區(qū)域敏感污染氣體超標時要求傳感器節(jié)點能夠立即上傳數據，達到監(jiān)控的目的。應用程序主要包括串口數據收發(fā)程序和數據轉發(fā)處理程序。 系統(tǒng)上電后，初始化應用程序，選定一個PANID作為協(xié)調器的網絡標識，創(chuàng)建路由表，建立Zigbee網絡并通知其他節(jié)點加入。 網關節(jié)點主程序流程圖系統(tǒng)上電后，初始化應用程序，選定一個PANID作為協(xié)調器的網絡標識，創(chuàng)建路由表，建立Zigbee網絡并通知其他節(jié)點加入。協(xié)調器通過掃描空信道嘗試建立一個新的網絡。同理，一個節(jié)點要離開（Leave）網絡，只須向其父節(jié)點提出請求即可。在此期間，也可以向下發(fā)送命令。 當協(xié)調器將網絡建立好之后，協(xié)調器在網絡中的作用與路由器相同。傳感器節(jié)點遵循睡眠 被喚醒 正常工作的工作模式。它的程序設計就是在終端設備節(jié)點的功能基礎上再加上路由功能。為了降低功耗,終端節(jié)點選擇“睡眠—被喚醒—正常工作”的工作模式。任務完成后,節(jié)點將再次進入睡眠狀態(tài)。它以Windows2000、WindowsXP、WindowsNT中文操作系統(tǒng)作為其操作平臺，并集控制、數據庫、人機界面、網絡和圖形等技術于一身,包含動態(tài)顯示、報警、控件、趨勢、及網絡通信等組件,提供一個友好的用戶界面,使用戶在不需要編什么程序代碼的情況下便可生成自己需要的應用軟件。它還負責把數據的變化用動畫的方式形象地表示出來,同時完成變量報警、操作記錄、趨勢曲線等監(jiān)視功能,并生成歷史數據文件。在運行期間，組態(tài)王可通過驅動接口和外部設備交換數據，包括采集數據和發(fā)送數據/指令。在數據庫中存放的是變量的當前值，變量的集合稱為“數據詞典”，數據詞典記錄了所有用戶可使用的數據變量的詳細信息。在畫面上的圖形對象與數據庫的數據變量之間建立了一種特定的對應關系。工程人員可根據系統(tǒng)需要設立1/0服務器、報警服務器、登錄服務器、WE