【正文】 自去化工區(qū)進(jìn)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(jìn)行人工采樣實(shí)驗(yàn)室分析的方法進(jìn)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(jié)果具有嚴(yán)重的滯后性,難以滿足突發(fā)大氣環(huán)境污染事件應(yīng)急的需要。 但是它只能得到監(jiān)測現(xiàn)場某段時(shí)間內(nèi)被監(jiān)測氣體的平均濃度,不能夠提供實(shí)時(shí)值,且監(jiān)測結(jié)果受人為的影響很大,對有害氣體濃度很高的現(xiàn)場進(jìn)行監(jiān)測時(shí),現(xiàn)場擺放氣體吸收液會嚴(yán)重?fù)p害環(huán)境監(jiān)測人員的健康?；跓o線傳感器網(wǎng)絡(luò)的化工區(qū)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)采用多項(xiàng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)，通過在化工區(qū)形成了一個(gè)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(hù)將起到很大作用。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(dāng)今刻不容緩的難題。2009年4月24日，沈陽化工集團(tuán)一化工廠一車間在對設(shè)備檢修時(shí)，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(zāi)或者有毒、有害氣體泄漏，未對環(huán)境造成嚴(yán)重污染或威脅，倘若有氣體泄漏，造成的危害會更加嚴(yán)重。大量苯、硝基苯等物料流入松花江，造成松花江水體嚴(yán)重污染?；ぎa(chǎn)業(yè)一方面給我們的社會經(jīng)濟(jì)和人民生活水平起到了巨大的提高和促進(jìn)作用，另一方面也給人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成了極大的威脅。上位機(jī)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(jìn)行顯示和管理，不僅降低了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，提高了系統(tǒng)工作的實(shí)時(shí)性和可靠性，又實(shí)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(diǎn)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(jìn)行實(shí)時(shí)處理與分析，遠(yuǎn)程終端用戶可以通過Internet 實(shí)現(xiàn)對空氣質(zhì)量全天候的實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)報(bào)警，為空氣環(huán)境污染的防治提供決策支持。本項(xiàng)目對系統(tǒng)的傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)、節(jié)點(diǎn)監(jiān)測軟件、上位機(jī)監(jiān)控軟件等方面進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)。此系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(shí)時(shí)監(jiān)測的問題，在條件惡劣和無人堅(jiān)守的環(huán)境監(jiān)測和事件跟蹤中顯示了很大的應(yīng)用價(jià)值。在我國，安全生產(chǎn)，突發(fā)事件，環(huán)境處理等問題形式日益嚴(yán)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(yīng)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(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡是比較嚴(yán)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(shù)據(jù)，及時(shí)準(zhǔn)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(chǎn)中具有重要的研究意義。本項(xiàng)目采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它綜合了微電子技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無線通信技術(shù)和分布式信息處理技術(shù)等，能夠使這些先進(jìn)技術(shù)協(xié)同地實(shí)時(shí)監(jiān)測和采集網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中各種環(huán)境監(jiān)測對象的信息，并進(jìn)行處理，處理后的信息通過無線傳輸方式發(fā)送給終端設(shè)備。 人工取樣便攜式氣體分析儀另一種是采用國外進(jìn)口的自動化大氣環(huán)境監(jiān)測進(jìn)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(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)的功能及特點(diǎn)基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(guān)節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)通過GPRS網(wǎng)絡(luò)傳到基站，最后由基站進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、處理、總結(jié)，接著把總結(jié)出來的信息發(fā)布到網(wǎng)上。最后，介紹了本系統(tǒng)的功能及特點(diǎn)。傳感器節(jié)點(diǎn)主要功能是定時(shí)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(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，發(fā)送到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，最終將此數(shù)據(jù)傳送到基站監(jiān)控中心以便上位機(jī)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)中設(shè)有與傳感器節(jié)點(diǎn)中匹配的CC2420模塊，進(jìn)行無線短距離通信，同時(shí)也有與基站監(jiān)控中心進(jìn)行遠(yuǎn)程無線通信的GPRS模塊。傳感器節(jié)點(diǎn)通過網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)按照一定的工作模式向上位機(jī)傳送采集的數(shù)據(jù)，上位機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，一方面在主界面顯示傳感器節(jié)點(diǎn)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(jìn)行存儲。第三章 化工區(qū)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì) 傳感器節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)構(gòu)架 傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)框圖傳感器節(jié)點(diǎn)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。考慮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(zhuǎn)換芯片，將傳感器接收到的模擬量轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，再傳送到數(shù)據(jù)處理單元。ATmega128單片機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)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(biāo)即出現(xiàn)環(huán)境污染事故，報(bào)警指示燈會作出反應(yīng)，相應(yīng)的指示燈變亮?？紤]到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(shè)計(jì)的傳感器節(jié)點(diǎn)為低功耗的設(shè)備，所以我們采用電池盒供電。根據(jù)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(bǔ)償溫度：帶溫度補(bǔ)償響應(yīng)時(shí)間：15Sec產(chǎn)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(gè)傳感器就需要再買一塊傳感器子節(jié)點(diǎn)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(shù)據(jù)處理模塊設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)處理模塊是傳感器節(jié)點(diǎn)核心控制器件。選用AVR單片機(jī)，考慮到電路中I／O的個(gè)數(shù)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(bào)警指示燈的設(shè)計(jì) 報(bào)警指示燈設(shè)計(jì)電路 如上圖所示，我們采用四個(gè)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(lán)牙相類似，是一種新興的短距離無線技術(shù)。zigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)具有微型化、擴(kuò)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(shè)置可以控制清除通道估計(jì), 通過SFD管腳狀態(tài)的設(shè)置可以控制時(shí)鐘/ 定時(shí)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(shù)據(jù)幀+校驗(yàn)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(shè)置寄存器改變，采用16位CRC校驗(yàn)來提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?MAC 層為高層訪問物理信道提供了點(diǎn)到點(diǎn)通信的服務(wù)接口，具體功能是信標(biāo)管理、信道接入、時(shí)隙管理、發(fā)送確認(rèn)幀、發(fā)送連接及斷開連接請求。 應(yīng)用層主要為Zigbee技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用提供一些應(yīng)用框架模型等，以便對Zigbee技術(shù)進(jìn)行開發(fā)應(yīng)用。 時(shí)延短：休眠激活時(shí)延和活動設(shè)備接入信道時(shí)延均為 15 ms,典型的搜索設(shè)備時(shí)延為 30 ms，這便可以使系統(tǒng)有更多的睡眠時(shí)間，從而大大降低能量消耗。 免執(zhí)照頻段：采用直接序列擴(kuò)頻在 ISM (工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)療 )頻段 ,2. 4 GHz (全球 )、915 MHz (美國)樹狀和網(wǎng)狀868 MHz(歐洲 ),均為免執(zhí)照頻段。 MAC層采用了完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸模式，每個(gè)發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認(rèn)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(shí)CC2420是受控的。 CC2420接收數(shù)據(jù)時(shí)，它會從天線接收到射頻信號，首先經(jīng)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(jīng)過濾波和放大后，直接通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，后續(xù)的自動增益控制、信道的選擇、解擴(kuò)及同步等處理都是以數(shù)字信號的形式處理的。最后 ,經(jīng)過低通濾波和變頻混頻 ,并在能量放大器中進(jìn)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(dǎo)線，通過它來感應(yīng)空中電波。這樣做是為了避免化工區(qū)的污染物質(zhì)腐蝕電池，同時(shí)避免傳感器長時(shí)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(fù)責(zé)為網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)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(diǎn)是利用太陽能電池板實(shí)現(xiàn)可供高效蓄電池充電，這樣可以有效的解決此節(jié)點(diǎn)的能耗大問題，延長了此節(jié)點(diǎn)的有效工作時(shí)間。 GPRS模塊設(shè)計(jì)隨著信息技術(shù)的迅速發(fā)展，無線遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)得到了越來越廣泛的應(yīng)用，采用先進(jìn)的GPRS技術(shù)的無線傳輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，集計(jì)算機(jī)、通信等多種先進(jìn)技術(shù)于一體，成功實(shí)現(xiàn)了對數(shù)據(jù)的無線遠(yuǎn)程傳輸問題。它通過利用GSM網(wǎng)絡(luò)中未使用的TDMA信道，提供中速的數(shù)據(jù)傳遞。此外，在GSM phase 2 的標(biāo)準(zhǔn)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(cuò)誤保護(hù)（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(shí)現(xiàn)系統(tǒng)方案中的數(shù)據(jù)、語音傳輸、短消息服務(wù) (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(nèi)的語音、數(shù)據(jù)信號，并涵蓋了蜂窩射頻設(shè)備中的所有的模擬和數(shù)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(jī)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(fù)位電路組成。 啟動信號下降根據(jù)上面的分析，設(shè)計(jì)啟動部分的參考電路如下： 啟動電路圖，當(dāng)Power ON腳電壓由低變高時(shí)，電容C1被充電左負(fù)右正。顯然IGT腳在 POWERON腳電壓由低變高時(shí)處于低電平，GPRS模塊開機(jī)。由于電容電壓不能跳變，在開關(guān)投到b的瞬間，電容電壓仍為零。穩(wěn)態(tài)值是根據(jù)“電容相當(dāng)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(shù)據(jù)接口配置為8位數(shù)據(jù)位、1位停止位、無校驗(yàn)位，可以在300 bps115 kbps的波特率下運(yùn)行， kbps—115 kbps( kbps除外)。具有獨(dú)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(shè)計(jì)中為SIM卡布線時(shí)，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)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(hù)，則通話時(shí)音量很小。： MC35i與SIM卡的連接電路圖 電源模塊設(shè)計(jì)通過本節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)指標(biāo)參數(shù)可知，本節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(hù)措施,或電池本身的質(zhì)量問題等造成電池的自身放電,節(jié)點(diǎn)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(jī)控制電路，能夠DC─DC轉(zhuǎn)換，同時(shí)功能尚有升壓、降壓、穩(wěn)壓，并且能夠轉(zhuǎn)成負(fù)電壓。由于Q3（TB123），關(guān)閉E腳輸出電壓，停止供應(yīng)電壓給BT（電池）充電。在網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)中，主要圍繞GPRS模塊的硬件設(shè)計(jì)和太陽能電池對蓄電池充電電路展開的設(shè)計(jì)，并對相關(guān)的芯片做了詳細(xì)的介紹。同時(shí)，軟件還應(yīng)該具備可升級性，可擴(kuò)展性，可以根據(jù)不同的需求適應(yīng)不同的工作環(huán)境。在環(huán)境監(jiān)測應(yīng)用中，系統(tǒng)需要周期性獲得被監(jiān)測區(qū)域的空氣質(zhì)量（重點(diǎn)是SO2和NO2），同時(shí)當(dāng)被監(jiān)測區(qū)域敏感污染氣體超標(biāo)時(shí)要求傳感器節(jié)點(diǎn)能夠立即上傳數(shù)據(jù)，達(dá)到監(jiān)控的目的。應(yīng)用程序主要包括串口數(shù)據(jù)收發(fā)程序和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)處理程序。 系統(tǒng)上電后，初始化應(yīng)用程序，選定一個(gè)PANID作為協(xié)調(diào)器的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識，創(chuàng)建路由表，建立Zigbee網(wǎng)絡(luò)并通知其他節(jié)點(diǎn)加入。 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)主程序流程圖系統(tǒng)上電后，初始化應(yīng)用程序，選定一個(gè)PANID作為協(xié)調(diào)器的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識，創(chuàng)建路由表，建立Zigbee網(wǎng)絡(luò)并通知其他節(jié)點(diǎn)加入。協(xié)調(diào)器通過掃描空信道嘗試建立一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)。同理，一個(gè)節(jié)點(diǎn)要離開（Leave）網(wǎng)絡(luò)，只須向其父節(jié)點(diǎn)提出請求即可。在此期間，也可以向下發(fā)送命令。 當(dāng)協(xié)調(diào)器將網(wǎng)絡(luò)建立好之后，協(xié)調(diào)器在網(wǎng)絡(luò)中的作用與路由器相同。傳感器節(jié)點(diǎn)遵循睡眠 被喚醒 正常工作的工作模式。它的程序設(shè)計(jì)就是在終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)的功能基礎(chǔ)上再加上路由功能。為了降低功耗,終端節(jié)點(diǎn)選擇“睡眠—被喚醒—正常工作”的工作模式。任務(wù)完成后,節(jié)點(diǎn)將再次進(jìn)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(shù)據(jù)庫、人機(jī)界面、網(wǎng)絡(luò)和圖形等技術(shù)于一身,包含動態(tài)顯示、報(bào)警、控件、趨勢、及網(wǎng)絡(luò)通信等組件,提供一個(gè)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(yīng)用軟件。它還負(fù)責(zé)把數(shù)據(jù)的變化用動畫的方式形象地表示出來,同時(shí)完成變量報(bào)警、操作記錄、趨勢曲線等監(jiān)視功能,并生成歷史數(shù)據(jù)文件。在運(yùn)行期間，組態(tài)王可通過驅(qū)動接口和外部設(shè)備交換數(shù)據(jù)，包括采集數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)/指令。在數(shù)據(jù)庫中存放的是變量的當(dāng)前值，變量的集合稱為“數(shù)據(jù)詞典”，數(shù)據(jù)詞典記錄了所有用戶可使用的數(shù)據(jù)變量的詳細(xì)信息。在畫面上的圖形對象與數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)變量之間建立了一種特定的對應(yīng)關(guān)系。工程人員可根據(jù)系統(tǒng)需要設(shè)立1/0服務(wù)器、報(bào)警服務(wù)器、登錄服務(wù)器、WE