面向冶金廢氣監測的無線傳感器網絡系統

祝新鵬，皇甫偉，邢 奕，張中山

(北京科技大學a．計算機與通信工程學院;b．北京市融合網絡與泛在業務工程技術研究中心;c．土木與環境工程學院，北京100083)

1 概述

作為國民經濟的基礎產業之一，中國鋼鐵工業在近年來處于高速增長階段，鋼產量在總體上保持持續增長的態勢。然而鋼鐵冶金企業也是資源消耗的大戶，近十年來鋼鐵冶金能源消費量占全國總能源消費量的比重一直在12% ～15%之間，鋼鐵工業單位增加值能耗是全部工業能耗平均值的3倍以上。在大量能源消耗的同時，鋼鐵冶金企業在生產過程中同時大量形成廢氣、廢水、廢渣等對環境有害的排放物［1］。

環境問題是21世紀人類面臨的重大挑戰之一。我國快速發展的工業以及環境保護措施的相對滯后使得自然生態和人類健康都受到了危害。根據Thomas Harwood的統計，全世界污染最為嚴重的20個城市中，中國占了16個［2-3］。2013年1月 ～2013年2月，京津冀區域出現了本世紀以來最嚴重的持續空氣污染事件，據中國科學院大氣物理研究所監測數據統計，僅1月份就發生5次強霾污染［4］。華北地區成為全球空氣污染最嚴重的地區之一，僅河北省的鋼鐵產量就占到全國鋼鐵產量的四分之一［5］，大量小型鋼鐵冶金企業產生的廢氣排入大氣中，對環境造成嚴重破壞。環境問題已經引起了全民重視，成為政府、工業界、學術關注的熱點。

無線傳感器網絡可以對冶金工業環境監測提供良好的支持。無線傳感器網絡由部署在監測區域內的固定或移動傳感節點設備組成，它們可以通過多種方式形成無線網絡進行數據通信，監測網絡覆蓋區域內的傳感信息并無線傳輸給觀察監測人員［6-7］。無線傳感器網絡具有廣闊的發展前景，它的應用領域包括環境監測、智能建筑、家居、醫療領域等［8-10］。

本文討論面向冶金廢氣的無線傳感器網絡系統的設計和實現，并通過在北京市、河北省石家莊市、唐山市等地的實地監測檢驗了系統的運行情況。

2 相關研究

近些年來，在傳感器、微電子和無線網絡領域的一些科技進步使得可以自動監測的無線傳感器網絡應用到多個領域。為了把無線傳感器網絡應用到真實的環境監測中，人們在以下方面進行了研究:系統需求設計，系統構造，節點硬件設計，傳感網的設計，遠程數據獲取和管理的能力。帶有低頻聲音傳感器的無線傳感器網絡曾被利用監測火山噴發［11］。2004年，無線傳感器網絡被部署在厄瓜多爾一座名為Volcan Tingurahua的活火山上，負責收集次聲波信號并把數據傳輸到遠端基站。收集和分析結構對周圍刺激的反映，例如結構監測，也是無線傳感器網絡的一個重要應用。無線傳感器網絡在結構數據獲取中的設計和評估在文獻［12］中有詳細討論。另一個具有前景的應用領域是人體健康監測［13-15］。一個人體無線傳感器網絡由許多按一定策略安置于人體的小型無線傳感器組成［16］。這種網絡可以監測人體許多重要的信號，為使用者和醫務人員提供實時反饋。人體無線傳感器網絡將會給健康監測帶來革命化的改變［17］。

傳感器和無線傳感器網絡已經在氣體監測中應用，為了在食品工業中對肉的新鮮程度進行質量保證，利用了多種氣體傳感器對其進行監測［18-19］。對于氣體監測應用來說，氣體傳感器是一個重要的器件［20］。氣體傳感器于20世紀50年代發明，它最初應用于氧氣監測，現在已經發展到可以監測多種氣體和化合物。氣體傳感器主要包括催化燃燒式傳感器、半導體式傳感器、電化學式傳感器和紅外線式傳感器等種類。文獻［21-22］中介紹了多種先進傳感器，對未來在多種監測場合的應用提供了可能。

冶金行業是國民經濟重要的基礎原材料工業，其制造體系龐雜，涉及大量的物質、能量轉換過程，產生的多種廢棄物及多形式的排放過程都對環境造成了不同層次和程度的影響。冶金工業可分為鋼鐵冶金和有色冶金，有色冶金涉及到的有色金屬種類較多，冶煉方法多種多樣，較多采用的是火法冶煉和濕法冶煉。火法精煉作業過程會產生大量的SO2和煙塵，濕法冶煉中廢氣主要是由電解槽產生的含酸或者氨霧的廢氣［23］。聯合鋼鐵廠的生產則涉及一系列工序，每道工序都帶有不同的投料，并排出各種各樣的殘料和廢物，其中液態的有廢水及其所含的SS、油、氨氮、酚、氰等有毒有害物質;氣態的 CO2，SO2，NOx，H2S，CO以及VOC與煙塵等顆粒物;固態的有塵泥、高爐渣、轉爐渣、氧化鐵皮與耐火材料等［24］。

3 系統總體結構

冶金氣體排放監測具有一些自己的特點。首先，它的監測范圍更加廣泛，冶金工廠往往具有較大的廠區面積，一個年產300萬噸鋼的聯合鋼鐵廠占地就要4 km2～8 km2。監測區域要覆蓋整個廠區。由于風和氣流會影響廢氣的流動，因此廠區周圍也應在監測區域內。其次，監測的傳感器類型較多，冶金工業的廢氣包括 CO，CO2，NO，NO2，SO2，H2S 等多種氣體，不同的氣體需要用不同的傳感器來檢測。與其他環境要素中的污染物質相比，大氣中的污染物質具有隨時間、空間變化大的特點。因此，除了監測工業廢氣外，還要監測廠區內外的風向風速和空氣溫濕度等信息，以便判斷氣體污染物在大氣中的擴散狀況。其次，污染氣體監測對傳感器的精度和準確性要求較高。一般的大氣監測基站使用紅外式氣體傳感器，具有很高的精度，但是往往成本較高，體積較大，不適合規模化的布置。因此，需要綜合考慮使用環境和成本等因素選取最為合適的傳感器。最后，監測應該長期進行。冶金企業排放的氣態污染物的種類和濃度往往會隨時間而變化，氣象條件的改變可能造成同一污染物在同一地點的濃度相差數10倍，因此，必須對氣態污染物進行長時間連續監測，記錄變化情況。綜合這幾點，冶金企業氣態污染物的監測要根據污染物的種類、時間和空間分布特點進行合理的規劃。

根據這些要求，無線傳感器網絡系統由具有遠距離無線傳輸功能的監測節點和遠程數據中心組成，總體結構示意圖如圖1所示。

圖1 無線傳感器網絡系統總體結構示意圖

因為監測要覆蓋較大的區域，監測節點不僅部署于廠區內，還要根據空間特點在廠區周圍的近廠區和遠離廠區的遠廠區部署適當節點。監測節點負責采集、處理和發送采集到的各種傳感信息，無線傳輸到遠程數據中心，遠程監測人員通過上層監測軟件可以實時了解被監測區域的情況。在某些情況下，監測人員不在監測中心，比如處于廠外監測點附近現場了解空氣環境和氣態污染物排放狀況，監測人員還可以通過手機給監測點發送指令，了解監測點的傳感信息，實現監測的靈活性。

4 系統設計

4．1 節點設計

監測節點由4個部分組成，分別是傳感模塊、微型處理器模塊、通信模塊、供電模塊和全球定位系統模塊。結構示意圖如圖2所示。針對監測的傳感器類型較多的需要，設計了標準化傳感器卡槽、統一傳感器接口，每一個卡槽可以接入一個有標準接口的傳感器，實現所有傳感器的可更換，便于監測節點接入不同的傳感器來適合不同廠區環境下對不同氣體污染物種類監測的需求，同時避免嵌入式傳感器出現故障后不易更換的缺點，實現監測節點的可拓展性。傳感模塊具有8個傳感器卡槽，最多可同時實現8路模擬量信息和2路I2C信息的采集，可以滿足冶金企業主要廢氣種類的監測。

圖2 監測節點組成結構

在具體的傳感器種類上，選擇了著名的英國City公司和德國Solodsense公司的電化學式傳感器。與昂貴而又不方便的紅外線式氣體傳感器相比，選擇的電化學式傳感器不僅性價比更高，體積更小，還具有高精度和準確性的特點，工作可靠性高，能夠靈活地工作在冶金企業廠區等較惡劣的工作環境，適合在多個監測節點中安裝使用。

微型中央處理器單元采用了基于ARM7內核的AT91SAM7S64微處理器，它具有高性能的32位RISC架構，高密度的16位指令集，64 KB的高速Flash和16 KB的SRAM，此外它還具有豐富的外設資源，包括1個USB接口，2個USART口，為節點的設計提供了豐富的資源。作為節點的核心，微型處理器單元將傳感器采集到的信息進行初步處理并控制通信模塊進行傳輸。

監測節點采用了 GPRS模塊進行通信，與ZigBee，WiFi等通信方式相比，GPRS模塊突破了監控節點無線傳輸距離的限制，只要有移動電話信號覆蓋的地方即可以實現數據的傳輸，可以很好地實現冶金廠區監測范圍較大的需要。它通過UART接口與微處理器相連進行數據和控制信息的交換。選擇了帶有外置天線的SIM900A模塊，它采用工業標準接口，工作頻率為900 MHz/1 900 MHz，內嵌TCP/IP協議，可以低功耗實現語音、短信，數據和傳真信息的傳輸，睡眠模式下功耗僅為1．5 mA。

多種類型的傳感器和GPRS模塊是整個監測節點功耗的主要部分，但是對于廠區和廠外一些環境下，用有線電源進行供電很不方便，也會限制節點的可移動性，于是供電方式上采用了太陽能與蓄電池相結合的方式。太陽能電池板輸出功率為10 W，蓄電池容量為5 AH，12 V，在發電效率μ為80%情況下，蓄電池充滿需用時:(Pm=10 W;Ch=5 AH;Um=12 V)，可以滿足傳輸數據時最大電流90 mA的GPRS模塊連續傳輸數據55．6 h。由于采用了周期性工作方式，在不工作時GPRS處于休眠狀態，進一步降低了功耗，因此這種太陽能充電式的供電方式可以保證監測節點的連續工作，實現對監測區域的不間斷監測。

此外，監測節點配備了外置GPS模塊，可以實現對節點的定位，幫助監測人員部署和記錄節點的位置信息，從而區分不同的監測區域，掌握不同的監測區域的傳感信息變化，及時作出相應的對策。節點PCB板實物圖如圖3所示。

圖3 監測節點PCB實物圖

4．2 軟件設計

4．2．1 節點下位機軟件設計

監測節點下位機軟件在設計上分為3層:底層驅動函數，上層功能函數和應用層函數。只有底層驅動函數與硬件直接相關，底層函數包括對寄存器的操作和一些硬件初始化功能，上層功能函數完成對微型中央處理器主要功能的實現，應用層函數通過程序接口實現對功能函數的控制，最終實現對節點的控制。這種設計體現了軟硬件分離的思想，一旦監測節點的硬件需要升級，只需要修改或替換相應的底層驅動函數就可以了，便于將軟件系統移植到其他平臺。在功能上軟件主要實現以固定周期采集和發送傳感信息。上電初始化后，監測節點開始GSM和GPRS通信的初始化工作，申請加入移動網絡，與數據中心相連。與數據中心建立連接后，開始傳感信息的采集和發送工作，采取周期性工作模式，不工作時處于休眠模式，以便降低功耗。下位機軟件程序流程如圖4所示。

圖4 下位機軟件程序流程

4．2．2 節點上位機軟件設計

系統上位機軟件部分主要分為數據庫和可視化界面2個部分。數據庫對收到的數據進行存儲，可視化上位機軟件負責對數據信息進行進一步的處理和智能化分析。可視化軟件用Python語言編寫，通過該軟件，管理人員可以查看氣體濃度變化實時曲線，從而掌握冶金廢氣排放情況的變化。管理人員還可以根據具體的使用環境設定相應的預警值，當廢氣濃度超過預警值時監測軟件做出預警，提醒管理人員環境發生變化。總體來說，上位機軟件可以做到實時監測、智能分析、及時預警。

5 系統實現

針對冶金企業排放的主要氣態污染物類型和所需監測的環境變量，使用了:風速，風向，空氣溫濕度，PM2．5，CO，CO2，SO2，NO，NO2，H2S，粉塵這幾種主要的傳感器進行了測試。風速風向傳感器采用了同時具用高耐候性、高強度、防腐蝕和防水性的高性能傳感器，空氣溫濕度采用高精度的I2C數字式傳感器，氣體污染物的監測主要采用較高精度，可輸出模擬量的氣體傳感器。主要傳感器技術參數如表1所示。

表1 主要傳感器技術參數

將監測節點部署于實際環境中進行測試，監測節點工作狀態圖如圖5所示。太陽能電池的充電補充保證了節點的連續工作，實現對主要傳感量采集的正常采集工作。通過GPRS傳輸采集到的傳感信息原始數據如圖6(a)所示。可視化監測軟件對原始數據進行了進一步處理，實時顯示主要監測量的變化曲線，圖6(b)中右上角的部分顯示了CO，CO2，SO2，NO 的濃度實時變化情況，軟件左部是控制界面，監測人員可以選擇想要顯示趨勢圖的傳感器種類。通過GPS模塊實現對監測節點的定位，監測人員可查看不同監測節點的位置和監測值。監測人員可以通過手機發送短信的方式向監測節點發送指令并接收相關返回信息，當收到監測人員讀取監測變量的指令后，監測節點會向手機發送當前監測變量的具體數值。指令菜單和返回信息如圖7所示。

圖5 監測節點工作狀態圖

圖6 可視化監測系統

圖7 手機短信指令菜單和返回數據

6 結束語

本文描述一種利用無線傳感器網絡監測冶金工業廢氣的系統，利用GPRS通信方式實現了遠程監測，運用太陽能和蓄電池相結合的供電方式保證了連續監控和監測節點的可移動性，可擴展的傳感器接口擴大了監測的范圍和應用領域。隨著工業的發展，環境問題成為了生產和生活中的重要問題。作為感知環境的觸手，傳感器越來越多地應用到生活的各個領域。隨著小型化、數字化、智能化、多功能化和系統化的發展趨勢，它們不僅提升了傳統行業的轉型升級速度，而且創造了一個新的工業增長點。本文所述的系統建立了人類和環境之間的連接。下一步將開發Android手機客戶端監測軟件和手持式便攜監測設備，完善無線傳感器網絡系統，進一步提高對冶金工業廢氣的監測效果。

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