基于ZigBee的液氨罐區(qū)安全檢測系統(tǒng)的設(shè)計

（南昌大學(xué) 機電工程學(xué)院，南昌 330031）

液氨是化工行業(yè)的重要原料，也是易燃、易爆、有毒物質(zhì)。液氨一旦泄漏會迅速變成氣氨，如果達到15.7%～25%爆炸極限，遇高溫或明火將引發(fā)爆炸；高濃度氨氣的擴散同樣會導(dǎo)致環(huán)境污染，造成人們急性中毒甚至死亡[1]。因此，對液氨罐區(qū)安全監(jiān)控系統(tǒng)的研究具有重大意義。經(jīng)過實際調(diào)查發(fā)現(xiàn)，目前液氨儲罐的安全管理存在工藝參數(shù)檢測不足，有線電纜腐蝕老化引發(fā)明火的風(fēng)險突出等問題。運用實時監(jiān)測系統(tǒng)并結(jié)合無線通信技術(shù)能夠有效地解決以上問題，利用ZigBee無線技術(shù)替代現(xiàn)場數(shù)據(jù)總線布局，能有效地解決有線電纜的局限性。

1 ZigBee技術(shù)工業(yè)應(yīng)用的可行性

無線通信技術(shù)應(yīng)用須滿足液氨控制要求，包括數(shù)據(jù)傳輸可靠性、實時性及安全性。

1）可靠性分析

ZigBee協(xié)議各層采用了不同的安全保障機制，能有效地消除由于外界干擾而引發(fā)衰變現(xiàn)象。直頻序列擴頻（即DSSS）技術(shù)就是一種保證ZigBee數(shù)據(jù)通信可靠的重要手段，該技術(shù)通過增大原始信號帶寬來降低系統(tǒng)對信躁比的要求，從而有效地降低噪聲干擾。技術(shù)主要依據(jù)式（1）的Shannon信號定律和式（2）的柯捷爾尼可夫定律：

式中：W為信號帶寬；C為信道容量；S為給定信號功率；N為噪聲功率。保證信號容量C不變，DSSS利用較大的信號帶寬W，降低了信噪比（即S/N）的值。

式中：Pe為誤差率；E為單位比特信號能量；No為噪聲功率譜密度。其中S=EB（B為信號最小帶寬），由于噪聲公式N=WNo，故式（2）化為

式中：W/B為增益值Gp；S/N為信躁比。增大Gp值，能夠降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼`差率，從而提高抗干擾能力。

2）實時性

數(shù)據(jù)傳輸實時性是保證液氨安全的一項重要指標。ZigBee網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點之間建立連接時間為30 ms，由休眠到工作之間的狀態(tài)切換延時為15 ms，節(jié)點處于工作狀態(tài)下數(shù)據(jù)存取時間為15 ms[2]。

3）安全性分析

ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)通過載波偵聽多點接入/沖突檢測方式，來減少數(shù)據(jù)包之間碰撞與沖突；同時利用循環(huán)冗余校驗（CRC）檢測功能、AES-128加密算法等來保障數(shù)據(jù)的安全傳輸。

分析可知，ZigBee技術(shù)的可靠性、實時性及安全性能滿足延時在30 ms量級以上的液氨罐區(qū)安全監(jiān)測系統(tǒng)的需求。

2 系統(tǒng)整體設(shè)計

整個液氨檢測系統(tǒng)分為3層結(jié)構(gòu)：遠程檢測中心、ARM控制平臺、現(xiàn)場采集終端，系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)Fig.1 Overall structure of the system

第3層是罐區(qū)現(xiàn)場采集終端，主要完成液氨罐區(qū)的工藝參數(shù)采集和數(shù)據(jù)的無線傳輸?，F(xiàn)場采集終端主要由無線收發(fā)器、傳感器單元組成。傳感器單元包括液位傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器、氣體密度傳感器，其周期性采集液氨各參數(shù)的模擬信號；模擬信號經(jīng)過A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換、放大、濾波、功率放大等處理后，由ZigBee無線發(fā)射器將信號發(fā)射出去，并由連接在ARM控制平臺上的協(xié)調(diào)器設(shè)備接收。第2層是ARM控制平臺，主要完成液氨罐區(qū)工藝參數(shù)接收、參數(shù)動態(tài)顯示、無線數(shù)據(jù)傳輸、語音報警、安全聯(lián)鎖系統(tǒng)執(zhí)行等工作。ZigBee采集終端獲取儲罐工藝參數(shù)數(shù)據(jù)，利用ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳輸至ARM控制端的ZigBee協(xié)調(diào)器；ARM接收到罐區(qū)數(shù)據(jù)后，對數(shù)據(jù)進行分析、處理、顯示，并通過GPRS通信模塊將數(shù)據(jù)處理結(jié)果推送至遠程檢測中心。當(dāng)分析發(fā)現(xiàn)溫度、壓力或空氣中氨氣濃度超過臨界值，則語音模塊立即啟動語音預(yù)警，安全聯(lián)鎖模塊（即安全閥）將進入隱患排除的啟動狀態(tài)。當(dāng)液氨儲罐區(qū)到高危險狀態(tài)，則觸發(fā)GPRS模塊向所用人員手機發(fā)送危險信息，具有引導(dǎo)人員安全撤離的作用。第1層是上位機遠程監(jiān)測中心，主要完成數(shù)據(jù)儲存、管理與系統(tǒng)各功能檢測。

其中，ARM控制器采用S3C2440A芯片，該芯片主頻可達400 MHz，具有運行穩(wěn)定，高性價比、低功耗，能兼容及擴展多種設(shè)備等優(yōu)點[3]。

3 系統(tǒng)的實現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)主要硬件模塊設(shè)計

1）現(xiàn)場采集終端

現(xiàn)場采集終端設(shè)備主要由無線收發(fā)器、處理單元、傳感器模塊組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 現(xiàn)場采集終端結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of field acquision terminal

無線收發(fā)器采用ZigBee CC2530芯片，芯片內(nèi)部集成了8051硬核、ZigBee射頻前端、內(nèi)存及ADC[4]。該芯片可直接將模擬信號轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號，再外接天線即可發(fā)送信號，從而保障模塊的高可靠性，降低外圍電路設(shè)計難度。傳感器單元主要負責(zé)采集液氨參數(shù)，考慮模塊的兼容性，故系統(tǒng)選用標準4～20 mA電流輸出模擬傳感器。液位檢測采用HS-2000傳感器，該傳感器可直接安裝在儲罐外壁底部，避免對儲罐進行開孔。選用MOT500-NH3傳感器對氣氨濃度進行檢測，該傳感器的分辨率為0.1 ppm，測量精度≤±3%，可長時間連續(xù)工作，滿足液氨濃度檢測要求。選用PT212BX、LVQWC-21傳感器分別用于液氨壓力、氣溫的采集，都具有防爆、耐腐蝕、耐高溫等特性。

2）ARM本地控制端

ARM控制端以嵌入式處理器為中心，外部擴展多種功能設(shè)備包括攝像頭、語音報警設(shè)備、GPRS通信設(shè)備、ZigBee協(xié)調(diào)器設(shè)備等?？紤]到系統(tǒng)的兼容性和性能，系統(tǒng)選用S3C2440A作為主芯片，該芯片采用ARM902T架構(gòu)的16/32位的RISC指令集，內(nèi)部集成豐富的硬件資源和多種總線接口，能夠滿足系統(tǒng)所有功能的需求。其中，攝像頭設(shè)備采用USB接口連接方式，具有安裝方便和適合長距離視頻圖像采集等功能。語音預(yù)警設(shè)備采用UDA1341TS音頻解碼芯片，主控芯片利用IIS、L3總線與音頻設(shè)備進行通信，能夠?qū)崿F(xiàn)語音錄制/播放功能，通過IISFCOM、IISMOD寄存器設(shè)置DMA傳輸模式、采樣頻率等。GPRS通信設(shè)備負責(zé)ARM控制端與遠程檢測中心的數(shù)據(jù)通信，采用Motorola公司G20芯片，G20與S3C2440A通過UART1口連接，工作電壓為3.0～4.2 V，內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議棧，支持多種方式通信，可通過AT指令控制，開發(fā)難度相對較低。ZigBee CC2530協(xié)調(diào)器作為現(xiàn)場采集端通信樞紐，主要負責(zé)創(chuàng)建ZigBee通信網(wǎng)絡(luò)、節(jié)點入網(wǎng)監(jiān)聽、罐區(qū)生產(chǎn)數(shù)據(jù)接收/發(fā)送等。利用RS232總線與S3C2440A相連，將采集到現(xiàn)場儲罐壓力、液位、溫度、氣體濃度等數(shù)據(jù)傳輸?shù)紸RM控制端。

3）安全聯(lián)鎖裝置

安全聯(lián)鎖裝置，是一種能阻止設(shè)備接近危險區(qū)或當(dāng)危險發(fā)生時自動排除危險的技術(shù)措施。液氨的安全聯(lián)鎖執(zhí)行機構(gòu)主要是電磁閥，主要完成以下功能：

①當(dāng)液氨泄漏時，通過電磁閥打開噴淋水吸收的泄漏氨氣，同時及時處理泄漏儲罐。

②當(dāng)壓力異常時，通過打開泄壓電磁閥給儲罐泄壓至備用儲罐。

③當(dāng)液位過高時，利用電磁閥立即切斷充氨口，并打開泄壓電磁閥。

④當(dāng)氣溫異常時，通過打開噴水電磁閥向液氨儲罐頂部的噴淋水，從而降低液氨儲罐的溫度。

ARM控制器GPIO引腳與安全聯(lián)鎖的繼電器模塊連接，通過繼電器的上下電實現(xiàn)電磁閥的開關(guān)狀態(tài)，從而排除液氨罐區(qū)的安全隱患。

3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

1）儲罐采集節(jié)點軟件設(shè)計

液氨罐區(qū)的無線網(wǎng)絡(luò)分為3部分：儲罐采集終端節(jié)點、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)路由節(jié)點、數(shù)據(jù)匯總協(xié)調(diào)器節(jié)點。協(xié)調(diào)器負責(zé)創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)、監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點[5-6]。儲罐終端采集節(jié)點軟件流程如圖3所示，當(dāng)節(jié)點成功加入網(wǎng)絡(luò)并獲得唯一的網(wǎng)絡(luò)地址后，將以30 ms間隔周期性采集溫度值、壓力值、液位值、氣氨濃度值。

圖3 ZigBee現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)流程Fig.3 Data process of ZigBee field acquistion

利用函數(shù)Oscal_start_timerEx（Task_ID，Event_ ID，30）設(shè)置周期值。終端采集節(jié)點數(shù)據(jù)通信協(xié)議的設(shè)定，將液氨各工藝參數(shù)值采用2 Byte表示并根據(jù)值的高、低位順序進行排序，2 Byte可滿足壓力、液位、溫度、氣氨濃度等實際數(shù)據(jù)范圍，利用函數(shù)AF_DataRequest將數(shù)據(jù)包發(fā)送至協(xié)調(diào)器。數(shù)據(jù)幀格式如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)幀格式Tab.1 Data frame format

2）ARM控制端軟件設(shè)計

S3C2440A平臺上運行Linux 2.6系統(tǒng)，需要對Linux內(nèi)核進行配置和移植。首先，引導(dǎo)加載程序U-boot的移植，主要實現(xiàn)ARM硬件平臺的初始化、內(nèi)存映射、內(nèi)核啟動引導(dǎo)等。然后設(shè)備驅(qū)動文件添加，根據(jù)實際的需求對內(nèi)核代碼裁剪與配置，從而保障內(nèi)核小型化并提高系統(tǒng)運行效率。最后編譯內(nèi)核代碼并生成可運行的鏡像文件，通過交叉編譯方式將鏡像文件燒錄到 S3C2440A平臺并運行。

在內(nèi)核成功移植和運行的前提下，液氨罐區(qū)安全監(jiān)測軟件完成以下主要功能：①實時監(jiān)測液氨罐區(qū)的工藝參數(shù)；②分析液氨生產(chǎn)參數(shù)，評估液氨各儲罐的安全狀態(tài)；③現(xiàn)場圖像采集，與遠程監(jiān)控中心或手機端數(shù)據(jù)通信；④執(zhí)行安全聯(lián)鎖裝置，排除危險源或安全隱患。應(yīng)用程序流程如圖4所示。

4 系統(tǒng)測試

利用 QT Designer軟件設(shè)計用戶操作界面GUI，根據(jù)實際工廠環(huán)境設(shè)計相應(yīng)的圖形控件。該圖形操作窗口能反映杭州某液氨化工廠實際生產(chǎn)情況。通過軟件對液氨1號儲罐進行相關(guān)測試情況的顯示，如圖5所示。

圖5 用戶交互界面Fig.5 GUI of user interface

測試結(jié)果：1號儲罐的當(dāng)前氣體溫度值為15℃，液氨液位為1.2 m、壓力值為102 MPa，氣氨濃度值為0.1 mg（即空氣中氨氣濃度），當(dāng)前狀態(tài)無異常報警。測試結(jié)果與 1號儲罐實際情況相符。通過ZigBee誤差率/信躁比實驗分析，在3 dB信躁比情況下，誤差率可達到10-8，如圖6所示。ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸可靠，具備良好的抗干擾能力，滿足液氨罐區(qū)安全監(jiān)測需求。

圖6 ZigBee誤差率擬合曲線Fig.6 Error fitting curve of ZigBee

5 結(jié)語

液氨儲罐的安全監(jiān)測關(guān)乎人們生命與財產(chǎn)安全，受到國家高度重視。ZigBee是一種低功耗、低成本和運行可靠的無線通信技術(shù)，廣泛應(yīng)用在工業(yè)、醫(yī)療、農(nóng)業(yè)、環(huán)保等領(lǐng)域[7]。本系統(tǒng)利用ZigBee技術(shù)實現(xiàn)一種低復(fù)雜度、低成本、易于管理、安全可靠的安全監(jiān)控系統(tǒng)，加強對液氨罐區(qū)高危險源的監(jiān)控力度，從而保障工業(yè)生產(chǎn)的安全。

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