無線傳感器網絡可燃/有毒氣體監控系統設計

汪志偉，孫東旭

（1.中國五環工程有限公司，武漢430223；2.中航工業西安航空計算技術研究所，西安710119）

21世紀以來，隨著煤氣化工藝的逐漸成熟，煤制甲醇、煤制乙二醇、煤制天然氣等項目紛紛啟動。煤氣化過程中會產生大量的一氧化碳、氫氣和甲烷等可燃/有毒氣體，若監控不當，很容易造成化工廠事故。

目前的化工儀表設計過程中，大多采用有線通信方式，將檢測可燃/有毒氣體的變送器信號傳輸至該裝置的現場機柜室或就地控制室，然后通過以太網傳送至中心控制室。該方式不僅需要為通信電纜設計線纜橋架、接線箱和保護管等，而且為了保證信號不被干擾，一般采用PTFC，PVC或鎧裝等材質電纜，加大了工程設計成本；此外，電纜隨工廠過程信號（如溫度、壓力、流量和液位等）一起布設到橋架之中，不便于系統的維護與升級［1－2］。

無線傳感器網絡WSN（wireless sensor network）是一種全新的網絡化信息獲取和處理技術，具有低成本、易擴展、維護簡單、節點可配置等優點。它不僅可完成傳統監控對象的數據采集、處理和傳輸等功能，而且無需布線，可大幅節約成本，自組織形成多跳網絡，非常適用于布線困難的環境。2011年，加拿大皇后大學的TRLab實驗室成功地將WSN技術應用到油砂的開采過程中，實時監測操作員使用的振動屏幕的運行狀況，解決了有線網絡在惡劣的應用環境下難以維持監測完整性的問題［3］。加州大學伯克利分校在2006年將無線傳感器網絡應用于1.22 km長的美國金門大橋結構健康監測中［4］。在技術應用層面，由于礦難對國家及人民造成了巨大的生命財產損害，目前國內多將WSN應用于煤礦的安全監測中［5－6］。因此，針對大型化工廠的安全問題，提出一種采用無線傳感器網絡技術進行可燃/有毒氣體監控的設計方案。通過無線網絡，將各工序檢測的可燃/有毒氣體濃度信息發送至中心控制室的DCS中，供操作員查看與分析。

1 系統方案設計

化工廠一般由多個裝置組成，如空氣分離、煤氣化、酸性氣體脫除、硫回收、污水處理、火炬系統等，每個裝置又由一個或多個工序組成。根據國家相關法律法規要求，除水處理外的大部分裝置或工序都會涉及到可燃/有毒氣體檢測器的設計，因而該系統采用分簇無線傳感器網絡監控方式。將無線檢測節點分為簇頭節點和簇內節點，每一個需要進行可燃/有毒氣體檢測的裝置或工序中包含一個簇頭節點和多個簇內節點，簇內節點通過可燃/有毒氣檢測變送器實時檢測所檢測氣體的濃度，并將其通過無線射頻模塊發送給自己的簇頭節點；簇頭節點采集其所有簇內節點的信息，并通過多跳發送至匯聚節點，匯聚節點位于工廠的中心控制室內，采集所有裝置或工序的可燃/有毒氣體濃度，并通過TCP/IP與工廠DCS互聯，最終將采集的信息發送至DCS中進行顯示、控制或報警。系統整體方案設計框架如圖1所示。

圖1 系統方案設計示意

考慮到大型化工廠具有多個裝置和工序，可燃/有毒氣體檢測點相對較多，該系統采用開放的ZigBee協議組建樹形傳感器網絡［7］。ZigBee提供非常可靠的鏈路傳輸，廣泛應用于軍事國防、工業、農業和危險區域遠程控制等重要領域［8］，其物理層和MAC層遵循IEEE 802.15.4標準，樹形網采用分層路由結構。該系統每個工序設置一個路由節點（簇頭節點），工序內的可燃/有毒氣體檢測節點（簇內節點）將采集的氣體濃度實時發送給路由節點，路由節點進行數據融合后，經過多跳傳送至匯聚節點，并最終接入到工廠DCS中。

2 硬件設計

監測系統由簇內檢測節點、簇頭路由節點和信息匯聚節點組成樹狀無線網絡。三種節點在TI公司的CC2430芯片（CC2430內部含有1個8051內核的微控制器和1個2.4 GHz的射頻收發器）基礎上進行硬件組態，其硬件邏輯如圖2所示。路由節點只接收檢測節點的數據，并完成多跳轉發，其由CC2430和電源管理兩個模塊組成。檢測節點一方面要檢測現場的可燃/有毒氣體濃度，另一方面當濃度超標時能提供現場聲光報警措施，因而需配備相應的傳感元件及變送器模塊和聲光報警模塊。由于變送器輸出為工業標準的4～20 m A（或1～5 V）模擬信號或RS-485數字通信信號，而聲光報警模塊的輸入為開關量信號，則CC2430需開通A/D轉換、UART串行通信和并行I/O等接口。匯聚節點需通過以太網將收集的信息接入工廠DCS中，因而其額外配備1個以太網接口模塊，本文匯聚節點以太網接口選用WIZnet公司的W5100模塊。

圖2 硬件邏輯結構示意

在電源管理方面，考慮到可燃/有毒氣體監測的重要性及工廠生產過程的連貫性，節點采用穩壓直流電源供電。工廠為過程儀表提供了＋24 V穩壓電源，該系統采用LM2596，LM1117等穩壓芯片得到＋5 V和＋3.3 V電源，為節點內部各模塊供電。由于工廠的設計中已經包含了不間斷電源（UPS）供電措施，此處不再考慮應對突然斷電的備選電源方案。

2.1 CC2430射頻模塊

CC2430是一款帶有低功耗射頻收發模塊的微控制器，采用片上系統（SoC）解決方案，旁路模塊電流損耗僅為0.3μA。RF模塊遵循IEEE802.15.4標準的2.4 GHz ISM波段射頻收發，且支持硬件CSMA/CA功能。CC2430常用于ZigBee系統、低功耗無線傳感器網絡和工業監測控制系統中。本文采用CC2430搭建工廠監測系統的各類無線節點。CC2430單跳通信距離可達75 m，經多跳路由后可將傳感器數據轉發至匯聚節點，并最終接入工廠DCS中，供操作員或工程師查看與分析。

2.2 數據采集接口設計

根據GB 50493—2009《石油化工可燃氣體和有毒氣體檢測報警設計規范》，有毒氣體優先采用電化學型傳感器檢測，可燃氣體優先采用催化燃燒型傳感器檢測［9］。考慮到工業應用中的變送器大都支持4～20 m A模擬信號通信，且目前的智能儀表逐漸支持RS-485和現場總線（如FF總線）等協議，該設計的簇內檢測節點中，CC2430需提供A/D轉換和RS-485兩種接口與可燃/有毒氣體檢測變送器進行通信。A/D轉換接口需通過電流互感器和運算放大器等對電流信號進行預處理，然后接入CC2430的A/D接口；RS-485接口通過特定芯片將485電平轉換為TTL電平接入CC2430的UART接口，通信協議采用Modbus。

變送器的檢測范圍、檢測精度、響應時間、防護等級和防爆類型等技術參數需根據相應國家及行業標準進行選定。一般情況下，為保證系統的可靠高效運行，要求檢測精度不超過1×10－6，響應時間在30 s以內，儀表防護等級為IP65，防爆類型為EExd IICT4。

2.3 以太網模塊

為將簇內檢測節點數據接入工廠DCS，供操作人員查看，匯聚節點需配置以太網模塊，該設計采用W5100芯片完成此功能。W5100是一款采用0.18μm CMOS工藝的多功能網絡接口芯片，內部集成有10/100 Mbit/s以太網控制器，主要應用于高集成、高穩定、高性能和低成本的嵌入式系統或工廠自動化系統中。其內部集成了全硬件的TCP/IP協議棧、以太網介質傳輸層（MAC）和物理層（PHY）。支持TCP，UDP，IPv4，ICMP，ARP，IGMP和PPPoE等應用協議，支持4個獨立的端口同時連接。此外，其內部還含有作為TX/RX緩存的16 KByte存儲器和SPI總線接口，可方便地與CC2430微控制器進行通信。

2.4 聲光報警模塊

簇內檢測節點內部通過A/D轉換接口或者Modbus協議獲得可燃/有毒氣體變送器的信息后，需進行一次閾值處理，當檢測值不在閾值區間內則進行現場高報警或高高報警，報警以聲光形式體現。由于微控制器主要處理0～5 V的弱電信號，大功率的聲光報警需通過繼電器進行轉換控制。

3 軟件設計

化工廠無線網絡的安全監測系統功能具體分為簇內檢測節點、簇頭路由節點和匯聚節點等的軟件設計，不同類型無線節點之間的通信采用ZigBee樹形協議棧，通信地址包含裝置的工序編碼和檢測節點ID（裝置內儀表的位號）等。

3.1 檢測節點軟件設計

簇內檢測節點定時采集變送器的氣體濃度，計算和分析后發送給簇頭路由節點。為保證現場控制室內的操作員也能實時了解所監測區域各種氣體的濃度，簇內檢測節點將采樣的數據進行就地處理，然后將實際濃度值發送給路由節點。為更好地對所監測區域的安全狀況進行顯示和預警，檢測節點將量化后的濃度信息進行一次本地閾值比較：當超過設定閾值時，驅動相應I/O口發出控制信號，觸發就地聲光報警系統。考慮到不同工序中不同氣體的報警閾值不同，中心控制室可通過MSG＿THR＿SET消息調整檢測節點的報警閾值，MSG＿THR＿SET消息由匯聚節點發出，經過不同工序的路由節點發送至指定的檢測節點，其封包格式見表1所列。其中，控制域用于指定消息類型，地址域用于指定消息的目的節點，數據域用于指定高報警或低報警及其對應的報警閾值。

表1 MSG＿THR＿SET消息幀格式

3.2 路由節點軟件設計

路由節點位于工序內部，與該工序中各檢測節點組成單跳星形網絡，與其他工序的簇頭路由節點組成樹形網絡，經過多跳將信息傳送至中心控制室的匯聚節點。在工序內部，各檢測節點通過CSMA/CA方式競爭信道，將信息發送給路由節點。路由節點對收到的信息進行數據融合，然后重新封包發送出去，轉發數據幀格式見表2所列。其中，地址域為消息始發的源簇內檢測節點ID，檢測類型域指定消息所傳遞的氣體類型（一氧化碳、氫氣或甲烷等），氣體濃度值為單精度浮點數，其編碼方式遵循IEEE 754標準。

表2 轉發數據幀格式

考慮到可燃/有毒氣體泄漏造成的巨大人身財產損失，該設計在檢測網絡增加緊急消息優先級機制。當簇內檢測節點內部進行閾值比較，觸發現場聲光報警后，即將其數據標記為緊急消息，在信道競爭及路由選擇上始終獲得優先處理權限，最快地將故障發送至中心控制室，供操作人員進行分析和調度。在故障處理后，才將其數據還原為普通消息。

另外，簇頭路由節點應配備自測試功能，根據工序規模和簇的大小設置一個時間周期T，當時間T內未收到某簇內檢測節點消息，或認為該節點出現故障，發送預警消息至中心控制室，提醒工作人員進行查修維護。簇頭節點的故障由匯聚節點根據全網規模設置時間周期進行檢測。

3.3 匯聚節點軟件設計

匯聚節點位于中心控制室中，一方面接收路由節點數據，并將其通過以太網接入工廠DCS中；另一方面接收DCS下傳的閾值設定信息，然后通過MSG＿THR＿SET消息傳送至對應的檢測節點。匯聚節點通過TCP/IP協議與工廠DCS通信，采用C/S架構傳輸數據，DCS為主機，等待匯聚節點發起連接。在網絡應用層，匯聚節點通過Socket套接字與DCS主機建立連接并進行信息互換，其工作流程如圖3所示。

圖3 匯聚節點工作流程示意

4 結 論

針對大型化工廠的安全問題，提出了一種采用無線傳感器網絡技術進行可燃/有毒氣體監控的設計方案。該方案分工序組成簇，每個工序設立一個簇頭路由節點和多個簇內檢測節點。簇內檢測節點通過A/D接口或Modbus協議讀取可燃/有毒氣體變送器的氣體濃度，然后通過無線射頻發送至其簇頭節點；簇頭節點以多跳形式將收集到的檢測節點數據發送至位于中心控制室的匯聚節點；匯聚節點通過TCP/IP將各路由節點的數據聯入到工廠DCS中，供操作員查詢與分析。此外，為進一步提高系統安全性，路由節點實現了緊急消息優先級和周期故障檢測功能，檢測節點還提供了現場聲光報警功能，且可通過中心控制室的DCS設置相應報警閾值。所設計的監控方案采用無線通信技術，不僅減小了電纜消耗，降低施工成本，而且節點根據相對位置自組織形成多跳傳輸網絡，利于后期維護與升級。

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