ZigBee技術(shù)在石油化工企業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用

姜有光，杜亞江，謝　韜

(蘭州交通大學(xué) 機電技術(shù)研究所,蘭州　730070)

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ZigBee技術(shù)在石油化工企業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用

姜有光，杜亞江，謝韜

(蘭州交通大學(xué) 機電技術(shù)研究所,蘭州730070)

針對石油化工企業(yè)在生產(chǎn)過程中可能發(fā)生氣體泄露、火災(zāi)等安全問題，開發(fā)了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的多點環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的ZigBee通信協(xié)議棧和基于ARM Cortex-A8的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)嵌入式網(wǎng)關(guān)。闡述了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點和網(wǎng)關(guān)的硬件設(shè)計方案,以及軟件功能的實現(xiàn)方法。該系統(tǒng)具有成本低，可靠性高的特點，可實現(xiàn)石油化工企業(yè)遠程環(huán)境監(jiān)測。

石油化工企業(yè)；環(huán)境監(jiān)測；ZigBee；ARM Cortex-A8；Linux

石油化工企業(yè)毒氣泄露、重大火災(zāi)和爆炸等惡性事件會給企業(yè)造成了巨大的經(jīng)濟損失，并在社會上產(chǎn)生了惡劣的影響。因此，必須實時監(jiān)測生產(chǎn)區(qū)域環(huán)境參數(shù)的變化情況，及時消除影響安全生產(chǎn)的因素，把事故消滅在萌芽階段。石油化工企業(yè)生產(chǎn)環(huán)境惡劣[1]、生產(chǎn)地域分散[2]，傳統(tǒng)的有線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)容易受到破壞，不利于信息傳輸，且不便維修。另外，現(xiàn)有的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)僅對單一的氣體實施監(jiān)測，沒有對影響安全生產(chǎn)的溫濕度和煙霧濃度等環(huán)境參數(shù)進行監(jiān)測，功能較少。同時，多數(shù)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)沒有實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程傳輸，使得決策層不能及時掌握生產(chǎn)區(qū)域的環(huán)境參數(shù)變化狀況。

針對上述問題，本文設(shè)計了一種基于ZieBee協(xié)議的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)石油化工企業(yè)在線環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)在生產(chǎn)區(qū)域放置多個終端節(jié)點對溫濕度、煙霧濃度和瓦斯氣體濃度進行采集、實時監(jiān)測和超限報警[3]。系統(tǒng)以ARMCortex-A8處理器作為ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的嵌入式網(wǎng)關(guān)，利用以太網(wǎng)實現(xiàn)網(wǎng)關(guān)到遠程監(jiān)控計算機的數(shù)據(jù)傳輸，以便管理人員實時掌握生產(chǎn)過程中環(huán)境參數(shù)的變化情況，達到保證安全生產(chǎn)的目的。

1　系統(tǒng)的總體設(shè)計

本系統(tǒng)主要由終端節(jié)點、路由節(jié)點、無線傳感網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器、網(wǎng)關(guān)以及遠程監(jiān)控計算機組成。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中：終端節(jié)點是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的感知端，它接收協(xié)調(diào)器發(fā)來的指令并采集環(huán)境信息；路由節(jié)點是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的中繼節(jié)點，轉(zhuǎn)發(fā)自己管理的子節(jié)點的數(shù)據(jù)信息，也可將自身所帶傳感器采集的數(shù)據(jù)上傳；協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)建立和管理網(wǎng)絡(luò)，同時接收采集節(jié)點傳來的數(shù)據(jù)并向采集節(jié)點發(fā)送控制命令；網(wǎng)關(guān)作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和以太網(wǎng)的溝通橋梁，起到不同網(wǎng)絡(luò)間協(xié)議轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)的作用[4]；遠程監(jiān)控計算機主要提供可視化的界面，將石油化工企業(yè)生產(chǎn)區(qū)域的環(huán)境參數(shù)顯示在遠程監(jiān)控計算機的可視化界面上，并通過可視化界面控制采集節(jié)點。

圖1　系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)根據(jù)石油化工企業(yè)監(jiān)測點多、生產(chǎn)區(qū)域大的特點，采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的樹狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以擴大無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍。終端節(jié)點連接溫濕度傳感器、煙霧傳感器和瓦斯傳感器形成數(shù)據(jù)采集組，對生產(chǎn)過程中的溫度、煙霧濃度以及瓦斯?jié)舛葏?shù)進行采集，通過ZigBee無線通信網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器。協(xié)調(diào)器將數(shù)據(jù)打包并使用串口把數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄W(wǎng)關(guān)。網(wǎng)關(guān)對數(shù)據(jù)解析并重新打包后通過以太網(wǎng)傳輸至遠程監(jiān)控計算機。工作流程如圖2所示。

圖2　系統(tǒng)工作流程

2　系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1ZigBee終端節(jié)點、路由節(jié)點硬件設(shè)計

終端節(jié)點和路由節(jié)點的硬件一樣，都是由傳感器模塊、控制模塊、無線通信模塊和電源模塊組成。硬件框圖如圖3所示。

圖3　終端節(jié)點和路由節(jié)點的硬件框圖

其中傳感器模塊主要是對環(huán)境參數(shù)進行感知。選型上綜合考慮了穩(wěn)定性、精度和成本等因素，尤其是能在惡劣環(huán)境中正常工作，包括溫濕度傳感器DHT11、煙霧傳感器MQ-2和甲烷傳感器TGS2611。

控制模塊采用TI公司的CC2530芯片，集成了ZigBee射頻前端、內(nèi)存和8051微處理器。CC2530芯片結(jié)合一個高性能2.4 GHz DSSS(直接序列擴頻) 射頻收發(fā)器核心與IEEE80.15.4/ZigBee協(xié)議，工作時的電流損耗為29 mA，在接收或發(fā)射模式下，電流損耗分別低于24 mA或29 mA。它極低的能量消耗和較小的封裝尺寸能滿足無線傳感網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點體積小、功耗低、成本低的要求。

無線通信模塊由CC2530的射頻前端及外圍電路組成，電源模塊選用干電池供電。終端節(jié)點、路由節(jié)點原理如圖4所示。

圖4　終端節(jié)點和路由節(jié)點原理

2.2ZigBee協(xié)調(diào)器硬件設(shè)計

協(xié)調(diào)器是ZigBee網(wǎng)絡(luò)的核心，同一ZigBee網(wǎng)絡(luò)中只能有一個協(xié)調(diào)器，它主要負(fù)責(zé)建立網(wǎng)絡(luò)、分配子節(jié)點的16位地址、允許其他節(jié)點加入和退出以及分配ID等[5]。同時，接收采集節(jié)點傳來的數(shù)據(jù)并向采集節(jié)點發(fā)送控制命令，并將數(shù)據(jù)上傳至網(wǎng)關(guān)或接收網(wǎng)關(guān)傳來的控制命令。硬件框圖如圖5所示。

圖5　協(xié)調(diào)器硬件框圖

2.3網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計

網(wǎng)關(guān)的硬件結(jié)構(gòu)如圖6所示。網(wǎng)關(guān)以三星公司生產(chǎn)微處理器S5pv210為核心，外圍硬件包括SDRAM、NAND FLASH、LCD，RS-232串口和1個10M/100M自適應(yīng)以太網(wǎng)接口。協(xié)調(diào)器與網(wǎng)關(guān)的CPU通過UART連接。網(wǎng)關(guān)與遠程監(jiān)控計算機之間使用網(wǎng)絡(luò)連接，利用TCP/IP協(xié)議，實現(xiàn)協(xié)調(diào)器與遠程監(jiān)控上位機的數(shù)據(jù)交互。S5pv210微處理器性能穩(wěn)定、運算能力強，能滿足無線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)的要求。

圖6　傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)硬件結(jié)構(gòu)

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)的軟件設(shè)計是在ZigBee協(xié)議棧和Linux操作系統(tǒng)上進行的，它們均屬開源軟件。ZigBee協(xié)議棧采用Z-Stack 2007，Linux操作系統(tǒng)的內(nèi)核版本是Linux Kernel 2.6.35。采用開源軟件降低了系統(tǒng)的開發(fā)成本。

3.1終端節(jié)點、路由節(jié)點應(yīng)用程序設(shè)計

終端節(jié)點的主要任務(wù)是網(wǎng)絡(luò)連接、數(shù)據(jù)采集和上傳。終端節(jié)點數(shù)據(jù)采集采用間歇式采集方式。當(dāng)終端節(jié)點空閑時進入休眠狀態(tài)，降低功耗。當(dāng)間歇周期到達時，自動喚醒，并對環(huán)境信息進行采集。同時，在軟件開發(fā)時給終端節(jié)點設(shè)置閾值，當(dāng)采集數(shù)據(jù)值高于設(shè)定的閾值時上傳數(shù)據(jù)，當(dāng)采集的數(shù)據(jù)值低于閾值時丟棄數(shù)據(jù)。這種方式不但降低了終端節(jié)點的通信頻率，而且也達到了降低能耗的目的，延長了終端節(jié)點的壽命。

路由節(jié)點主要有2種功能：數(shù)據(jù)中繼和數(shù)據(jù)采集。路由節(jié)點與終端節(jié)點的軟件工作流程差別較小，主要是由路由節(jié)點的功能決定的[6]。相對于終端節(jié)點來說，路由節(jié)點增加了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能。路由節(jié)點將終端節(jié)點上傳的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給協(xié)調(diào)器，也將自己采集的數(shù)據(jù)上傳至協(xié)調(diào)器。另外，路由節(jié)點還需要對路由鏈表進行維護，確保數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)正確[6]。

3.2協(xié)調(diào)器應(yīng)用程序設(shè)計

協(xié)調(diào)器的主要作用是選擇一個相對空閑的信道，形成一個PANID，啟動網(wǎng)絡(luò)，等待子節(jié)點的入網(wǎng)，接受子節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)，并通過串口發(fā)送數(shù)據(jù)到網(wǎng)關(guān)[7]。使用IAR集成開發(fā)環(huán)境對ZigBee協(xié)議棧工程文件進行管理。當(dāng)使用協(xié)調(diào)器的串口通信時，需要調(diào)用協(xié)議棧的API函數(shù)。HalUARTInit()函數(shù)對串口初始化和設(shè)置波特率等。HalUARTOpen()函數(shù)打開串口，HalUARTRead()和HalUARTWrite()分別對串口進行讀寫操作。程序流程如圖7所示。

圖7　協(xié)調(diào)器程序流程

3.3網(wǎng)關(guān)應(yīng)用程序設(shè)計

網(wǎng)關(guān)應(yīng)用程序開發(fā)在Linux操作系統(tǒng)下進行，采用多線程的編程方式，分為主線程、串口通信線程和socket服務(wù)器線程。其中：主線程進行部分初始化工作并創(chuàng)建線程；串口通信線程讀取無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器發(fā)來的數(shù)據(jù)并進行分析和存儲；socket服務(wù)器線程接收遠程客戶端的連接請求，實時地將數(shù)據(jù)存儲區(qū)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h程監(jiān)控計算機。

在采用多線程編程方式時使用了Linux操作系統(tǒng)的并發(fā)和競態(tài)機制，避免了多線程之間訪問共享數(shù)據(jù)存儲區(qū)時產(chǎn)生沖突。多線程之間共享的是進程的數(shù)據(jù)存儲區(qū)，多線程在訪問相同的存儲區(qū)時，可能會互相覆蓋。因此，本文采用Linux系統(tǒng)提供的互斥鎖技術(shù)來訪問數(shù)據(jù)存儲區(qū)。串口通信線程的流程圖如圖8所示，socket服務(wù)器線程流程圖如圖9所示。

圖8　串口通信線程的流程

圖9　socket服務(wù)器線程流程

4　結(jié)束語

本文對基于ZigBee的石油化工企業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)進行了總體設(shè)計。該系統(tǒng)具有成本低、可靠性高的特點，可實現(xiàn)石油化工企業(yè)遠程環(huán)境監(jiān)測。實際應(yīng)用情況表明：基于ZigBee技術(shù)的無線數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)能實時對石油化工企業(yè)生產(chǎn)區(qū)域的環(huán)境參數(shù)進行采集，并通過網(wǎng)關(guān)將采集的環(huán)境數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h程監(jiān)控計算機，同時系統(tǒng)能可靠地進行預(yù)警與報警，提高了石油化工企業(yè)安全生產(chǎn)監(jiān)控水平，具有一定的實用性。

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(責(zé)任編輯楊文青)

Application of Environmental Monitoring System in Petrochemical Enterprise Based on ZigBee Technology

JIANG You-guang, DU Ya-jiang, XIE Tao

(Mechanical and Electronic Technology Institute,Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China)

Aimed at such possible safety production problems produced by gas leakage, fire disaster, etc. in the production process of petrochemical enterprise, a multi-point environmental monitoring system was developed based on wireless sensor network (WSN). The system adopted ZigBee protocol stack of WSN and the embedded gateway based on ARM Cortex-A8. The hardware design as well as implementation method of software function of wireless sensor network node and the gateway was expounded in this system. The system has advantages of low cost, high reliability and can achieve the remote environmental monitoring in petrochemical enterprise.

petrochemical enterprise; environmental monitoring; ZigBee; ARM Cortex-A8; Linux

2016-04-16

甘肅省財政廳基本科研業(yè)務(wù)費資助項目(214153)

姜有光(1962—)，男，碩士研究生，主要從事無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、嵌入式系統(tǒng)與設(shè)備監(jiān)控方面的研究；杜亞江(1964—)，男，教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、嵌入式系統(tǒng)與設(shè)備監(jiān)控方面的研究，E-mail:duyj@mail.lzjtu.cn。

format：JIANG You-guang, DU Ya-jiang, XIE Tao.Application of Environmental Monitoring System in Petrochemical Enterprise Based on ZigBee Technology[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2016(8):112-116.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2016.08.018

TP393

A

1674-8425(2016)08-0112-05

引用格式：姜有光，杜亞江，謝韜.ZigBee技術(shù)在石油化工企業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué))，2016(8):112-116.