基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的冷庫液氨監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

【摘 要】本文利用無線傳感網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計(jì)了一套基于CC2630和LPC4088FBD144的冷庫液氨無線監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)液氨壓力、溫度和氨氣濃度等數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、傳輸和遠(yuǎn)程監(jiān)控。主要介紹了系統(tǒng)的現(xiàn)場采集節(jié)點(diǎn)和ARM主控節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)以及ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的軟件設(shè)計(jì)。

【關(guān)鍵詞】無線傳感網(wǎng)絡(luò) 冷庫 液氨 監(jiān)控系統(tǒng) 設(shè)計(jì)

【中圖分類號】G 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

【文章編號】0450-9889（2018）03C-0183-02

冷庫是易腐爛食品冷加工和存儲(chǔ)的主要場所，隨著人們對冷藏食品的需求日益增加，我國冷庫容量逐年遞增。在我國現(xiàn)有冷庫制冷系統(tǒng)中，絕大部分的冷庫采用液氨為制冷劑，液氨是一種無色但帶有刺激性氣味的氣體，易燃、易溶于水，濃度10%以上的氨氣即屬于毒品法規(guī)定范圍內(nèi)，并被視為二級毒品。一旦發(fā)生泄漏事故，將對人體和周圍設(shè)施產(chǎn)生極大的影響，輕者造成人員傷害和設(shè)備損害，重者造成人員傷亡及生產(chǎn)停產(chǎn)事故，后果不堪設(shè)想。而冷庫制冷設(shè)備眾多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、液氨儲(chǔ)量較大，使得冷庫一旦發(fā)生液氨泄漏事故，具有不同于普通液氨泄漏的特點(diǎn)，處置難度極大。因此，做好冷庫液氨的監(jiān)控工作具有重要意義。經(jīng)過實(shí)地調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前冷庫液氨監(jiān)控系統(tǒng)十分簡陋，一般僅在現(xiàn)場使用氨氣濃度報(bào)警器，信息不能遠(yuǎn)距離傳遞，無法進(jìn)行遠(yuǎn)程智能控制。針對傳統(tǒng)冷庫液氨監(jiān)控系統(tǒng)的缺點(diǎn)和不足，本文設(shè)計(jì)了一種基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的冷庫液氨監(jiān)控系統(tǒng)。

一、系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

冷庫液氨無線監(jiān)控系統(tǒng)由若干個(gè)現(xiàn)場采集節(jié)點(diǎn)、一個(gè)ARM主控節(jié)點(diǎn)和一個(gè)遠(yuǎn)程監(jiān)控中心構(gòu)成，系統(tǒng)框架圖如圖1所示。

現(xiàn)場采集節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)冷庫液氨參數(shù)的采集和傳輸。由傳感器模塊和ZigBee無線收發(fā)模塊構(gòu)成，傳感器模塊包括氨氣濃度傳感器、液位變送器、壓力變送器、溫度傳感器。傳感器模塊采集氨氣濃度、液氨液位、氨氣壓力和溫度參數(shù)，經(jīng)過處理后，由ZigBee無線收發(fā)模塊發(fā)送至ARM主控節(jié)點(diǎn)。

ARM主控節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)冷庫液氨參數(shù)的接收、參數(shù)實(shí)時(shí)顯示、報(bào)警、GPRS數(shù)據(jù)傳輸和安全聯(lián)動(dòng)等。以ARM-Coretex M4控制器為核心，包括ZigBee無線收發(fā)模塊、GPRS無線通信模塊、觸摸屏顯示模塊、聲光報(bào)警模塊、安全聯(lián)動(dòng)模塊。ARM-Coretex M4控制器通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)從現(xiàn)場采集節(jié)點(diǎn)接收冷庫液氨參數(shù)后，對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和顯示，并通過GPRS無線通信網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳送至遠(yuǎn)程監(jiān)控中心。若分析判斷現(xiàn)場處于高危狀態(tài)，則啟動(dòng)聲光報(bào)警模塊和安全聯(lián)動(dòng)模塊，同時(shí)通過GPRS無線通信網(wǎng)絡(luò)向相關(guān)人員發(fā)送報(bào)警短信。

遠(yuǎn)程監(jiān)控中心主要負(fù)責(zé)接收冷庫現(xiàn)場的各個(gè)參數(shù)，包含上位監(jiān)控主機(jī)和相關(guān)人員的手機(jī)兩部分，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)與ARM主控節(jié)點(diǎn)通信，由上位機(jī)數(shù)據(jù)庫和監(jiān)控軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、管理、分析和顯示，相關(guān)人員手機(jī)在高危狀態(tài)時(shí)會(huì)接收到來自現(xiàn)場的報(bào)警短信。

二、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

（一）現(xiàn)場采集節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)。現(xiàn)場采集節(jié)點(diǎn)是整個(gè)冷庫液氨監(jiān)控系統(tǒng)的最底層，它和ARM主控節(jié)點(diǎn)進(jìn)行雙向ZigBee無線通信，周期采集冷庫液氨參數(shù)，并發(fā)送至主控節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)由ZigBee無線收發(fā)器CC2630、溫度傳感器TMP75B、氨氣濃度傳感器、壓力變送器和液位變送器構(gòu)成，現(xiàn)場采集節(jié)點(diǎn)硬件電路圖如圖2所示。

CC2630器件是TI公司推出的一款面向ZigBee遠(yuǎn)程控制應(yīng)用的ARM Cortex-M3無線微控制器。具有128KB系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存，8KB緩存靜態(tài)RAM；包含豐富的外設(shè)功能集，所有數(shù)字外設(shè)引腳均可連接任意GPIO，四個(gè)通用定時(shí)器模塊，12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器、200MSPS、8通道模擬多路復(fù)用器，UART，2個(gè)同步串行接口（SSI），I2C，I2S；具有2.4GHz RF收發(fā)器，符合低功耗（BLE）4.1規(guī)范及IEEE 802.15.4 PHY和MAC；還包括一個(gè)獨(dú)特的超低功耗傳感器控制器，此傳感器控制器非常適合連接外部傳感器，還適合用于在系統(tǒng)其余部分處于睡眠模式的情況下自主收集模擬和數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。

TMP75B是一款集成數(shù)字溫度傳感器，此傳感器具有一個(gè)可由1.8V電源供電運(yùn)行的12 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，不需要外部元件便可測溫，以12位分辨率讀取溫度，可在-55℃至+125℃溫度范圍內(nèi)額定運(yùn)行，具有標(biāo)準(zhǔn)兩線制串行接口的數(shù)字輸出。

壓力變送器選用-龍瑞斯7011隔爆型壓力變送器，輸出信號為4～20mA兩線制模擬輸出。液位變送器采用龍瑞斯8033超聲波液位變送器，采用非接觸式測量，安裝方便，在測量中脈沖超聲波由傳感器發(fā)出，聲波經(jīng)液體表面反射后被傳感器接收，轉(zhuǎn)換成4～20mA電信號。

由于冷庫溫度較低，普通的電化學(xué)型氨氣濃度傳感器不能正常使用，本文選用TGS826型氨氣傳感器，該傳感器采用24V電壓供電，測量范圍從30至300ppm，靈敏度為0.4-0.7，能在-40℃至+80℃溫度范圍內(nèi)正常工作，是較理想的冷媒臨界安全檢測傳感器。

（二）ARM主控節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)。ARM主控節(jié)點(diǎn)以ARM控制器為中心，擴(kuò)展了聲光報(bào)警、GPRS通信、觸摸屏顯示、ZigBee無線收發(fā)、安全聯(lián)動(dòng)等外部功能設(shè)備。ARM控制器選用NXP公司基于ARM Cortex-M4的數(shù)字信號控制器LPC4088FBD144，該控制器包含有512 kB的flash存儲(chǔ)器、96 kB的RAM存儲(chǔ)器、4kB的EEPROM存儲(chǔ)器、LCD、以太網(wǎng)、USB、CAN、5個(gè)UART、3個(gè)SPI閃存接口、3個(gè)I2C總線接口、4個(gè)通用定時(shí)器、2個(gè)通用PWM和165個(gè)GPIO等豐富的外設(shè)。

GPRS通信模塊裝載SIM卡后與LPC4088FBD144的串口UART1連接，LPC4088FBD144發(fā)送相關(guān)指令就可以通過GPRS無線通信網(wǎng)絡(luò)與上位主機(jī)通信或發(fā)送短信到相關(guān)人員的手機(jī)。

安全聯(lián)動(dòng)模塊主要由繼電器和電磁閥構(gòu)成，由LPC4088FBD144的GPIO引腳控制繼電器啟停電磁閥。當(dāng)有液氨泄漏或溫度升高時(shí)，可以打開噴淋系統(tǒng)的電磁閥吸收氨氣或降低溫度；當(dāng)液氨管道壓力過大時(shí)，可以打開泄壓電磁閥，將液氨泄壓到備用罐。

三、ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)軟件設(shè)計(jì)

現(xiàn)場采集節(jié)點(diǎn)與ARM主控節(jié)點(diǎn)之間通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)及指令。每個(gè)現(xiàn)場采集節(jié)點(diǎn)都包含有一個(gè)ZigBee無線收發(fā)器，作為網(wǎng)絡(luò)的終端設(shè)備，對現(xiàn)場的溫度、氨氣濃度和壓力等參數(shù)進(jìn)行采樣并發(fā)送給主控節(jié)點(diǎn)。與LPC4088FBD144連接的ZigBee無線收發(fā)器，作為網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器，負(fù)責(zé)啟動(dòng)和配置ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)，并監(jiān)聽現(xiàn)場所有的采集節(jié)點(diǎn)。

ARM主控節(jié)點(diǎn)上電自檢初始化后，搜索可用信道并基于最優(yōu)信道能量選擇最好的組網(wǎng)信道，生成唯一的PINID，設(shè)置主控節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)地址為0x0000，至此網(wǎng)絡(luò)建立成功。網(wǎng)絡(luò)啟動(dòng)后，主控節(jié)點(diǎn)監(jiān)聽現(xiàn)場采集節(jié)點(diǎn)的入網(wǎng)請求信息，若收到有效的入網(wǎng)請求信息，先查詢是否還有空閑網(wǎng)絡(luò)地址，如有空閑地址且同意該節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)，主控節(jié)點(diǎn)則分配一個(gè)16位的地址給請求節(jié)點(diǎn)，主控節(jié)點(diǎn)和現(xiàn)場采集節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)成功，主控節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)程序流程圖如圖3所示。

圖3 主控節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)程序流程圖

四、結(jié)論

本文利用無線傳感網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計(jì)了一套基于CC2630和LPC4088FBD144的冷庫液氨無線監(jiān)控系統(tǒng)。本系統(tǒng)完成了冷庫液氨參數(shù)的自動(dòng)采集和遠(yuǎn)程傳輸，提高了工作效率；改變了傳統(tǒng)冷庫液氨落后的管理方式，實(shí)現(xiàn)無人值守，節(jié)省了人工成本；系統(tǒng)運(yùn)行可靠，保障了冷庫財(cái)產(chǎn)和工作人員的安全。

【參考文獻(xiàn)】

[1]何芳毅.液氨制冷和冷庫消防安全管理完善路徑探索[J].產(chǎn)業(yè)與科技論壇，2017（10）

[2]商靠定.冷庫液氨泄漏事故處置方法研究[J].武警學(xué)院學(xué)報(bào)，2015（10）

[3]婁海強(qiáng)，衷衛(wèi)聲，王文海，等.基于ARM和Qt的液氨罐區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化與儀表，2015（10）

[4]許金寶，侯少雷，杜學(xué)蕓.液氨儲(chǔ)罐遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2015（12）

[5]常新華，丁紅.一種液氨冷庫智能測控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2013（6）

【基金項(xiàng)目】2015廣西教育廳高等學(xué)校科研項(xiàng)目“大型冷庫系統(tǒng)的綜合控制技術(shù)研究”（KY2015YB398）

【作者簡介】陽明霞（1984— ），女，廣西靈川人，柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子與信息工程學(xué)院講師，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用。

（責(zé)編 蘇 洋）