基于ZigBee的化工廠安全監測報警系統

劉國梅

摘要：依據化工廠安全建設的實際需求，構建基于ZigBee的化工廠安全監測報警系統，通過采用多種傳感器技術、ZigBee網絡、以太網、嵌入式開發等多種技術，在化工廠布置多個帶有多種類型傳感器的監測模塊，實現對化工廠全面無死角的監測和報警。監測模塊加入由路由模塊建立的ZigBee網絡，可以及時將監測數據無線傳輸給路由模塊，然后再由路由模塊通過以太網轉發給監測中心，監測模塊在監測數據超過正常值時能啟動聲、光報警，及時定位危險地帶并提醒人們迅速撤離，系統成本低、使用方便，為化工廠的安全生產提供了保障。

關鍵詞：安全監測;化工廠;ZigBee;以太網

中圖分類號：TP393.0? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）35-0056-03

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

1 引言

化工企業在生產經營過程中，需要接觸化工原料或產品，大多數化工原料及產品具有易燃、易爆、易中毒、高溫、高壓、有腐蝕性等特點，在生產、儲存等過程中，火災爆炸、中毒窒息、腐蝕灼燙等安全事故時有發生，不僅造成巨大的財產、經濟損失，更會讓許多原本幸福的家庭支離破碎，造成無法彌補的災難[1]。

安全生產，預防為主，事故的預防必定是重中之重。壓力、溫濕度、液位、流量、各類可燃氣體、有毒有害氣體、氧氣的濃度等參數都是化工廠的重要安全指標，如果能一直不斷地監測這類參數指標，并且超過安全范圍能自動報警，一定可以預防事故的發生，減少各種損失[2]。

文本提供一套基于ZigBee的監測報警方案，該方案是在化工廠的各個廠房和倉庫的監測點放置加入ZigBee網絡的監測模塊，監測模塊上的各種傳感器可以對關鍵參數（例如壓力、溫濕度、液位、流量、各類可燃氣體、有毒有害氣體、氧氣的濃度）進行監測，監測數據通過ZigBee無線網絡和以太網傳輸到監測中心，監測數據超過正常范圍后會立馬報警，以達到安全生產、嚴防事故的目的[3]。

2 監測方案設計

基于化工廠面積大、監測點多、監測參數多種多樣等特點，本文中采用ZigBee無線傳感網與工業以太網相結合的監測方案[4]。本系統中一個廠房或者一個倉庫組成一個ZigBee網絡，一個ZigBee網絡中有一個路由模塊和多個監測模塊，路由模塊作為協調器節點，監測模塊作為普通ZigBee節點。

具體監測方案如圖1所示，N1為監測模塊，S1為路由模塊，它們之間通過ZigBee無線網絡進行通信，各個廠房或倉庫的路由模塊則通過通信線路組成以太網。各個監測模塊分別置于需要監測的監測點，通過相應傳感器監測各個參數的值，并通過ZigBee 網絡無線傳輸給路由模塊，再經路由模塊通過以太網轉發給監測中心，如果監測值超過正常的安全范圍，監測中心可以及時采取相應措施，同時N1模塊也會發出聲、光報警，迅速定位事發地點，提醒人們及時采取措施或者快速撤離。

3 硬件設計

3.1 模塊硬件組成

本系統中有監測模塊和路由模塊。監測模塊由MCU、各種傳感器、ZigBee模塊、存儲器、蜂鳴器、LED燈等組成。MCU是整個模塊的核心，用來指揮各個模塊協同工作，ZigBee模塊可以將監測的參數信息無線傳輸給路由模塊，存儲器可以根據需要暫存一些數據信息，蜂鳴器、LED燈可以在危險發生時自動發出聲、光報警，提醒人們及時采取措施或者盡快撤離。監測模塊根據監測的對象參數不同可以選擇集成不同的傳感器，例如監測溫濕度的模塊需要集成溫濕度傳感器，監測壓力的模塊需要集成壓力傳感器，監測各類可燃氣體、有毒有害氣體、氧氣的濃度等參數的模塊則需要集成各種相應氣體傳感器，等等，圖2中（a）所示的監測模塊可以監測溫濕度、多種有害氣體、火焰等，并能在危險時刻自動發出聲光報警。

各個廠房的路由模塊主要用于完成監測數據的轉發，其硬件組成如圖2中的（b）所示，除了基本的MCU、電源、時鐘、復位等外，集成有ZigBee模塊、存儲器、以太網模塊等。

3.2 模塊硬件詳細設計

監測模塊MCU采用NXP公司的基于Cortex-M0內核的LPC11C14處理器，該芯片有32KB Flash、8KB的SRAM存儲器，具有豐富的外圍接口，工作頻率為50MHZ，對于一般工業現場應用是足夠了[5]。ZigBee收發模塊采用的是TI公司的CC2530，溫濕度傳感器選用DHT11，氣體傳感器采用MQ-2，火焰傳感器模塊采用KY-026。這些外圍器件通過不同的接口與LPC11C14相連接，溫濕度傳感器、LED燈通過普通的I/O口與LPC11C14連接，氣體傳感器、火焰傳感器通過A/D轉換與LPC11C14相連接，蜂鳴器通過PWM口與LPC11C14相連接，ZigBee模塊CC2530則通過SPI口與LPC11C14之間通信。

CC2530是一款工業級SOC芯片，低電壓供電，超低功耗，方便操作，CC2530結合了RF收發器、增強型8051CPU和許多其他模塊的強大功能[6]。因為CC2530模塊本身帶有射頻功能，因此只需要在模塊的RF-P、RF_N管腳與天線之間加一級接口電路，即無線收發模塊，就可用來放大接收和發送信息的功率，從而加大數據傳輸距離，CC2430 模塊電路如圖 3 所示。

本系統中采用的MQ-2氣體傳感器可用于家庭和工廠的氣體泄漏監測，適宜于液化氣、苯、烷、酒精、氫氣、煙霧等的監測。因此，MQ-2可以說是一個多種氣體傳感器，其測量范圍極其廣泛。它的優點是靈敏度高、響應快、穩定性好、壽命長、驅動電路簡單等[7]。本系統中MQ-2氣體傳感器電路圖如圖4所示。

路由模塊的MCU仍采用NXP公司的LPC11C14處理器，ZigBee模塊的配置也與監測模塊類似，以太網控制器采用DM9000AE。LPC11C14使用16個GPIO端口與以太網控制器DM9000AE相連接，DM9000AE的讀寫信號IOR和IOW分別與LPC11C14的讀寫引腳對應連接[8]。

4 系統軟件開發

4.1 ZigBee通信協議[9]

本文采用TI 公司半開源的 Zstack 協議棧 ZigBee 2007。ZigBee 2007協議棧的操作系統抽象層OSAL通過時間片輪轉函數實現任務調度，并提供多任務處理機制。在使用 ZigBee 協議棧進行應用程序開發時需要添加新任務，即需要編寫兩個函數：新任務的初始化函數PlantApp_Init（）及事件處理函數PlantApp_ProcessEvent（），在初始化函數中注冊端點描述符，配置發送模式及目的地址等，在事件處理函數中通過調用相應函數完成數據的收發。然后將新任務的初始化函數添加在 osalInitTasks（）函數的最后，將事件處理函數的地址加入tasksArr[]數組。

發送數據的流程為：1）填充并注冊端點描述符;2）配置發送模式及目的地址;3）調用AF_DataRequest（）函數發送數據。接收數據的流程為：1）填充并注冊端點描述符;2）處理系統事件SYS_EVENT_MSG中的AF_INCOMING_MSG_CMD消息;3）使用消息包中的無線數據。

4.2 監測模塊應用軟件開發[10]

監測模塊應用軟件流程圖如圖5所示，系統上電后進行初始化，包括系統定時器、GPIO口、SPI、UART、I2C、PWM等設備，然后進行ZigBee網絡初始化，加入由路由模塊組建的ZigBee網絡，接著主程序進入循環，采集各種傳感器參數，打包數據并通過ZigBee模塊發送給路由模塊，同時判斷采集的數據有沒有超過正常值，如果超過，則通過LED燈及蜂鳴器啟動聲光報警。

4.3 路由模塊應用軟件開發

路由模塊應用軟件流程圖如圖6所示，系統上電進行硬件初始化之后，通過信道掃描建立起一個ZigBee網絡。ZigBee協議使用一個16位的PAN ID（個域網標識符）來標識一個網絡，所以不同的路由模塊使用不同的PAN ID。然后監測模塊申請加入該網絡，路由模塊為監測模塊分配一個 16 位短地址，允許其加入網絡。之后，路由模塊不斷地接收監測模塊通過ZigBee網絡發送過來的監測數據，處理數據后再通過以太網將數據發送給監測中心，監測中心根據接收到的數據值進行相應的處理。

5 結束語

針對化工廠安全建設的實際需要，設計了基于ZigBee的化工廠安全監測報警系統。系統中采用多種傳感器、ZigBee無線通信網絡、以太網等技術實現了對化工廠全面無死角的實時監測，當監測到異常時，監測中心可以及時采取適當措施，同時監測模塊也會通過其集成的LED燈、蜂鳴器啟動聲光報警，能及時定位危險發生地，及時提醒人們迅速撤離。另外，監測中心人員平時也可以隨時查看監測數據，對數據進行分析預估，對化工廠安全進行研究。本系統能夠大大提高化工廠的安全性，并且成本低，具有較高的實際應用價值。

參考文獻：

[1] 陳瓊楓.化工安全生產中存在的問題及其對策[J].化工管理，2019（18）：86-87.

[2] 于子平，田文德.基于Matlab的化工安全分析模塊系統開發[J].上海化工， 2017，42（8）：28-31.

[3] 閆亞玲，李博，劉偉杰.基于ZigBee的實驗室防火遠程監控系統設計[J].實驗室研究與探索，2019，38（5）：282-285.

[4] 高雪.基于MSP430的提升機鋼絲繩狀態在線監測系統設計[J].煤礦機械， 2019，40（7）：24-26.

[5] 楊路，辛煜，王茂林.基于ZigBee和LPC11C14的多終端倉儲監控系統[J].西安石油大學學報（自然科學版）， 2019，34（4）：103-108.

[6]白宏圖.基于CC2530的無線傳感器網絡節點設計[J].電子設計工程， 2019，27（5）：147-150，155.

[7] 毛敏.基于Arduino和LabVIEW遠程可燃氣體監測系統[J].電氣自動化， 2017，39（5）：28-30.

[8] 韋瑋，商枝江，胡亞楠.車載多用途串口-以太網網關設計[J].新技術新工藝，2014（11）：73-77.

[9] 邵曉琳. ZStack協議棧研究及應用開發[D].北京：北方工業大學，2015.

[10] 魏玉峰.基于Zstack協議棧的無線網絡終端設計[J].電子世界，2018（16）：143-144.

【通聯編輯：梁書】