基于ZigBee的加氫站環境監測系統的設計

摘? 要：氫氣具有易燃易爆性質，需要防火、防靜電以及防泄漏，氫氣在生產、運輸和使用等環節都容易發生意外，尤其是加氫站頻繁使用氫能更容易發生泄漏事故。本系統通過傳感器實時采集加氫站的溫濕度、煙霧、氫氣和火焰情況，借助ZigBee無線網絡將這些數據無線發送給協調器，然后通過串口動態顯示溫濕度值，當監測到煙霧、氫氣泄漏或火焰異常時蜂鳴器報警，為提高加氫站安全性提供有效措施，具有低功耗、低成本、環境友好等優點。

關鍵詞：ZigBee；加氫站；傳感器

中圖分類號：TP274? 文獻標識碼：A? 文章編號：2096-4706（2023）12-0178-04

Design of Environmental Monitoring System for Hydrogen Refueling Station? Based on ZigBee

LIANG Shuiying

（Foshan Polytechnic， Foshan? 528137， China）

Abstract： Hydrogen has inflammable and explosive properties. It must be anti-fire， anti-static， and anti-leakage. Hydrogen is prone to accidents in the parts of production， transportation and use， especially the frequent use of hydrogen energy in hydrogen refueling stations is more prone to leakage accidents. The system collects the temperature and humidity， smoke， hydrogen and flame situation of the hydrogen refueling station through the sensor in real time， and sends these data wirelessly to the coordinator with the help of ZigBee wireless network， and then dynamically displays the temperature and humidity value through the serial port. The buzzers will alarm when the smoke， hydrogen leakage or flame anomaly are detected. The system provides effective measures to improve the safety of the hydrogen refueling station. It has the advantages of low power consumption， low cost and environmental friendliness.

Keywords： ZigBee; hydrogen refueling station; sensor

0? 引? 言

自我國“3060”雙碳目標提出以后，全球碳中和共識進一步達成，碳達峰、碳中和也成為社會各界關注的熱點。在實現雙碳目標的過程，發展綠色能源至關重要。氫能具有清潔、高效、安全及可持續發展等優點，是21世紀以來國際公認的最具有發展潛力的綠色能源之一[1]。氫燃料電池汽車的主要能源供給是氫氣，具有綠色環保、能量轉換效率高以及零碳排放等優點，受到世界各國強烈關注，全球燃料電池汽車逐步邁向商業化。我國也正在大力發展氫能。在國家政策大力扶持下，我國氫氣年產量以及加氫站數量逐年增長。加氫站為燃料電池汽車及其他氫能利用裝置提供氫氣加注服務，是氫能產業化、商業化的重要基礎設施。截至2022年8月15日，我國共建成加氫站260座，除去已經拆除的加氫站，目前運行的加氫站數量為248座。此外，國內已開建或進入招標階段的加氫站數量達到76座，預計2022年底中國加氫站保有量有望突破300座[2]。

氫氣具有易燃易爆性質，需要防火、防靜電以及防泄漏，氫氣在生產、運輸和使用等環節都容易發生意外，尤其是加氫站頻繁使用氫能更容易發生泄漏事故，加氫站一旦出現安全事故后果不堪設想。例如，韓國江原道江陵市一家工廠在對容量為400 L的氫氣罐進行測試時，氫氣罐發生爆炸。可見，加氫站發生氫氣泄漏的危害不容忽視，不僅僅對人們的生命財產造成危害，還影響加氫站的正常運行。由于氫能產業的快速發展，加氫站數量逐年增加，加氫站的安全問題不容忽視。張旭[3]在《燃料電池汽車加氫站安全設計要點分析與建議》中提出在加氫站安裝安全檢測系統，該系統主要進行氫氣泄漏檢測和氫火焰探測。傅宗化等[4]在《燃料電池汽車加氫站安全設計要點分析與建議》中提出在加氫站安裝火氣監控系統，該系統用于探測和報告危險氣體的泄漏。在此基礎上，本文設計一個基于ZigBee網絡的加氫站環境監測系統，實時監測加氫站的溫濕度、煙霧、氫氣和火焰情況，為提高加氫站安全性提供有效措施。

1? 系統設計

基于ZigBee的加氫站環境監測系統的整體設計圖如圖1所示，系統主要由協調器模塊、ZigBee終端模塊、電源模塊、傳感器模塊、顯示模塊和報警模塊等組成。為保證數據的可靠性和完整性，系統由多個終端節點采集傳感器數據。整個系統主要由電源模塊進行供電，由煙霧傳感器檢測是否有煙霧，由火焰傳感器檢測是否存在火焰，由氫氣傳感器檢測是否存在氫氣泄露，由溫濕度傳感器檢測溫度和濕度值，通過ZigBee無線網絡實時把這些傳感器檢測到的數據發送給協調器CC2530，由協調器處理各種傳感器檢測到的加氫站環境信息，然后通過串口動態地顯示溫濕度值，當監測到煙霧、氫氣或火焰發生異常時通過蜂鳴器報警，從而實現對加氫站環境的實時監測以及報警功能，從而加強加氫站的安全性能。

2? 系統硬件設計

ZigBee是一種無線網絡協議，具有低速、能耗低以及傳輸距離短等特點[5]，是一種介于無線Wi-Fi技術和藍牙之間的無線傳輸網絡技術方案，其傳輸距離比無線Wi-Fi技術短，比藍牙的傳輸距離長。ZigBee協議分別為物理層、媒體訪問控制層、傳輸層、網絡層和應用層等。ZigBee有自己的無線電標準，其中物理層和媒體訪問控制層遵循IEEE 802.15.4標準的規定。

加氫站環境監測系統的ZigBee終端模塊與協調器均采用了TI公司生產的CC2530芯片。在CC2530的內部集成了51控制器、有21個數字I/O端口，RF收發器，存儲器，具有較高靈敏度的無線接收能力、功耗低、節點設計簡單、功能強大等特點[6]，符合本系統無線網絡傳輸的要求。

本系統采用DHT11溫濕度傳感器，其內部包括一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件，工作電壓范圍為3.3～5.5 V，測量濕度范圍為5 %RH～95 %RH，測量溫度范圍為-20～+60 ℃，測量濕度精度為±5 %RH，測量溫度精度為±2 ℃ [7]，其具有超小的體積、極低的功耗以及卓越的長期穩定性，滿足加氫站溫濕度測量的要求，DHT11溫濕度傳感器有4個引腳，接線簡單，其中VDD引腳接電源，GND接地，DATA引腳接CC2530終端節點的P0_7。

煙霧傳感器和氫氣傳感器分別采用MQ-2和MQ-8，MQ-2和MQ-8所使用的氣敏材料是電導率較低的SnO2。當氣體傳感器檢測到煙霧或者H2存在時，MQ-2和MQ-8傳感器的電導率就會隨著煙霧濃度或者氫氣濃度的增加而增大，將電導率的變化轉換為煙霧或氫氣濃度相對應的輸出信號，從而可以檢測出煙霧濃度和判斷H2是否發生泄漏。MQ-2可檢測煙霧濃度的范圍為3×10-4～1×10-2，MQ-8可檢測H2濃度的范圍為5×10-5～1×10-2。當煙霧傳感器MQ-2測得的數據超過設定的值，說明存在煙霧，蜂鳴器發出報警聲。當氫氣傳感器MQ-8測得的數據超過設定的值，說明氫氣發生泄漏，蜂鳴器發出報警聲。火焰傳感器模塊由火焰傳感器、電阻、電容和比較器LM393等組成，可以檢測火焰或者波長在760～1 100 nm范圍內的光源，探測角度60°左右，適用于加氫站檢測是否存在火焰。

本系統報警模塊采用蜂鳴器進行報警，蜂鳴器是通過給壓電材料供電來發出聲音的。壓電材料可以隨著電壓和頻率的不同而產生機械變形，從而產生不同頻率的聲音。蜂鳴器可以分為有源蜂鳴器和無源蜂鳴器。其中，有源蜂鳴器的內部安裝有集成電路，不需音頻驅動電路，只要接通直流電源就能直接發出聲響；“無源”只有外加音頻驅動信號才能發出聲響。本系統選用有源蜂鳴器來實現報警功能。加氫站環境監測系統的顯示模塊通過串口來顯示日期和溫濕度。PC機與協調器之間采用USB 轉串口芯片CH340實現正常通信，PC機通過USB接口來接收ZigBee協調器傳送過來的傳感器數據[8]。

3? 系統軟件設計

在ZigBee網絡中存在三種設備類型 ：協調器（Coordinator）、路由器（Router）以及終端節點（End-Device）。在一個ZigBee網絡中，最多只能有一個協調器，卻可以由多個路由器和多個終端設備組成。

一個ZigBee網絡有且只有一個協調器。ZigBee協調器是網絡中各個節點信息的匯總點，是這個網絡的核心，主要負責組建網絡、管理和維護網絡，并通過ZigBee無線收發信息實現各節點之間的數據傳遞；ZigBee協調器通過接入天線具有很強的通信能力、單片機信息處理能力和信息發送能力，能夠把數據通過無線遠程發送至控制端。路由器節點則主要負責轉發數據資料包，進行數據的傳送和轉發，允許節點加入協調器網絡并輔助其子節點遠程通信；路由器節點則是終端節點和協調器節點的中間節點，它為終端節點和協調器節點之間的通信提供接力服務。終端節點則是把終端的傳感器等數據收集傳送給協調器，或者接收來自協調器的控制信息，進行終端的控制命令。終端節點既可以直接與協調器相連，也可以根據拓撲結構的不同通過路由器節點與協調器相連。

加氫站環境監測系統選擇C語言作為編程語言，本系統軟件設計內容主要包含：終端節點軟件設計和協調器軟件設計，通過IAR Embedded Workbench來完成程序的編寫、編譯與調試。ZigBee的組網方式有多種，常見的有星型拓撲結構、樹型拓撲結構和網狀拓撲結構等。不同的拓撲結構適用于不同的情景需求。在星型拓撲結構中，其各個節點通過點到點的方式連接到協調器節點，由協調器節點向終端各節點傳遞數據。樹型拓撲結構是分層結構，具有根和各個分支，看起來就像一顆倒立的樹，適用于多分支結構和控制的系統。網狀拓撲結構的每一個節點至少與其他兩個節點相連，各節點之間通過傳輸線互相連接，具有相對高的可靠性，但由于網狀拓撲結構的網絡結構復雜，組網成本較高，不易于日常的管理和維護，極少用于局域網。根據加氫站環境監測系統的實際的ZigBee組網需求，本系統擬采用結構設計相對簡單的星型拓撲結構，其中包含一個ZigBee協調器以及多個ZigBee終端，ZigBee協調器主要負責建立新的網絡系統，接收數據，然后通過串口顯示日期和溫濕度值，判斷煙霧值、H2和火焰數據是否異常，如果異常則通過蜂鳴器實現報警，其流程圖如圖2所示。當協調器上電后，首先初始化CC2530和協議棧，主要由協調器節點進行組網操作，然后檢查是否建立ZigBee網絡成功，如果沒有建網成功，則重新建立網絡。當網絡創建成功后，判斷是否有事件發生，當有事件發生，開始接收和處理數據，然后通過串口顯示當前日期、溫度和濕度，同時判斷煙霧、H2和火焰等傳感器數據是否異常，如果發生異常則蜂鳴器報警。

ZigBee終端節點主要功能是加入網絡，定時采集溫濕度傳感器、煙霧傳感器、氫氣傳感器以及火焰傳感器的數據，并把這些數據無線發送給ZigBee協調器，其流程如圖3所示。終端節點上電后首先進行初始化操作，然后在其網絡覆蓋的范圍內查詢協調器節點，當查詢到對應的協調器節點，接著申請加入網絡，然后判斷是否入網成功，如果入網失敗，則繼續申請加入網絡；當入網成功后定時調用傳感器數據采集函數來采集周圍環境的溫濕度、煙霧、H2和火焰的數據，并把這些數據打包后無線發送給協調器處理。

4? 系統測試

測試基于ZigBee的加氫站環境監測系統的ZigBee終端節點能否有效采集到溫濕度值和煙霧傳感器、H2傳感器和火焰傳感器的數據，判斷ZigBee協調器能否接收到來自終端節點的數據，當煙霧、H2和火焰數據異常時是否報警，這些數據能否通過串口動態顯示出來，測試數據如表1所示。首先連接好傳感器和終端節點的硬件連接，然后分別下載編好的程序到協調器節點和終端節點，接著給協調器節點和終端節點上電，打開串口調試助手，選擇對應的串口號，將波特率改為115200，打開串口，在正常室溫情況下，系統串口的數據如圖4所示，顯示當前日期、溫度23 ℃、濕度57%、安全，當往溫濕度傳感器DHT11人為增加濕度，其溫度為25 ℃、濕度持續增加到70%。這時用打火機氣體模擬存在煙霧的情況，串口顯示報警，如圖5所示。

5? 結? 論

為加強加氫站的安全措施，設計基于ZigBee的加氫站環境監測系統，本系統通過煙霧傳感器檢測是否有煙霧，火焰傳感器檢測是否存在火焰，氫氣傳感器檢測加氫站環境是否存在氫氣泄露，溫濕度傳感器DHT11檢測加氫站環境中的溫濕度值，并通過串口顯示出來。系統由多個終端組成，采用ZigBee網絡實時傳送采集到的數據，克服傳統有線網絡傳輸的弊端，實現對加氫站環境的實時監測，為提高加氫站安全提供有效措施。該系統具有低功耗、低成本、環境友好等優點，但是還不能做到完全智能化，當檢測到氫氣發生泄漏或檢測到明火時，只能報警，還需要加氫站的工作人員及時切斷氣源，采用氫氣泄漏應急措施和疏散加氫站內人員，保證人員安全。下一步應該完善這些措施，當檢測到氫氣發生泄漏，啟動自動噴淋冷卻系統等。

參考文獻：

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[7] 張萍，胡應坤.基于ZigBee和OneNET云平臺的智能農業溫控系統 [J].物聯網技術，2021，11（1）：25-28.

[8] 高金轉，彭旭鋒，張會新，等.基于ZigBee無線傳感網絡的環境監測系統的設計 [J].電子器件，2016，39（3）：546-550.

作者簡介：梁水英（1990.03—），女，漢族，廣西貴港人，助教，碩士，研究方向：電子科學與技術。