面向冶金废气监测的无线传感器网络系统

祝新鹏，皇甫伟，邢 奕，张中山

(北京科技大学a．计算机与通信工程学院;b．北京市融合网络与泛在业务工程技术研究中心;c．土木与环境工程学院，北京100083)

1 概述

作为国民经济的基础产业之一，中国钢铁工业在近年来处于高速增长阶段，钢产量在总体上保持持续增长的态势。然而钢铁冶金企业也是资源消耗的大户，近十年来钢铁冶金能源消费量占全国总能源消费量的比重一直在12% ～15%之间，钢铁工业单位增加值能耗是全部工业能耗平均值的3倍以上。在大量能源消耗的同时，钢铁冶金企业在生产过程中同时大量形成废气、废水、废渣等对环境有害的排放物［1］。

环境问题是21世纪人类面临的重大挑战之一。我国快速发展的工业以及环境保护措施的相对滞后使得自然生态和人类健康都受到了危害。根据Thomas Harwood的统计，全世界污染最为严重的20个城市中，中国占了16个［2-3］。2013年1月 ～2013年2月，京津冀区域出现了本世纪以来最严重的持续空气污染事件，据中国科学院大气物理研究所监测数据统计，仅1月份就发生5次强霾污染［4］。华北地区成为全球空气污染最严重的地区之一，仅河北省的钢铁产量就占到全国钢铁产量的四分之一［5］，大量小型钢铁冶金企业产生的废气排入大气中，对环境造成严重破坏。环境问题已经引起了全民重视，成为政府、工业界、学术关注的热点。

无线传感器网络可以对冶金工业环境监测提供良好的支持。无线传感器网络由部署在监测区域内的固定或移动传感节点设备组成，它们可以通过多种方式形成无线网络进行数据通信，监测网络覆盖区域内的传感信息并无线传输给观察监测人员［6-7］。无线传感器网络具有广阔的发展前景，它的应用领域包括环境监测、智能建筑、家居、医疗领域等［8-10］。

本文讨论面向冶金废气的无线传感器网络系统的设计和实现，并通过在北京市、河北省石家庄市、唐山市等地的实地监测检验了系统的运行情况。

2 相关研究

近些年来，在传感器、微电子和无线网络领域的一些科技进步使得可以自动监测的无线传感器网络应用到多个领域。为了把无线传感器网络应用到真实的环境监测中，人们在以下方面进行了研究:系统需求设计，系统构造，节点硬件设计，传感网的设计，远程数据获取和管理的能力。带有低频声音传感器的无线传感器网络曾被利用监测火山喷发［11］。2004年，无线传感器网络被部署在厄瓜多尔一座名为Volcan Tingurahua的活火山上，负责收集次声波信号并把数据传输到远端基站。收集和分析结构对周围刺激的反映，例如结构监测，也是无线传感器网络的一个重要应用。无线传感器网络在结构数据获取中的设计和评估在文献［12］中有详细讨论。另一个具有前景的应用领域是人体健康监测［13-15］。一个人体无线传感器网络由许多按一定策略安置于人体的小型无线传感器组成［16］。这种网络可以监测人体许多重要的信号，为使用者和医务人员提供实时反馈。人体无线传感器网络将会给健康监测带来革命化的改变［17］。

传感器和无线传感器网络已经在气体监测中应用，为了在食品工业中对肉的新鲜程度进行质量保证，利用了多种气体传感器对其进行监测［18-19］。对于气体监测应用来说，气体传感器是一个重要的器件［20］。气体传感器于20世纪50年代发明，它最初应用于氧气监测，现在已经发展到可以监测多种气体和化合物。气体传感器主要包括催化燃烧式传感器、半导体式传感器、电化学式传感器和红外线式传感器等种类。文献［21-22］中介绍了多种先进传感器，对未来在多种监测场合的应用提供了可能。

冶金行业是国民经济重要的基础原材料工业，其制造体系庞杂，涉及大量的物质、能量转换过程，产生的多种废弃物及多形式的排放过程都对环境造成了不同层次和程度的影响。冶金工业可分为钢铁冶金和有色冶金，有色冶金涉及到的有色金属种类较多，冶炼方法多种多样，较多采用的是火法冶炼和湿法冶炼。火法精炼作业过程会产生大量的SO2和烟尘，湿法冶炼中废气主要是由电解槽产生的含酸或者氨雾的废气［23］。联合钢铁厂的生产则涉及一系列工序，每道工序都带有不同的投料，并排出各种各样的残料和废物，其中液态的有废水及其所含的SS、油、氨氮、酚、氰等有毒有害物质;气态的 CO2，SO2，NOx，H2S，CO以及VOC与烟尘等颗粒物;固态的有尘泥、高炉渣、转炉渣、氧化铁皮与耐火材料等［24］。

3 系统总体结构

冶金气体排放监测具有一些自己的特点。首先，它的监测范围更加广泛，冶金工厂往往具有较大的厂区面积，一个年产300万吨钢的联合钢铁厂占地就要4 km2～8 km2。监测区域要覆盖整个厂区。由于风和气流会影响废气的流动，因此厂区周围也应在监测区域内。其次，监测的传感器类型较多，冶金工业的废气包括 CO，CO2，NO，NO2，SO2，H2S 等多种气体，不同的气体需要用不同的传感器来检测。与其他环境要素中的污染物质相比，大气中的污染物质具有随时间、空间变化大的特点。因此，除了监测工业废气外，还要监测厂区内外的风向风速和空气温湿度等信息，以便判断气体污染物在大气中的扩散状况。其次，污染气体监测对传感器的精度和准确性要求较高。一般的大气监测基站使用红外式气体传感器，具有很高的精度，但是往往成本较高，体积较大，不适合规模化的布置。因此，需要综合考虑使用环境和成本等因素选取最为合适的传感器。最后，监测应该长期进行。冶金企业排放的气态污染物的种类和浓度往往会随时间而变化，气象条件的改变可能造成同一污染物在同一地点的浓度相差数10倍，因此，必须对气态污染物进行长时间连续监测，记录变化情况。综合这几点，冶金企业气态污染物的监测要根据污染物的种类、时间和空间分布特点进行合理的规划。

根据这些要求，无线传感器网络系统由具有远距离无线传输功能的监测节点和远程数据中心组成，总体结构示意图如图1所示。

图1 无线传感器网络系统总体结构示意图

因为监测要覆盖较大的区域，监测节点不仅部署于厂区内，还要根据空间特点在厂区周围的近厂区和远离厂区的远厂区部署适当节点。监测节点负责采集、处理和发送采集到的各种传感信息，无线传输到远程数据中心，远程监测人员通过上层监测软件可以实时了解被监测区域的情况。在某些情况下，监测人员不在监测中心，比如处于厂外监测点附近现场了解空气环境和气态污染物排放状况，监测人员还可以通过手机给监测点发送指令，了解监测点的传感信息，实现监测的灵活性。

4 系统设计

4．1 节点设计

监测节点由4个部分组成，分别是传感模块、微型处理器模块、通信模块、供电模块和全球定位系统模块。结构示意图如图2所示。针对监测的传感器类型较多的需要，设计了标准化传感器卡槽、统一传感器接口，每一个卡槽可以接入一个有标准接口的传感器，实现所有传感器的可更换，便于监测节点接入不同的传感器来适合不同厂区环境下对不同气体污染物种类监测的需求，同时避免嵌入式传感器出现故障后不易更换的缺点，实现监测节点的可拓展性。传感模块具有8个传感器卡槽，最多可同时实现8路模拟量信息和2路I2C信息的采集，可以满足冶金企业主要废气种类的监测。

图2 监测节点组成结构

在具体的传感器种类上，选择了著名的英国City公司和德国Solodsense公司的电化学式传感器。与昂贵而又不方便的红外线式气体传感器相比，选择的电化学式传感器不仅性价比更高，体积更小，还具有高精度和准确性的特点，工作可靠性高，能够灵活地工作在冶金企业厂区等较恶劣的工作环境，适合在多个监测节点中安装使用。

微型中央处理器单元采用了基于ARM7内核的AT91SAM7S64微处理器，它具有高性能的32位RISC架构，高密度的16位指令集，64 KB的高速Flash和16 KB的SRAM，此外它还具有丰富的外设资源，包括1个USB接口，2个USART口，为节点的设计提供了丰富的资源。作为节点的核心，微型处理器单元将传感器采集到的信息进行初步处理并控制通信模块进行传输。

监测节点采用了 GPRS模块进行通信，与ZigBee，WiFi等通信方式相比，GPRS模块突破了监控节点无线传输距离的限制，只要有移动电话信号覆盖的地方即可以实现数据的传输，可以很好地实现冶金厂区监测范围较大的需要。它通过UART接口与微处理器相连进行数据和控制信息的交换。选择了带有外置天线的SIM900A模块，它采用工业标准接口，工作频率为900 MHz/1 900 MHz，内嵌TCP/IP协议，可以低功耗实现语音、短信，数据和传真信息的传输，睡眠模式下功耗仅为1．5 mA。

多种类型的传感器和GPRS模块是整个监测节点功耗的主要部分，但是对于厂区和厂外一些环境下，用有线电源进行供电很不方便，也会限制节点的可移动性，于是供电方式上采用了太阳能与蓄电池相结合的方式。太阳能电池板输出功率为10 W，蓄电池容量为5 AH，12 V，在发电效率μ为80%情况下，蓄电池充满需用时:(Pm=10 W;Ch=5 AH;Um=12 V)，可以满足传输数据时最大电流90 mA的GPRS模块连续传输数据55．6 h。由于采用了周期性工作方式，在不工作时GPRS处于休眠状态，进一步降低了功耗，因此这种太阳能充电式的供电方式可以保证监测节点的连续工作，实现对监测区域的不间断监测。

此外，监测节点配备了外置GPS模块，可以实现对节点的定位，帮助监测人员部署和记录节点的位置信息，从而区分不同的监测区域，掌握不同的监测区域的传感信息变化，及时作出相应的对策。节点PCB板实物图如图3所示。

图3 监测节点PCB实物图

4．2 软件设计

4．2．1 节点下位机软件设计

监测节点下位机软件在设计上分为3层:底层驱动函数，上层功能函数和应用层函数。只有底层驱动函数与硬件直接相关，底层函数包括对寄存器的操作和一些硬件初始化功能，上层功能函数完成对微型中央处理器主要功能的实现，应用层函数通过程序接口实现对功能函数的控制，最终实现对节点的控制。这种设计体现了软硬件分离的思想，一旦监测节点的硬件需要升级，只需要修改或替换相应的底层驱动函数就可以了，便于将软件系统移植到其他平台。在功能上软件主要实现以固定周期采集和发送传感信息。上电初始化后，监测节点开始GSM和GPRS通信的初始化工作，申请加入移动网络，与数据中心相连。与数据中心建立连接后，开始传感信息的采集和发送工作，采取周期性工作模式，不工作时处于休眠模式，以便降低功耗。下位机软件程序流程如图4所示。

图4 下位机软件程序流程

4．2．2 节点上位机软件设计

系统上位机软件部分主要分为数据库和可视化界面2个部分。数据库对收到的数据进行存储，可视化上位机软件负责对数据信息进行进一步的处理和智能化分析。可视化软件用Python语言编写，通过该软件，管理人员可以查看气体浓度变化实时曲线，从而掌握冶金废气排放情况的变化。管理人员还可以根据具体的使用环境设定相应的预警值，当废气浓度超过预警值时监测软件做出预警，提醒管理人员环境发生变化。总体来说，上位机软件可以做到实时监测、智能分析、及时预警。

5 系统实现

针对冶金企业排放的主要气态污染物类型和所需监测的环境变量，使用了:风速，风向，空气温湿度，PM2．5，CO，CO2，SO2，NO，NO2，H2S，粉尘这几种主要的传感器进行了测试。风速风向传感器采用了同时具用高耐候性、高强度、防腐蚀和防水性的高性能传感器，空气温湿度采用高精度的I2C数字式传感器，气体污染物的监测主要采用较高精度，可输出模拟量的气体传感器。主要传感器技术参数如表1所示。

表1 主要传感器技术参数

将监测节点部署于实际环境中进行测试，监测节点工作状态图如图5所示。太阳能电池的充电补充保证了节点的连续工作，实现对主要传感量采集的正常采集工作。通过GPRS传输采集到的传感信息原始数据如图6(a)所示。可视化监测软件对原始数据进行了进一步处理，实时显示主要监测量的变化曲线，图6(b)中右上角的部分显示了CO，CO2，SO2，NO 的浓度实时变化情况，软件左部是控制界面，监测人员可以选择想要显示趋势图的传感器种类。通过GPS模块实现对监测节点的定位，监测人员可查看不同监测节点的位置和监测值。监测人员可以通过手机发送短信的方式向监测节点发送指令并接收相关返回信息，当收到监测人员读取监测变量的指令后，监测节点会向手机发送当前监测变量的具体数值。指令菜单和返回信息如图7所示。

图5 监测节点工作状态图

图6 可视化监测系统

图7 手机短信指令菜单和返回数据

6 结束语

本文描述一种利用无线传感器网络监测冶金工业废气的系统，利用GPRS通信方式实现了远程监测，运用太阳能和蓄电池相结合的供电方式保证了连续监控和监测节点的可移动性，可扩展的传感器接口扩大了监测的范围和应用领域。随着工业的发展，环境问题成为了生产和生活中的重要问题。作为感知环境的触手，传感器越来越多地应用到生活的各个领域。随着小型化、数字化、智能化、多功能化和系统化的发展趋势，它们不仅提升了传统行业的转型升级速度，而且创造了一个新的工业增长点。本文所述的系统建立了人类和环境之间的连接。下一步将开发Android手机客户端监测软件和手持式便携监测设备，完善无线传感器网络系统，进一步提高对冶金工业废气的监测效果。

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