石化厂区环境监测终端的研究与设计

Research and Design of the Environment Monitoring Terminal for Petrochemical Plant Area

张　锋　曾俊林(广东石油化工学院，广东茂名　525000)



石化厂区环境监测终端的研究与设计

国家自然科学基金资助项目(编号:61272382);

国家青年自然科学基金资助项目(编号:61401107);

广东省教育厅科研基金资助项目(编号:2013KJCX0131);

茂名市科技计划项目基金资助项目(编号:201513)。

修改稿收到日期:2015－08－13。

第一作者张锋(1979－)，男，2009年毕业华南理工大学电子与通信工程专业，获硕士学位，实验师;主要从事嵌入式与物联网技术的研究。

0　引言

目前，我国大多数石化厂区的建设呈现密集化、集群化，而面对复杂的厂区环境，还未实现全面的智能化、信息化，在很多方面还存在可以大力改善的地方，包括生产上的安全管理、提前预警等方面。在石化厂区中，对气体环境进行监测是石化生产中保证生产安全所必不可少的工作。对气体泄漏和气体浓度数据进行采集时，传统的做法是让工作人员配备手持式气体监测仪器到厂区现场附近进行实地监测并采集数据，工作人员根据长期积累的经验判断空气气体浓度变化方向和寻找气体泄漏源。由于工作人员只能在工作时间段内对特定的区域进行监测和数据的采集，这显然不能满足对环境的实时监测［1］。因此，石化厂区迫切需要一种低成本、低功耗、实时在线监测的环境监测设备。

为了满足这一要求，结合无线传感器网络(wireless sensor networks，WSNs)系统的优势与特点，提出了一种基于WSNs的石化厂区环境监测系统［2］。该系统的构建实现了对石化厂区环境参数的实时在线监测和预警，为智能化工厂的建设提供了方法和依据，具有极高的应用价值和意义。

1　系统架构及工作原理

环境监测系统由监测终端和上位机组成。其中，终端节点由移动节点和固定节点组成，移动节点装在基于WiFi的智能小车上;上位机由PC监控中心、便携式ARM以及安卓智能终端组成。系统架构如图1所示。

传感器节点分别放置在待检测区域周边，通过自组织的方式构成网络(即子站)。各子站之间相互独立，互不通信，只有子站内部节点可以相互交换数据。子站内的传感器节点负责对数据的感知和采集，数据沿着其他传感器节点以逐跳方式进行传输。在传输过程中，监测数据可能被多个节点处理，经多跳路由后到达协调器节点［3］。协调器节点对收集到的数据进行处理分析并通过串口传给上位机［4］，上位机的PC监控中心处理、综合分析各项参数，判断数据是否正常，存储数据到数据库。同时监控中心通过TCP通信协议将处理好的数据发送到网络监控平台，由网络监控平台转发至手机客户端，实现多平台监控。出于工业应用场景的考虑，开发了基于ARM的便携式监控终端以及WiFi可移动节点小车。小车节点上集成了显示节点地理位置信息的GPS模块，系统采用了太阳能电池板和铅蓄电池兼并供电方式［5］。终端设计如图2所示。

图1　系统架构图Fig.1　Structure of the system

图2　终端设计框图Fig.2　Blok diagram of the terminal design

1.1 STM32核心电路设计

STM32核心电路包括的模块有:主芯片贴片接口、AMS1117－3.3 V稳压电路、上电复位及按键复位电路、256 B的AT24C08存储器、可以与上位机通信的Micro USB接口、2个红色光指示LED灯、8 MHz晶振和32 MHz晶振电路、SWD仿真接口。核心板还添加有AT24C08存储器，可以用于存储少量的节点控制或配置信息，防止重启之后数据丢失的问题。

1.2 CC2530核心板电路设计

CC2530核心电路根据TI公司的文档说明进行射频电路设计，核心板电路主要由主芯片CC2530电路和射频功放电路RFX2401C电路组成。

电路中添加了PA功放RFX2401C，这部分电路的设计需要解决主要阻抗匹配问题。底板电路由3.3 V稳压模块以及一些基本电路组成，节点底板的电源电路芯片为AMS1117－3.3，由5 V电压转换成3.3 V电压给CC2530芯片供电;其他基本电路包括了复位电路、2个可用LED、2个可用按键、程序下载接口、3.3 V电源外接接口以及核心板接口。

1.3电源转换电路设计

为满足不同传感器的供电需求，电池采用了标准电压输出为12 V的大容量进口原厂锂离子电池。本电路设计所使用的稳压芯片分别采用L7805cv和L7806cv这2款降压稳压芯片，分别可以为节点电路以及传感器电路提供稳定的5 V和6 V直流电压输出［3］。转换电路由太阳能电池、ZigBee控制模块、开关控制电路、蓄电池、稳压模块以及上位机监控平台组成。其电路如图3所示。

图3　电源控制电路图Fig.3　Circuit diagram of power control

由太阳能电池板将太阳光能量转化为电能，使用ZigBee作为控制核心，根据采集到的主、副电源的电量情况自动对开关控制电路进行控制，将电能存储到相应的电源中，并无线传输数据至上位机监控平台。同时，通过CC2530芯片来控制双电源的开关切换，通过CC2530芯片对两个继电器进行控制，从而实现双电源电路的切换［6］。

2　系统软件设计

系统的软件设计是基于轮询查询式操作系统的Z－Stack－CC2530－2.3.1－1.4.0协议栈进行设计开发的［7］。软件设计由协调器节点软件、终端节点软件、路由节点软件和STM32主控软件四部分构成。

2.1协调器节点软件设计

协调器的软件设计流程图如图4所示。

图4　协调器节点流程图Fig.4　Flowchart of coordinator node

一旦有节点加入网络，那么网络的PAN ID将确定不变，协调器便完成了网络的建立。网络建立成功之后，设备将会把网络信息存储在Flash中，同时协调器会时刻检测网络信道上的信号。当有数据发送过来时，便开始接收工作，并作相应处理后，将数据传送给LCD显示或通过串口传输到PC监控中心［8］。

2.2传感器节点软件设计

终端节点负责数据采集并发送，其软件设计流程图如图5所示。

节点扫描所在环境的网络是否存在，如果发现有可加入的网络存在，便申请加入网络。当节点加入网络成功之后便将节点信息保存在Flash存储器里面。接着，开启数据采集周期，定时采集环境参数并发送给协调器。低功耗是无线传感器网络设计中的关键问题［9］。节点的低功耗设计和睡眠调度可以延长节点和网络的寿命［10］。在空闲时间里，节点进入休眠状态，以降低节点功耗。

图5　传感器节点流程图Fig.5　Flowchart of sensor node

2.3路由节点软件设计

路由节点在ZigBee网络中所担任的角色是负责数据的多跳传送，将数据分组从源节点通过网络转发到目的节点。路由节点流程如图6所示。

图6的主要功能是路径优化和正确转发。本文也实现了路由采集数据的功能，采集流程和终端节点的设计一样，但路由器在ZigBee网络中是处于长期工作的状态，不能进入休眠状态，因此程序设计时需要关闭路由器节点的休眠功能。

图6　路由节点流程图Fig.6 Flowchart of route node

2.4 STM32主控软件设计

STM32程序主要包含了系统初始化和函数调用。初始化包括了系统时钟、延时函数、串口等初始化函数;函数调用包括了数据处理函数的调用、显示函数的调用、延时函数和背景及字体颜色调整函数的调用。STM32主控端芯片程序设计基本实现流程如图7所示。

图7　STM32主控软件程序流程图Fig.7 Main control software flowchart of STM32 program

3　通信机制

3.1物理层数据帧格式

物理层协议数据单元(physics protocol data unit，PPDU)的传输过程是先传送低字节再传送高字节。对于每一个字节的传送也是先传送低位再传送高位。每个PPDU包含同步包头、物理层包头、可变长度载荷这3部分。同步包头(SHR)使接收设备同步锁定在比特流上;物理层包头(PHR)包含帧长度的信息;可变长度载荷携带MAC层帧信息。物理层数据协议通用帧格式如表1所示。

表1　物理层数据协议单元(PPDU)的帧格式Tab.1 Format of PPDU frame

由表1可见，PPDU是由物理层有效载荷物理层服务数据单元(PSDU)，即需要物理层发送的数据以及前面的附加同步包头和物理层包头组成的。

3.2物理层数据收发服务

(1)使用PD－DATA原语收发数据帧PDDATA.request和PD－DATA.confirm，用于发送数据帧;使用PD－DATA.indication，用于接收数据帧。

(2)128 B的射频数据缓冲区。

①发送射频数据缓冲区TXFIFO;②接收射频数据缓冲区RXFIFO;③通过RFD寄存器，读取RXFIFO和写入TXFIFO;④清空TXFIFO和RXFIFO，用立即指令ISFLUSHTX和ISFLUSHRX;⑤CC2530提供了一个强大的MDA模块，并专门配置了射频触发事件，以协助MCU处理RXFIFO数据的搬运，将FIFO的数据搬至数据内存区。

(3)数据发送和接收的实现。

物理层数据发送时，需要先调用函数PHY_ RxMode_Off()关闭射频接收机，而数据接收时，则需要通过调用函数PHY_RxMode_On()以开启射频接收机。当物理层接收到数据后，主动向MAC层发送数据指示原语，MAC即获得了数据和链路质量等信息。

当存放在RXFIFO的数据序列长度达到接收阈值或数据序列构成了一个完整的PSDU时，射频收发器触发中断RFIF.FIFO通知MCU;然后MCU将数据从RXFIFO中搬运至某预定内存区域;紧接着通知协议栈MAC层，交由MAC层对数据帧进一步处理。

4　组网测试实验

现场测试过程中，设计1个协调器节点、1个路由节点、3个终端节点，终端节点上分别接上CO、CO2、SO2、PM2.5、风速、风向、温湿度等传感器，将协调器通过USB串口连接上位机，设置上位机参数，选择COM1，波特率为38 400 bit/s。监控界面显示各个节点实时、历史监测等数据曲线。

4.1数据计算测试

由于接收的数据为十六进制的数据，需要转换为十进制float型数据，如“CA”对应的十进制数为202。同时，由于无线传感器网络的协调器传输的数据为传感器输出的电压值，需要根据传感器的特性曲线计算相应的环境参数。数据数据帧的分配情况如表2所示。

表2　数据帧的分配情况Tab.2 Distribution of data frame

按照以上格式分割数据帧后，将各自传感器的十六进制电压值转化为十进制的电压值进行计算。以下的voltage为传感器电压。

(1)CO2计算公式为: voltage×0.305 18;

(2)SO2计算公式为:500×(voltage×3.3/32 767－0.22 )/4.78;

(3)风速计算公式为: voltage/1 092;

(4)烟尘颗粒物计算公式为:0.5×(voltage×3.3/ 32 767－0.4)/3.3;

(5)温度计算公式为: voltage×0.062 5;

(6)CO计算公式为: 10 000×(voltage×3. 3/ 32 767－0.23)/4.88。

4.2系统稳定性测试

由上位机的历史曲线显示可知，系统监测到的CO、CO2、温湿度等数据在一天内变化平稳，在不同的时间段里监测到的数据均符合一般环境下的环境参数。而风速则会有比较大的数据起伏，主要是因为环境里风速的不确定因素大些。

5　结束语

针对石化厂区环境监测的需求，提出石化厂区环境监测终端系统。系统采用STM32作为主控制器，提高了系统的运行速度和数据处理能力;采用太阳能板和12 V铅蓄电池双电源供电，延长了无线网络的寿命周期;利用Z－Stack协议栈组建了星型拓扑结构的无线传感器检测网络;利用QT编写的上位机监测软件，完成数据的接收、处理、显示以及云存储，大大加强了监测系统的可操作性，并且使得监测界面更加友好。经过多次的测试和长时间的观察及改进，系统运行安全稳定，解决了目前石化厂区有毒气体监测、预警实时性差等问题。下一步工作是如何运用大数据观点处理、挖掘采集来的海量数据。

参考文献

［1］王文博，赵培陆，梅笑东，等.基于ZigBee的无线传感器网络大气监测系统设计［J］.传感器与微系统，2014，33(2):83－86.

［2］陈岩，闫云浩，谭婷，等.基于WSNs多参数水质监测的终端设计［J］.传感器与微系统，2014，33(10):83－86.

［3］张锋，曾俊林，李凯亮.基于物联网技术的石化厂区环境在线监测系统［J］.化工自动化及仪表，2015，42(3):267－272.

［4］许东，操文元，孙茜.基于CC2530的环境监测无线传感器网络节点的设计［J］.计算机应用，2013，33(S2):17－20，22.

［5］袁红春，汪辰，梅海彬.一种实用于近海环境监测的WSNs节点设计方法［J］.传感器与微系统，2015，34(4):85－88.

［6］张锋，李凯亮，曾俊林.嵌入式系统的太阳能双电源系统设计［J］.单片机与嵌入式系统应用，2014，14(168):35－39.

［7］闫宏浩，陈天华.水质监测无线传感器网络的硬件设计［J］.传感器与微系统，2015，34(4):81－84.

［8］李银华，姬光锋，韩郡业.无线传感器网络在温室环境监测系统中的应用［J］.自动化仪表，2010，31(10):61－64，67.

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［10］于凯，谢志军，金光，等.低功耗无线传感器网络节点设计与实现［J］.微电子学与计算机，2012，29(9):157－159，163.

Research and Design of the Environment Monitoring Terminal for Petrochemical Plant Area

张锋曾俊林
(广东石油化工学院，广东茂名525000)

摘要:针对石化厂区毒气泄漏监测与预警困难等特点，以STM32单片机为核心，CC2530为无线通信模块，采用太阳能板和12 V铅蓄电池双电源供电，利用Z－Stack协议栈设计石化厂区环境监测终端。该终端能自动采集、发送CO、CO2、温度、湿度、风速、风向以及PM2.5等环境参数，并与监控中心实时通信，完成了数据采集、存储和传输。实验结果表明，终端设备具有良好的稳定性以及高效通信性能，为石化厂区环境自动监测提供了有效的方法和手段。

关键词:石化厂区监测终端Z－Stack协议栈无线传感器网络在线监测预警TCP通信协议智能化工厂

Abstract:Aiming at the problems that it is difficult to monitor toxic gas leakage and issue early warning in petrochemical plant area，with STM32 as the processing core，CC2530 as wireless communication module，and using dual power supply of solar panels and 12 V lead storage battery，the monitoring terminal is designed by adopting Z－Stack protocol stack.The terminal can automatically collecting and sending the CO，CO2，temperature，humidity，wind speed，wind direction，PM2.5 and other environmental parameters，and communicate with monitoring center in real time，to achieve data acquisition，storage and transmission.The results of experiment indicate that the terminal equipment has good stability as well as high efficient communication performance，it provides an effective method and means for environment automatically monitoring in the petrochemical plant area.

Keywords:Petrochemical plant area Monitor terminal Z－Stack protocol stackWireless sensor networks(WSNs)Online monitoring Early warning TCP communication protocol Intelligent plant

中图分类号:TH－39; TP274

文献标志码:A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000－0380.201603014