基于物联网技术的石化厂区环境在线监测系统

张 锋 曾俊林 李凯亮

(广东石油化工学院，广东 茂名 525000)

传统的环境监测系统多由人工操控，由于人力和物力的限制，监测面仅限于几个断面和点，监测频率也是每月数次，不能保证所测数据的准确性和时效性，难以实现对环境要素全时段和全方位的动态监测[1]。近年来，环境在线监测方面的相关设备和软件的研发成果也比较多，国内的诸如中国环境科学研究院、华南理工大学及湖南力合科技等科研院所、高校和高新技术企业相继研发了环境在线监测系统，都取得了一定的成果[2]。但是这些产品大都存在一些缺陷，如只具备个别的监测功能、监测数据类型单一、数据采集传输速度慢、智能化程度低、界面不直观、不符合相关的国家标准及综合性差等[3]。针对这些问题，笔者以广东茂名石化厂区的实际环境监测需求为背景，设计其远程环境在线监测系统，以期科学管理废气的排放，为生活在厂区和周边的人们营造良好的生活环境。

根据广东茂名石化厂区的实际环境监测目标，要求远程环境在线监测系统具有以下功能：解决现场电源布线困难的问题；低成本，并能在线实时监测环境参数的功能；实现数据以曲线形式进行对比分析，并且至少存储一年，便于历史数据的查询和补足；固定式与便携式相结合，以实现随时随地网络在线查看环境数据，根据监测数据对废气排放进行科学管理。

2 系统结构与工作原理

广东茂名石化厂区的远程环境在线监测系统的系统架构如图1所示，包括传感器节点、汇聚节点和监测中心。传感器节点分别放置在待检测区域周边，通过自组织方式构成网络(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数据的采集，数据沿着其他传感器节点逐跳传输，在传输过程中监测数据可能被多个节点处理，经多跳路由后到达汇聚节点(各子站网关)；汇聚节点对收集到的数据进行处理分析并通过以太网将结果传送到监测中心，监测中心的管理员对收集到的数据做出判断或者决策后[4]转发给环保局和用户。

图1 远程环境在线监测系统网络构架简图

3 硬件部分

远程环境在线监测系统的核心设备无线传感器节点通过购买芯片和自主设计完成制作。该节点的硬件设计框图如图2所示。

图2 系统硬件框图

每个传感节点自动采集环境信息，并结合预设的环境参数上下限进行分析，判断是否需要执行动作以及何时停止。传感器网络分布于监测区域内，将采集到的数据发送给就近的无线路由节点，路由节点根据路由算法选择最佳路由，建立相应的路由列表(列表中包括自身的信息和邻居网关的信息)。无线网关负责无线传感器节点的管理。通过网关把数据传给远程监测中心，监测中心可以通过PC机、智能手机或者任何具有浏览器功能的设备对Web服务器发布的数据进行查看[5]。

3.1 传感器节点硬件

湿度传感器采用DHT11，全称为数字温湿度传感器，是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合式传感器，适合应用于各种条件苛刻的工作环境中。

温度传感器选用DS18B20，其供电电压范围3.0～5.5V，无需备用电源，性能稳定，应用范围广泛，适用于工业系统等各种场所。

二氧化碳浓度测量采用MG811模块，MG811传感器对CO2具有良好的灵敏度和选择性，同时具有良好的稳定性和再现性[6]，受温湿度变化的影响较小，输出方式可采用电平输出方式和模拟量输出方式。

风速测量采用HL-FS2电压型模拟输出风速传感器，供电电压12V，输出电压0～5V，测量范围0.0～30.0m/s，测量精度0.5m/s，抗干扰能力强，性能稳定，制作材料为防腐合金，适用于环境恶劣的工业环境。

风向传感器采用HL-FX2电压型模拟输出风向传感器，供电电压12～24V，启动风速0.5m/s，分辨率0.1m/s，可指示16个方位。

3.2 网关

考虑到网关数据较大，因而选用Tiny6410开发板为硬件平台，此嵌入式网关连接内外信息传输通道皆采用无线方式，外部网络以基于IP网络技术并提供通用分组无线业务的GPRS通信网络为基础[7]。内部网络采用短距离和低功率的ZigBee无线通信技术，结合现场采用专业传感器对空分装置环境中的CO2、温湿度及气象参数等数据进行采集和传输。

3.3 电源模块

为使节点适应石化工业环境并长期而稳定地工作，选用双电源系统供电，并利用太阳能电池板对电池进行充电。电池电量由节点的主处理芯片CC2530实时跟踪，使用的是CC2530提供的ADC模数转换功能。在CC2530芯片中先设定好某一阈值，当到达这一阈值时主处理芯片便对电池进行切换，使供电系统稳定工作。切换之后，备用电池接入节点的核心系统进行供电，而原供电电池开始充电，这样便实现了节点的稳定持续工作。

为满足不同传感器的供电需求，电池采用标准电压输出12V的大容量进口原厂锂离子电池。本模块使用的稳压芯片分别是L7805CV和L7806CV，分别提供稳定的5V和6V电压，双电源由CC2530控制的两个继电器实现电路切换。

3.4 基于S3C6410的便携式监测平台

便携式监测平台由ARM11，S3C6410的核心板、ZigBee、7寸触摸屏驱动电路和串口驱动电路组成。由ZigBee无线接收模块接收来自终端节点的数据，经串口驱动电路并送往6410处理器处理数据，数据经过相应处理后在触摸屏显示。同时当触摸屏被点击时，也会触发相应的操作。便携式监测平台的硬件框图如图3所示。

图3 便携式监测平台硬件框图

4 软件部分

4.1 ZigBee协议栈构建

该环境监测系统的软件设计是基于Z-Stack-CC2530-2.3.1-1.4.0协议栈进行设计的。首先，选用GenricApp例程，新建工程，修改底层以适应硬件电路；其次，在工程中添加新建的任务ID，任务中添加的事件主要包括按键事件、无线接收事件、串口接收事件和定时器触发的事件，其中利用定时器分时来产生的事件有二氧化碳浓度采集事件、温度采集事件、湿度采集事件、风速采集事件、风向采集事件、数据发送事件、休眠事件和电源的检测与控制事件，另外接收节点还要添加一个串口发送事件。在接收节点添加串口发送事件，每接收一次终端节点发来的数据就完成一次串口发送事件。采集节点和接收节点的流程如图4所示。

图4 采集和接收流程

然后在终端节点的HAL层添加DS18B20温度传感器、DHT11湿度传感器和CC2530的ADC驱动程序。二氧化碳浓度、风速和风向的输出采集信号采用的是电压型模拟信号，故可利用CC2530芯片提供的8路独立ADC模数转换器对它们进行数据采集。

完成底层和任务ID的添加之后，在APP层初始化串口、初始化定时器、初始化电源检测和控制程序，并完成串口和定时器的设置。串口采用串口0，其中不选用流控制，波特率则选择默认的38 400bit/s。定时器采用8位的定时器3，操作模式采用Clear Timer on Compare，通道模式采用Output_Compare比较输出模式，设置每1ms产生一次定时中断，中断中实现Count变量的累加，当累加到设定的值时便产生一个任务事件，实现定时采集数据、定时发送数据、定时进入休眠及定时唤醒等一系列有序的工作。

4.2 基于Qt的上位机监测平台的开发

上位机使用Qt平台编写程序，Qt是一个跨平台C++图形用户界面应用程序开发框架，具有优良的跨平台特性、面向对象、丰富的API、拓展性强及控件多等优点。

运行本监测平台应用软件时，当有数据从接收数据的协调器上行至PC机串口，触发串口接收信号槽，就会执行串口读取数据的操作。接收完数据后校验数据的完整性和正确性，如果数据正确则执行数据分类存储与分析，并将数据在图表上绘制成曲线；如果校验接收的数据是错误的则丢弃数据。其软件工作流程如图5所示。

采用PHP+MYSQL+Apache编写的网站程序，支持数据通信原理，基于B/S架构通信方式实现了网页端与服务器之间的交流。采用Ajax无刷新页面技术，管理者就可以看到石化厂区实时的信息，同时还可以在网页上看到各个时期的数据变化，对于统计和分析数据提供了数据支撑。在网页上，用户还可以进行石化厂的易燃易爆气体、有毒气体和粉尘的实时在线监测分析，形成直观结果以便了解石化厂环境参数的最新情况。

图5 Qt软件工作流程

5 试验结果与分析

5.1 接收数据测试

串口接收截取的部分原始数据见表1。

表1 串口接收截取的部分原始数据

注：第1帧数据为没有任何操作时测得的；第2～7帧数据是通过人为改变传感器所处的环境状况，以获得不同参数。

由表1中的数据可以看出：二氧化碳浓度采用ADC模数转换进行检测，由第一帧数据可以看出电压值VCO2=value×3.3/32767=0x0C93×3.3/32767=324mV；同样可以计算出第2～7帧的数据电压值分别为314、310、308、308、305、305mV。对照MG811灵敏度特性曲线，可知二氧化碳浓度值分别为0.4‰、0.6‰、0.7‰、0.8‰、0.8‰、1.0‰、1.0‰。可见数据逐渐增大，即二氧化碳浓度逐渐增大，说明传感器工作正常，变化灵敏。

温度计算公式为T=tem×0.0625。即以上7帧数据的温度分别为：29.625 0、31.062 5、32.250 0、32.250 0、32.625 0、32.875 0、33.062 5℃。温度值逐渐上升，和温度计测量数据一致，可见温度传感器工作正常，数据接收也正常。

湿度为相对值，由原始数据转换为十进制的数据即可，即相对湿度分别为46%、47%、51%、52%、54%、56%、55%。数据和湿度计测量值一致，测试正常。

风向和风速的都是通过ADC模数转换获得的。风向电压计算公式V=value×3.3/128。故风向对应采集到的电压值为3.17、3.17、2.93、2.52、2.37、2.11、1.67V。风向的数据接收范围为0x00～0x7F，共16个方向，每个方向的数据间隔为8(7F/16)，则WD_Num=(WD_Data-3)/8，WD_Num的范围为0～15，分别代表16个方向：北、东偏北72.5°、东北、东偏北27.5°、东、东偏南27.5°、东南、东偏南72.5°、南、西偏南72.5°、西南、西偏南27.5°、西、西偏北27.5°、西北、西偏北72.5°。因此表1的数据分别代表的风向是：西偏北72.5°、西偏北72.5°、西偏北27.5°、西偏南27.5°、西偏南27.5°、西偏南72.5°、东偏南72.5°。测试结果均与转动的角度相符合，即指向可正常采集。风速电压计算公式V=value×3.3/32767，故风向对应采集到的电压值为0.000、0.810、0.488、0.379、0.337、0.325、0.307V。而风速传感器的检测范围是0～30，则对应0～0x7FFF的电压范围，即风速公式WS=30/0x7FFF·WS_Data。故表1对应的风速分别为0.00、7.37、4.44、3.44、3.06、2.96、2.79m/s，第一个数据到第二个数据的突变是因为手动转动风速传感器，风速传感器瞬间获得转速引起的；然后由于存在摩擦阻力而逐渐减慢，直到最后停止转动转速接近0，可见测试结果也正常，可以正常进行风速检测。

5.2 上位机接收测试

将ZigBee接收设备(协调器)通过USB串口连接上计算机，并开启设备的电源开关，可看见节点LED灯开始闪烁，节点开始组建网络；将采集节点设备上的传感器等各个模块组装好，开启电源开关，节点开始初始化并准备加入网络，指示LED灯由快闪变为慢闪，表示节点已经加入网络并定时向接收节点发送数据。

开启上位机，设置COM口和波特率，选择COM1，波特率38 400bit/s。监测界面显示各个节点实时监测数据，其中节点1数据的分析结果如图6所示。

图6 节点1数据分析

6 结束语

基于物联网技术的石化厂区环境在线监测系统可以在石化厂区空分装置空气吸入口布置节点，用于监测大气CO2浓度，分析CO2来源，并提供控制措施；实时测量气象参数，监视风向变化带来空气质量的变化。在石化厂区内，经过多次的测试和长时间的观察与改进，系统已经能够正常持续而又稳定地工作了。同时，也可以在其他石化设备附近设置节点，有效预防有毒气体的泄漏和扩散；在不同的场所，只需添加不同的传感器即可采集到不同的环境参数，系统的升级和功能的扩展更加简单、方便快捷，不仅在石化厂区可以推广应用，在其他远程监测领域也有一定的借鉴价值。

[1] 贾立明.污染源自动监测系统国内外研究进展[J].环境科学与治理，2013，38(3):129～133.

[2] 李琳.环境在线监测信息系统研究分析[J].知识经济，2010，(18):105.

[3] 吴银芳.基于.NET的化工园区环境在线监测系统的研究[J].电脑编程与维护，2012，(22):59～60.

[4] 侯培国，雷巧玲.基于无线传感器网络的空气质量检测系统[J].工业仪表与自动化装置，2009,(3):109～112.

[5] 张锋，黄树州，林继良.基于物联网技术的设施农业在线监控系统[J].物联网技术，2014，4(2):34～37.

[6] 殷松迁，郭培源，王建华.基于嵌入式及ZigBee技术的居室环境监测系统[J].电子技术应用，2012，38(8):23～25,29.

[7] 丁欣，孙智卿，郭鹏举.基于ARM的智能温室远程监测系统设计[J].山西农业大学学报，2012，34(2):56～60.