基于物联网技术的石化厂区有毒气体泄漏在线监测系统

张 锋，李凯亮，曾俊林

(广东石油化工学院，广东茂名 525000)

0 引言

随着化学工业的发展，易燃易爆和有毒气体的种类和范围都在不断扩大，各种高温高压设备内常装有剧毒或易燃气体，一旦发生泄漏事故后，将造成不可估量的后果，所以这就要求必须迅速可靠地检测出空气中这些气体的含量以及泄漏位置，并能及时发出报警和采取快速有效措施进行补救［1］。国内外对有毒气体的监测做了许多研究，X J Chao等提出在对 H2S气体进行监测时，对传感器选择网络组建和节点能耗模型进行了研究［2］;陈昌涛等对化工生产过程中有毒气体的智能监测进行研究，给出了系统设计方案，实现了1台PC机完成对整个现场有害气体浓度的监测［3］;侯昭武等对移动终端和GPRS技术结合的有毒气体监测仪进行研究，实现了终端节点移动和有毒气体的远程监测［4］;高同辉等对基于ZigBee无线网络有害气体监测系统进行了研究，实现了对H2S、CO和CH4三种有害气体浓度采集［5］。这些系统存在功能单一、移动性差、布线困难等不足之处。

本文介绍一种运用物联网技术的石化厂区有毒气体泄漏在线监测系统，此系统通过在安全生产区放置多个基于CC2530的无线传感器子节点，通过在厂区部署多个终端节点并检测所在地区的环境参数并将之发送至监测平台，由监测平台综合分析多个节点的参数后采取相应控制措施。实现有毒气体浓度实时检测显示和超限报警功能。同时，搭建网络监控平台以及安卓手机端的移动监控平台，实现管理人员实时监测生产安全情况，提前预警，保障人员、设备、环境安全。

1 系统组成

本系统主要由终端节点、基于Z－Stack协议栈的ZigBee无线网络、PC监控平台应用软件、ARM便携式监控平台、网络监控平台、安卓手机监控平台和智能太阳能电源等模块构成。系统框架如图1所示。

终端节点将检测的环境参数通过无线网络传输到PC监控中心，由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，还开发了基于ARM的便携式监控终端以及WIFI可移动节点小车。

图1 系统功能框图

2 系统硬件设计

2.1 监控终端节点设计

终端节点包含传感器阵列、ZigBee功能模块和电源模块。监控终端节点结构图如图2所示。

图2 监控终端节点结构图

温度传感器选用DS18B20，测量精度为±0.5℃。湿度传感器采用DHT11，湿度测量精度为±5%RH。风速测量采用HL－FS2电压型模拟输出风速传感器，测量精度达到0.5 m/s。风向传感器采用HL－FX2电压型模拟输出风向传感器，分辨率为0.1 m/s，可指示16个方位。MQ－136传感器对H2S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。光学粉尘传感器选用传感器GP2Y1010AU0F，能够分辨烟气和粉尘等。

CC2530是 TI公司推出的最新一代ZigBee标准芯片，它集8051处理器和射频收发模块于一体，同时还具有丰富的 GPIO以及7路12位A/D，使得系统可在最少外围、最低成本的设计中进行［6］。

基于嵌入式的太阳能电源系统，该系统主要由开关控制电路、控制子模块、稳压子模块、太阳能电池板以及蓄电池组成。由太阳能电池板将太阳光能量转化为电能，使用CC2530芯片作为控制核心，根据采集的主、副电池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。每次只有一个电源在供电，另一个电源在充电，满足了长时间供电的要求。同时，电量信息也可以上传到PC监控平台，实现对电源高效管理。

2.2 基于S3C6410的便携式监控终端

便携式监控终端由S3C6410的核心板、ZigBee无线接收模块、7英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，经过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显示到触摸屏上。同时当触摸屏被点击时，也会触发相应的操作。便携式监控终端硬件框图如图3所示。

图3 基于S3C6410的便携式监控终端

2.3 WIFI移动节点小车

基于WIFI移动节点小车由WIFI无线路由器、USB摄像头、小车驱动主控电路和控制端组成。控制端将控制指令发送至WIFI路由器，再由WIFI路由器发送到主控电路，控制着小车的4个电机，实现小车的移动。WIFI移动节点小车硬件框图如图4所示。

图4 基于WIFI移动节点小车硬件框图

3 系统软件设计

系统软件设计主要包括无线传感器网络的软件设计、基于Qt的监控平台软件设计、基于S3C6410的便携式监控平台软件设计、基于互联网的网络监控平台软件设计和基于安卓监控平台的软件设计。

3.1 基于Z－Stack的无线传感器网络软件设计

本系统的无线传感器网络的软件设计是基于ZStack－CC2530 －2.3.1 －1.4.0 版本的协议栈进行设计开发的。

首先，新建自己的工程，修改底层以适应自己的硬件电路。其次，在工程中添加自己的任务ID，任务中添加的事件主要包括了按键事件、无线接收事件、串口接收事件、定时器触发的事件，其中利用定时器分时来产生的事件包括有毒气体浓度采集事件、温度采集事件、湿度采集事件、风速采集事件、风向采集事件、数据的发送事件、休眠事件和电源的检测及控制等事件;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。第三，完成底层和任务ID的添加后，在APP层初始化串口、初始化定时器、初始化电源检测及控制程序，并完成串口和定时器的设置。最后，可选择设置NV的ID号，并创建NV项，开启非易失性存储器，以保存网络信息等节点的重要信息，这对实际项目的开发很重要，在实际应用中都要开启此功能，以便使系统的网络更加稳定、可靠。

3.2 基于Qt的监控平台的软件设计

监控平台采用Qt编写，Qt具有优良的跨平台特性，拓展性强，控件多。使用Qt类编写的程序可以实现“一次编码，多处编译”，极大降低了跨平台开发的难度。当程序开始启动时，首先创建3个子线程，包括主线程(处理界面操作)、串口线程(接收数据并处理)和TCP发送线程(发送数据到网络服务器)。当串口有数据到来时，触发接收数据的信号槽，将数据接收并进行相应的处理，并将数据存储到数据库。程序设定每隔一段时间就将存储在数据库的数据以JSON格式通过TCP Socket发送到网络服务。

3.3 基于互联网的网络监控平台设计

采用PHP+MYSQL+Apache编写的网站，支持数据通信原理，基于B/S架构通信的方式可以实现网页端与服务器之间的交流。采用Ajax无刷新页面技术，管理进去以后就可以看到石化厂有毒气体的实时信息，同时还可以在网页上看到各个时期的数据变化，对统计数据、分析数据提供了数据支撑。在网页上，用户还可以对石化厂区的有毒气体、粉尘进行实时在线监控分析，形成直观结果以便了解到石化厂有毒气体最新情况。

3.4 基于S3C6410的监控平台软件设计

基于S3C6410的便携式监控平台基于Linux系统开发，利用Qt for ARM以及Arm－Linux－Gcc交叉编译工具链，也正是Qt的优良跨平台特性，使得便携式监控平台开发可以与PC机上的监控平台保持一致，减少了开发工作量，仅需要修改一些细节问题，如Linux系统与Windows系统对串口调用方法的不同和读取格式转化问题。

3.5 安卓端监控应用软件设计

安卓端监控平台可以显示由PC监控平台上传至云平台的节点参数，在手机可以连接网络的地方随时随地的对数据进行监测。利用TCP通信，获取存储在服务器的数据。应用基于Qt For Android平台，同属于Qt框架，可以与电脑端的监控平台同步维护更新，开发较方便。应用启动时，通过网络发送标识号至网络服务器，通过验证后与网络服务器建立TCP连接，一直监听服务器的指定端口，当服务器接收到电脑监控平台上传的数据，执行保存数据的同时也会转发数据至安卓应用，实现实时监控。数据传输的格式同样按照JSON格式，方便处理和提取。

4 系统调试运行

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，设置串口，采用串口0，其中不选用流控制;波特率选择默认的38 400 bit/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1 ms产生1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，定时唤醒等一系列有序的工作。

监控平台主界面如图5所示。监控平台支持用户登录注册、实时数据显示、历史数据查询、历史警报查询、报警设置等功能。

图5 监控平台主界面

图5显示了2014年7月22日系统运行时记录的实时数据和数据变化曲线图。实时数据显示CO浓度、温度、湿度、风速、风向、烟尘颗粒物浓度以及太阳能双电源的电量;报警历史查询显示节点2超标历史记录;曲线分别表征CO浓度变化趋势、温度变化趋势、湿度变化趋势、风速变化趋势，圆盘状的16个方位表征风向的16个方向。

网页端界面如图6所示。网站主要设计了实时监测、监测装置管理、权限管理、服务管理等几个模块。实时监测包括厂区监测、数据曲线图、节点实时数据、节点监测历史记录，监测装置管理负责处理节点信息，权限管理包括管理员列表和管理员操作日志，服务器管理包括Socket服务端信息和服务端运行日志，文章管理包括文章分类和文章列表。

安卓监控界面分别如图7所示。

5 结束语

系统在广东省石化故障诊断重点实验室运行1年，实现了预期功能，主要包括:

(1)太阳能智能供电功能:利用太阳能充电，解决了厂区户外工作供电布线难的问题;采用主副双电源供电实现电子仪器户外长时间工作的供电要求;实时监测电源电压值，当出现两个电源都电量不足的异常情况时，可以触发警报，提醒工作人员前往终端节点更换电源。

(2)环境监测功能:监测节点附近的有毒气体浓度、环境的温湿度、风向、风速及PM2.5烟尘颗粒物，发送至监控平台，由监控平台分析是否达到报警条件，防止温度、湿度过高造成生产安全隐患。在发生安全事故(即有毒气体泄漏)时，可以通过风速与风向参数预测有毒气体的走向，提前向可能发生有毒气体中毒的地点人员预警，保障人员的安全。

(3)ARM便携式监控终端功能:方便管理员对各个节点数据的查看，在节点附近的工业设备进行维护的时候可以随时查看节点数据，保证了施工人员的人身安全。

(4)基于互联网的网络监控功能:管理人员可以在任何地方进行操作而不用安装任何专门的软件，只要有能上网的设备就能随时查看终端节点数据，使得监控更方便。

(5)安卓手机端应用实时监控功能:管理人员可以随时随地对数据进行监控，方便快捷。

(6)WIFI移动节点小车:可以通过WIFI路由器传输回来的视频进行小车的控制，小车搭载终端节点在管理人员的控制下开到泄漏的危险地区，将环境参数采集回来，保障救险人员的安全。

［1］孙凌宇.危险化学气体泄漏报警系统的研究:［学位论文］.天津:河北工业大学，2005:1－2.

［2］CHAO X J，DARGIE W，LIN G.Energy model for H2S monitoring wireless sensor network.IEEE International Conference on Computer Science and Engineering，2008.

［3］陈昌涛，任丽静，程明，等.基于化工生产过程的有害气体智能监测系统.仪表技术与传感器，2011(10):56－57.

［4］侯昭武，曾彦.智能化有害有毒气体污染源监测仪的研究.环境科学与技术，2012，35(8):120 －123.

［5］高同辉，杨立峰.基于ZigBee的有害气体检测系统设计.电视技术，2013，37(13):202 －207.

［6］张青春.基于CC2530农作物生长参数监测无线传感器节点的设计 .制造业自动化，2013，35(1):44 －47.