基于GPRS和ZigBee的液氨罐区无线监测系统

应华平 李 鸣 娄海强

(南昌大学机电工程学院,南昌 330031)

基于GPRS和ZigBee的液氨罐区无线监测系统

应华平 李 鸣 娄海强

(南昌大学机电工程学院,南昌 330031)

针对传统液氨罐区对各生产参数监控不足及设备分散不便于管理等缺陷，提出基于GPRS和ZigBee无线通信技术的液氨罐区无线监测系统。在介绍系统总体架构和功能的基础上，给出系统硬件方案和部分软件流程。测试结果表明：系统运行稳定，操作界面友好，数据传输实时性与同步性均满足工业需求。

罐区监测系统 GPRS ZigBee 液氨

随着工业信息化和自动化技术的发展，我国2014年公布了《关于进一步加强化学品罐区安全管理的通知》，明确要求进一步完善化学品罐区监测监控设施，并有效防范化学品罐区生产安全事故。

在化工领域中液氨是重要的化工原料，然而液氨罐区生产对温度、液位、压力及气氨浓度等参数监控不足，且大量液氨储罐分布比较分散，传统监控措施无法及时对其进行监控与管理，导致液氨罐区成为发生泄漏、火灾或爆炸的高危场所[1]。液氨罐区有线监测系统的缺陷越来越凸显，经常由于现场线缆出现腐蚀老化而导致生产事故甚至引发火灾。因此，通过短距离无线通信技术使液氨罐区所有设备连成网络，结合远程实时监测功能，实现液氨罐区生产自动化与安全化已成为其发展的必然趋势。

ZigBee无线通信技术具有组网简单灵活、成本低、功耗低及运行安全可靠等特点[2]。GPRS通信技术以其数据传输实时性强、通信距离远、可间断及数据传输时间长等优点[3]，在工业远程监测控制系统中具有巨大的应用前景。在此，笔者基于GPRS和ZigBee无线通信技术，设计液氨罐区无线监测系统，以改善传统监控措施的不足。

液氨罐区无线监测系统分为现场采集终端网络、嵌入式控制端和远程数据监视中心3部分，其总体架构如图1所示。嵌入式控制端为系统核心，考虑到嵌入式主芯片自身性能稳定性、各模块兼容性与扩展性及产品价格等因素，选择S3C2440A芯片作为系统控制中心，该微处理器基于ARM920T内核架构，采用32位RISC指令集，高性价比、低功耗、低成本，具有丰富的片内资源，工作频率400MHz[4]。S3C2440A控制端搭载Linux 2.6系统，外部扩展多种设备，包括摄像头、语音预警、GPRS无线通信及ZigBee协调器等模块，具有液氨罐区状态查询与控制、语音预警、远程短信通知及无线数据输送等功能。

图1 系统总体结构

每个液氨储罐对应安装一个ZigBee无线采集终端模块，采集终端由ZigBee无线收发器、各种传感器及安全锁模块等组成。传感器周期性采集液氨的压力、温度、液位及气氨浓度等参数，经过模数转换、放大、滤波和功能放大，由无线射频将信号发送至协调器。协调器通过无线射频天线接收，再经过放大、降频、滤波、解调及解析等处理后，通过串行口将数据送入ARM处理器分析。如果压力、液位、温度或气氨浓度出现异常，则语音系统将根据异常储罐编号来提醒工作人员对其及时处理。

远程数据监视中心利用GPRS无线网络接收罐区的各种生产参数，一旦进入高危险状态，将通过GPRS网络发送短信到相关工作人员手机，并及时执行安全联锁模块。

2 系统硬件部分

2.1ZigBee无线采样终端模块

ZigBee无线采样终端模块作为数据采集单元，一端连接各种传感器，用于检测液氨罐的参数，另一端连接安全联锁执行模块，用以执行特定的任务。ZigBee无线采样终端模块采用CC2530芯片，该芯片内部集成8051硬核、无线收发器、ADC模块、64KB的FLASH存储器、21个通用GPIO和两个USART接口。其无线发射频率为2.4GHz，最大数据传输速率为250kbit/s。ZigBee无线采样终端模块添加了功率放大PA模块(CC2591芯片)，避免了仅采用CC2530芯片时存在的信号传输距离短、信号强度弱及网络覆盖面积小等缺陷。该设计方案可使信号可靠传输距离达1 000m以上，具有垂直6层穿墙能力，适合大型液氨罐区复杂生产环境。ZigBee无线采样终端模块同时连接了液位、压力、温度及气氨浓度等传感器，其中超声波液位传感器HS-2000无需开孔就能实现液位检测；采用PT212BX传感器测量储罐的压力参数；气氨浓度传感器采用MOT500-NH3；储罐内温度测量采用LVQWC-21温度传感器，其量程-40～60℃。同时，对ZigBee无线采样终端模块中的设备均进行了防爆、耐腐蚀及耐高温等处理。

2.2GPRS无线收发模块

在液氨罐区中，利用GPRS模块将现场生产参数、图片及预警等信息通过短信SMS方式送达远程工作人员的手机中。GPRS通信技术是以GSM技术为基础的无线分组交换技术，在GSM网络基础上添加小部分硬件与软件形成新的GPRS网络[5]。GPRS主要用于间断、突发性或频繁、少量的数据传输，大数据量传输也同样适用[6]，且具有可靠、实时及传输距离远等特点。

现场采用G20模块并结合SIM卡构成GPRS无线收发模块，G20模块内嵌TCP/IP协议栈，与S3C2440A通过串行口连接，另一端连接SIM卡。当GPRS模块上电初始化成功后，在Linux文件系统中将出现对应的设备节点，S3C2440A通过发送AT指令对G20模块进行操作(如SMS功能)，G20模块接收指令后将做出响应。GPRS模块采用PPP协议方式加入外部GPRS网络，并根据特定的静态IP地址，通过TCP/IP协议进行网络数据传输。

2.3安全联锁模块

安全联锁模块包括PID控制器与电磁阀两部分，ZigBee无线采样模块具有PID控制单元，用于对储罐的温度、压力及液位等进行偏差调节；8051微处理器连接三极管放大电路的GPIO引脚，用来控制继电器上电与掉电从而打开或关闭电磁阀。当液氨储罐压力过高时，通过控制电磁阀给液氨储罐泄压至备用储罐；温度过高时，通过控制电磁阀打开液氨储罐顶部喷淋水出口，从而降低液氨储罐的温度。当液氨发生泄漏时，可控制电磁阀打开喷淋水吸收空气中的氨气。当向储罐充液氨且液位过高时，可通过控制电磁阀快速切断充氨口。

2.4语音预警模块

液氨罐区语音预警模块包含多种预警信息，如紧急疏散、液氨储罐的压力、液位、温度及气氨浓度等参数的安全预警与上限预警，如果罐区环境处于预警状态，语音预警模块将发出相应的声音。基于S3C2440A处理器内置的IIS总线控制器，通过IIS、L3总线接口与音频解码芯片UDA1341TS连接，可实现语音预警功能。L3总线接口相当于混频器控制接口，与S3C2440A的3个GPIO输入/输出引脚相连，用于控制声音大小等特性；IIS总线接口物理连线IISDI、IISDO、SCLK、LRCK分别与UDA1341TS芯片的DATA0、DATA1、SYSCLK、WS接口相连。通过S3C2440A设置IISFCON寄存器并选择DMA控制模式，通过IISMOD寄存器设置采样频率、串口接口格式及传输、接收模式等。

基于Linux的音频子系统根据不同芯片提供了不同的功能文件。UDA1341TS芯片由声音播放/录制DSP音频设备和用于控制声音特性的Mixer混频器设备两部分组成，因此Linux音频子系统提供了与其相对应的数字化音频设备文件与混频设备文件。通过Qt/Embedded编写音频播放/录制应用软件，对系统音频节点如数值化音频文件/dev/dsp进行read、write操作，即实现声音的播放和录制。

3 系统软件部分

3.1ZigBee无线网络

基于ZigBee无线通信技术的液氨罐区监测系统，其每个液氨储罐对应安装一个ZigBee无线采集模块，对储罐的温度、压力及液位等数据进行采集并发送。与S3C2440A控制器相连的ZigBee协调器自主创建网络，并监听所有ZigBee无线模块。ZigBee节点组网与入网流程如图2所示。CC2530协调器模块首先进行上电并自身设备初始化，然后进行有效信道扫描，按扫描顺序将能量值不符合的信道排除，并找到最佳组网信道，分配唯一的PAN描述符给该信道。设置协调器网络地址为0x0000，一旦创建网络成功并运行网络后，协调器将等待其他节点入网请求。当获得入网请求信号后，协调器查询ZigBee网络中所有节点的网络地址，选择没有重复使用的网络地址给该请求节点，最后节点被允许入网。

图2 节点组网与入网流程

根据液氨罐区的储罐现场分布特点，ZigBee无线网络采用Cluster Tree型网络拓扑方式。安装在储罐上的ZigBee无线采样模块和安全联锁模块，以30ms的时间间隔对储罐温度、压力及液位等参数进行周期性采集，并通过ZigBee网络直接与S3C2440A上的CC2530协调器通信。ZigBee无线数据采样模块工作流程如图3所示。

图3 ZigBee无线数据采样模块工作流程

在ZigBee网络中每个ZigBee终端子节点的软件通过Oscal_start_timerEx()函数来设置采样时间(30ms)，并利用AF_DataRequest()函数将数据包发射到协调器。协调器CC2530通过RS232串行口总线与S3C2440A通信，协调器不仅用于接收罐区的各种参数数据，还将各种查询与操作指令发送至储罐ZigBee无线节点上。

3.2GPRS无线网络

基于Linux的GPRS无线通信模块要完成正常的数据传输，首先要对G20模块进行初始化，然后连接GPRS网络，并编写数据传输的用户应用程序(即对基于TCP/IP协议的套接字与AT指令进行封装)。其中，G20模块初始化是为了实现与S3C2440A的逻辑连接，可根据G20的上电时序完成模块的初始化，该部分代码在模块驱动文件中实现。采用基于PPP协议的第三方软件实现GPRS无线通信网络连接。由于Linux系统源码中已集成TCP/IP协议栈，故可采用C/S模式下的套接字Socket编写GPRS数据传输应用程序。上层应用程序可通过封装AT指令来完成SMS相关功能，如发送短信指令AT+CMGS、设置短信格式AT+CMGF及查询网络状态AT+CSQ等。

3.3系统测试

使用用户软件Qt/Embedded来设计液氨监控图形界面(图4)，工作人员可通过人机界面查询和控制整个罐区的生产状况，避免了现场各储罐逐一查看。Qt支持TCP/IP协议，具有虚拟缓存FramBuffer[7]。监控软件主要功能包括显示液氨压力及液位等采集参数并对其调节；分析生产参数与临界值的比较，完成预警工作；现场图片获取并通过GPRS推送远程。

图4 监视界面

系统软件以厂房车间作为控制单元，分为1#～4#车间、污水处理车间、洗涤车间和制剂车间。制剂车间内的液氨罐区安装了GPRS、ZigBee无线通信网络。软件监测发现，处于生产初期阶段的1#储罐温度值为12℃、液氨液位1.34m、压力101MPa、气氨浓度为0，无报警异常。系统保存的液氨罐区历史生产参数、系统日志及历史图片等信息，可通过该图形界面逐一清楚地显示出来。

4 结束语

基于GPRS和ZigBee通信技术的液氨罐区无线监测系统，经过测试与验证，系统运行稳定、操作流畅；无线通信技术网络数据传输可靠，具备较好的抗干扰能力，能够满足工业实时性与同步性的要求，适用于液氨生产环境。该无线监测系统改变了传统落后的液氨罐区生产方式，构建更易于管理，安全可靠，便捷高效的生产模式使该监测系统在工业领域具有广阔的应用前景。

[1] 张哲源,谢飞,张苗,等.基于改进层次分析法的液氨储罐安全分析[J].南开大学学报(自然科学版),2014,47(4): 6～13.

[2] 李文军,乐小琴,沈晓昱,等.工业仪表无线数据采集系统的设计与实现[J].自动化仪表,2012,33(4):27～29.

[3] 田羿.基于GPRS网络的数据无线传输接口实现[J].计算机与网络,2011,(22):74～75.

[4] 佟刚,崔明.基于S3C2440A的时统终端系统的设计[J]. 仪表技术与传感器,2012,(7):42～44.

[5] 周慧玲,甘典文,王智威,等.基于ARM/GPRS/ZigBee技术的无线粮情监控系统的设计与实现[J].测控技术,2011, 30(2):11～15.

[6] 张国忠,吴俊,刘毅,等.基于GSM/GPRS的配电变压器实时监测系统[J].自动化仪表,2009,30(1):42～44.

[7] 汤伟,李强.Qt/E的嵌入式Linux GUI研究与实现[J].计算机应用与软件,2011,28(10):260～263.

DesignofLiquidAmmoniaTankFarm’sWirelessMonitoringSystemBasedonGPRSandZigBee

YING Hua-ping, LI Ming, LOU Hai-qiang

(SchoolofMechanical&ElectricalEngineering,NanchangUniversity,Nanchang330031,China)

Considering the insufficient control over the working parameters and inconvenience in managing equipment scattered over traditional liquid ammonia tank farms, having GPRS and ZigBee based to design a monitoring system for liquid ammonia tank farms was proposed. Basing on introducing the system’s overall architecture and functions, the system’s hardware scheme and some software flow charts were presented. Test results show that this system boasts stable operation and friendly interface, and its real time and synchronization in data transmission can satisfy industrial demand.

tank farm monitoring system, GPRS, ZigBee, liquid ammonia

TH862

B

1000-3932(2016)01-0028-04

2015-05-15基金项目：江西省科技支撑计划资助项目(20111BBG70012-2)