基于ZigBee的危险化学品仓库无线监测系统设计

魏东格，张嘉琪，谢继标，杨慧闻，苏俊全

（天津理工大学 环境科学与安全工程学院，天津 300384）

根据我国《危险化学品目录（2015 版）》，目前已知的危险化学品（简称“危化品”）有2828 类，约数万种。 随着我国国民经济及工业化的快速发展，化学品的使用领域越来越广泛，危化品的使用在种类和数量上不断增加，与人民生活的关系也越来越紧密，与此同时危化品的安全管理及使用问题也变得越来越突出，由危化品自身所属的危险性质而引发的事故在途径、程度、范围等维度内也在逐步增大。安全使用化学品包括化学品的产出、运输、存储3个方面[1]。 其中，存储最有可能存在隐患，数据表明危化品事故的9%发生在仓储过程中[2-3]。 2015年天津港“8.12”瑞海公司危化品仓库发生特大火灾，造成了巨大的人员伤亡和财产损失，震惊全国[4]。

为了将危化品安全地存放在仓库之中，需要监测系统对其环境参数进行监测和调节，同时要求监测系统能够实时工作并且在长时间内稳定运行。ZigBee 技术功耗低、成本低、延时短、容量高等特点恰好契合这一需求[5-6]。故在此基于ZigBee 设计了危险化学品仓库无线监测系统。

1 无线监测系统设计

该系统利用ZigBee 无线通讯技术与RS-485 技术相结合，与传感器组成下位机采集模块，并将数据发送至上位机PC 端，由计算机编写LabVIEW 控制程序，处理并分析环境参数。 所形成针对危化品仓库的中距离范围无线监测系统[7-8]，可以改进传统仓库监测的效果，从而更好地保证危险化学品仓库的安全运转。

1.1 无线监测系统硬件设计

系统整体结构框图如图1所示，实物如图2所示。 选取具备RS-485 通讯协议的温湿度等传感器[9]，利用485 总线的电源正负接线脚，使用锂电池为其供电，利用A，B 接线口将采集数据传输至ZigBee终端，同时将电源电压12 V 连接到降压模块，经降压模块输出5 V 电压，为ZigBee 终端供电。 计算机通过USB 接口连接ZigBee 协调器，从而实现远程无线对危化品仓库的基本环境参数的采集与传输[10]。其中，ZigBee 芯片采用SZ05-ADV-RS485 嵌入式无线模块，标准串口RS485 数据接口，可以实现多点间的数据通讯，最大传输距离能够达到200 m。

图1 系统整体结构框图Fig.1 Block diagram of the overall structure of the system

图2 系统整体实物Fig.2 Overall physical object of the system

1.2 无线监测系统软件设计

软件部分基于LabVIEW 开发平台编写，使用图形化编辑语言G 编写程序，产生的程序为框图形式，能够有效地将信息采集模块与计算机结合起来。 程序后台如图3所示。

图3 LabVIEW 程序框图Fig.3 LabVIEW block diagram

采集模块通过Modbus 协议将采集到的信息“打包”，经过ZigBee 网络传送至计算机。 通过I/O控制单元软件对不同传感器进行识别编号，因此能够清晰地区分出不同传感器之间的数据传输。 此处，上位机软件选用虚拟仪器软件架构 （VISA）函数，VISA 函数可以通过改变VISA 的配置参数来实现与不同接口之间的连接。 上位机主控部分的整体结构即为实现串口通信的结构，整个串口通信的结构可以拆分为4 个主要部分：

1）串口初始化配置与串口的选择 通过VISA配置串口控件对串口进行初始化配置。 配置完成后，将移位寄存器存储串口与所选择的串口进行对比。 若两接口不一致，需将移位寄存器中串口关闭，对新串口重新配置，并设置串口缓存区大小；若一致，则直接进行下一步操作。

2）发送指令 主要通过指令发送子VI 来实现。 指令发送子VI 中含有VISA 写入控件，将发送的指令、设置的参数等写入缓存区。

3）数据接收 先通过属性节点读取串口写入数据的位数，判断与移位寄存器储存的上次操作读取的位数一致且不为0 后，进行VISA 读取操作，并显示接受数据的个数。 读取的数据通过CRC 校验子VI 实现对数据的校验；通过数据接收子VI 实现对接收数据的显示及设置命令的反馈，还可以判断各参数是否达到报警限值而决定是否启动报警信号。

4）数据储存 生成日志文件，实现存储数据功能。

2 危险化学品仓库无线监测系统实测

2.1 测试方案及过程

监测系统采用阈值比较法来判断环境参数是否正常，即针对不同参数为其设定上、下限。 当接受到的数据处于安全阈值之内时，仅做记录而不做其他处理；当参数超出设定阈值范围时，软件交互界面有相应的报警提示，并且与报警系统联动。 其逻辑关系如图4所示。

针对危化品仓库，考虑到温湿度、气体压力、火灾报警等参数是判断监测仓库处于临界状态及其重要的指标参系统[11-12]，该监测系统应由多气体报警器、红外火灾报警器、酒精传感器、温湿度传感器、烟雾报警器、有毒气体（CO，H2S，SOx等）传感器等组成。 传感器均采用标准RS485 通讯方式和Modbus 通讯协议。

图4 逻辑关系Fig.4 Logical relationship

仓库温度的管控是危化品仓库管理的重中之重，本田汽车（中国）有限公司就通过引进某品牌温度智能化监控系统，使危化品仓库的管理现状得到有效改善[13]。 因此，为测试监测系统的性能，采取在实验室人为改变测试环境的试验方法，分别测得温湿度、室内烟度等2 组数据。 采用HSTL-104WS 数显温湿度变送器，其温度范围为-20～80 ℃，RS485输出，且变送器本身具有显示功能，可与上位机电脑实时比对。 温湿度测试结果如图5所示，交互界面可以显示单一参数曲线或同时显示多种参数变化情况。

图5 温湿度测试结果界面Fig.5 Temperature and humidity test result interface

起初传感器显示为室温及室内空气湿度。 由图可见，随着向传感器发射沸腾的水蒸气，传感器反应迅速，湿度明显上升，且温度变化不大。 然后将干燥的热风吹向传感器，随着热风将水蒸气带走，湿度数值逐渐下降，同时温度上升。 最后，撤除所有人为干预数值重又逐渐恢复到室温状态，即符合物理规律，又能够实时准确地传输数据，并在LabVIEW交互界面显示出实时的数值和变化曲线。

测得另一组烟度变化曲线，如图6所示。 在一封闭空间内2 次点燃纸张，测得对应2 个峰值的曲线，能够反映实际情况。

图6 烟度测试结果界面Fig.6 Smoke test result interface

2.2 测试结果与分析

借助ZigBee 通讯延迟低的特点，将记录频率设计为每秒记录1 次，或相同的任意时间间隔记录1次，极大程度地提高了精准性，可得到连续的变化曲线，直观且清晰地表达所测得的数据。 曲线的变化可以很直观地反映出环境参数的变化过程，具有一定的参考价值。 经过与传感器本身的数字显示比对，延迟几乎可以忽略不计，数据传输准确。

此次试验场地为跨楼层的2 个独立实验室，ZigBee 传输信号受到建筑物墙体的影响，降低了数据传输的稳定性，而通过ZigBee 模块的中继功能便可以很好地解决这一问题。 先将终端节点的信号传输到路由器，再由路由器发送时协调器。 因此，跨楼栋传输也是可行的，为危化品仓库的远程监控创造了可能，从而替代人工现场采集的过程。 若为大型场地，还可以通过区域划分，按照相关法规，布置传感器数量，对仓储现场进行无死角全面测量。

在此以温湿度传感器为例，展示该系统的部分功能。 其中包括（如图5和图6所示）交互界面有打开、关闭曲线，保存、打开文件等操作按钮，生成日志文件，便于随时调取记录，并且利用ZigBee 网络拓扑功能最多可以连接256 个任意功能的传感器。另外，通过阈值判断，可以确定环境参数是否处于正常区间内。 当超出预先设定的上下限，交互界面给出相应的灯光提示，并且可以与火灾报警系统联动，第一时间发现异常，第一时间报警，大大降低因为工作人员的反应时间所造成的延误。 通过对采集数据的分析可以更好地总结危化品管理的经验，减小事故的发生率。

该系统采用模块化设计，易于安装维护，可以采用固定安装和移动安装的灵活安装方式，本身自带充电式锂电池，由于ZigBee 芯片能耗很低，因此仅通过锂电池供电就可以达到长时间使用的效果；即插即用，不受建筑结构所限制，由于不需要更改固有线路，尤其适用于临时搭建储存场所或老旧场地。 针对不同场所灵活选择传感器种类，自由搭配，灵活性高，具有很强的实用价值。

3 结语

针对危化品仓库所建立的无线监测系统，可以连续稳定地采集环境参数，并以数字化的形式显示出来，既能省去人为记录的过程，还能与报警系统自动联动，最终达到加强危化品仓储安全管理的目的，具有一定的安全意义。 然而该系统尚有许多待于改进的地方：应丰富不同的模块中不同的通讯方式，对每一个模块实施进一步的细化和优化；将采集到的传感器数据上传至云端，进一步实现“无线”的思想，加强不同管理层对于信息的把控。