基于ZigBee的加氢站环境监测系统的设计

摘  要：氢气具有易燃易爆性质，需要防火、防静电以及防泄漏，氢气在生产、运输和使用等环节都容易发生意外，尤其是加氢站频繁使用氢能更容易发生泄漏事故。本系统通过传感器实时采集加氢站的温湿度、烟雾、氢气和火焰情况，借助ZigBee无线网络将这些数据无线发送给协调器，然后通过串口动态显示温湿度值，当监测到烟雾、氢气泄漏或火焰异常时蜂鸣器报警，为提高加氢站安全性提供有效措施，具有低功耗、低成本、环境友好等优点。

关键词：ZigBee；加氢站；传感器

中图分类号：TP274  文献标识码：A  文章編号：2096-4706（2023）12-0178-04

Design of Environmental Monitoring System for Hydrogen Refueling Station  Based on ZigBee

LIANG Shuiying

（Foshan Polytechnic， Foshan  528137， China）

Abstract： Hydrogen has inflammable and explosive properties. It must be anti-fire， anti-static， and anti-leakage. Hydrogen is prone to accidents in the parts of production， transportation and use， especially the frequent use of hydrogen energy in hydrogen refueling stations is more prone to leakage accidents. The system collects the temperature and humidity， smoke， hydrogen and flame situation of the hydrogen refueling station through the sensor in real time， and sends these data wirelessly to the coordinator with the help of ZigBee wireless network， and then dynamically displays the temperature and humidity value through the serial port. The buzzers will alarm when the smoke， hydrogen leakage or flame anomaly are detected. The system provides effective measures to improve the safety of the hydrogen refueling station. It has the advantages of low power consumption， low cost and environmental friendliness.

Keywords： ZigBee; hydrogen refueling station; sensor

0  引  言

自我国“3060”双碳目标提出以后，全球碳中和共识进一步达成，碳达峰、碳中和也成为社会各界关注的热点。在实现双碳目标的过程，发展绿色能源至关重要。氢能具有清洁、高效、安全及可持续发展等优点，是21世纪以来国际公认的最具有发展潜力的绿色能源之一[1]。氢燃料电池汽车的主要能源供给是氢气，具有绿色环保、能量转换效率高以及零碳排放等优点，受到世界各国强烈关注，全球燃料电池汽车逐步迈向商业化。我国也正在大力发展氢能。在国家政策大力扶持下，我国氢气年产量以及加氢站数量逐年增长。加氢站为燃料电池汽车及其他氢能利用装置提供氢气加注服务，是氢能产业化、商业化的重要基础设施。截至2022年8月15日，我国共建成加氢站260座，除去已经拆除的加氢站，目前运行的加氢站数量为248座。此外，国内已开建或进入招标阶段的加氢站数量达到76座，预计2022年底中国加氢站保有量有望突破300座[2]。

氢气具有易燃易爆性质，需要防火、防静电以及防泄漏，氢气在生产、运输和使用等环节都容易发生意外，尤其是加氢站频繁使用氢能更容易发生泄漏事故，加氢站一旦出现安全事故后果不堪设想。例如，韩国江原道江陵市一家工厂在对容量为400 L的氢气罐进行测试时，氢气罐发生爆炸。可见，加氢站发生氢气泄漏的危害不容忽视，不仅仅对人们的生命财产造成危害，还影响加氢站的正常运行。由于氢能产业的快速发展，加氢站数量逐年增加，加氢站的安全问题不容忽视。张旭[3]在《燃料电池汽车加氢站安全设计要点分析与建议》中提出在加氢站安装安全检测系统，该系统主要进行氢气泄漏检测和氢火焰探测。傅宗化等[4]在《燃料电池汽车加氢站安全设计要点分析与建议》中提出在加氢站安装火气监控系统，该系统用于探测和报告危险气体的泄漏。在此基础上，本文设计一个基于ZigBee网络的加氢站环境监测系统，实时监测加氢站的温湿度、烟雾、氢气和火焰情况，为提高加氢站安全性提供有效措施。

1  系统设计

基于ZigBee的加氢站环境监测系统的整体设计图如图1所示，系统主要由协调器模块、ZigBee终端模块、电源模块、传感器模块、显示模块和报警模块等组成。为保证数据的可靠性和完整性，系统由多个终端节点采集传感器数据。整个系统主要由电源模块进行供电，由烟雾传感器检测是否有烟雾，由火焰传感器检测是否存在火焰，由氢气传感器检测是否存在氢气泄露，由温湿度传感器检测温度和湿度值，通过ZigBee无线网络实时把这些传感器检测到的数据发送给协调器CC2530，由协调器处理各种传感器检测到的加氢站环境信息，然后通过串口动态地显示温湿度值，当监测到烟雾、氢气或火焰发生异常时通过蜂鸣器报警，从而实现对加氢站环境的实时监测以及报警功能，从而加强加氢站的安全性能。

2  系统硬件设计

ZigBee是一种无线网络协议，具有低速、能耗低以及传输距离短等特点[5]，是一种介于无线Wi-Fi技术和蓝牙之间的无线传输网络技术方案，其传输距离比无线Wi-Fi技术短，比蓝牙的传输距离长。ZigBee协议分别为物理层、媒体访问控制层、传输层、网络层和应用层等。ZigBee有自己的无线电标准，其中物理层和媒体访问控制层遵循IEEE 802.15.4标准的规定。

加氢站环境监测系统的ZigBee终端模块与协调器均采用了TI公司生产的CC2530芯片。在CC2530的内部集成了51控制器、有21個数字I/O端口，RF收发器，存储器，具有较高灵敏度的无线接收能力、功耗低、节点设计简单、功能强大等特点[6]，符合本系统无线网络传输的要求。

本系统采用DHT11温湿度传感器，其内部包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，工作电压范围为3.3～5.5 V，测量湿度范围为5 %RH～95 %RH，测量温度范围为-20～+60 ℃，测量湿度精度为±5 %RH，测量温度精度为±2 ℃ [7]，其具有超小的体积、极低的功耗以及卓越的长期稳定性，满足加氢站温湿度测量的要求，DHT11温湿度传感器有4个引脚，接线简单，其中VDD引脚接电源，GND接地，DATA引脚接CC2530终端节点的P0_7。

烟雾传感器和氢气传感器分别采用MQ-2和MQ-8，MQ-2和MQ-8所使用的气敏材料是电导率较低的SnO2。当气体传感器检测到烟雾或者H2存在时，MQ-2和MQ-8传感器的电导率就会随着烟雾浓度或者氢气浓度的增加而增大，将电导率的变化转换为烟雾或氢气浓度相对应的输出信号，从而可以检测出烟雾浓度和判断H2是否发生泄漏。MQ-2可检测烟雾浓度的范围为3×10-4～1×10-2，MQ-8可检测H2浓度的范围为5×10-5～1×10-2。当烟雾传感器MQ-2测得的数据超过设定的值，说明存在烟雾，蜂鸣器发出报警声。当氢气传感器MQ-8测得的数据超过设定的值，说明氢气发生泄漏，蜂鸣器发出报警声。火焰传感器模块由火焰传感器、电阻、电容和比较器LM393等组成，可以检测火焰或者波长在760～1 100 nm范围内的光源，探测角度60°左右，适用于加氢站检测是否存在火焰。

本系统报警模块采用蜂鸣器进行报警，蜂鸣器是通过给压电材料供电来发出声音的。压电材料可以随着电压和频率的不同而产生机械变形，从而产生不同频率的声音。蜂鸣器可以分为有源蜂鸣器和无源蜂鸣器。其中，有源蜂鸣器的内部安装有集成电路，不需音频驱动电路，只要接通直流电源就能直接发出声响；“无源”只有外加音频驱动信号才能发出声响。本系统选用有源蜂鸣器来实现报警功能。加氢站环境监测系统的显示模块通过串口来显示日期和温湿度。PC机与协调器之间采用USB 转串口芯片CH340实现正常通信，PC机通过USB接口来接收ZigBee协调器传送过来的传感器数据[8]。

3  系统软件设计

在ZigBee网络中存在三种设备类型 ：协调器（Coordinator）、路由器（Router）以及终端节点（End-Device）。在一个ZigBee网络中，最多只能有一个协调器，却可以由多个路由器和多个终端设备组成。

一个ZigBee网络有且只有一个协调器。ZigBee协调器是网络中各个节点信息的汇总点，是这个网络的核心，主要负责组建网络、管理和维护网络，并通过ZigBee无线收发信息实现各节点之间的数据传递；ZigBee协调器通过接入天线具有很强的通信能力、单片机信息处理能力和信息发送能力，能够把数据通过无线远程发送至控制端。路由器节点则主要负责转发数据资料包，进行数据的传送和转发，允许节点加入协调器网络并辅助其子节点远程通信；路由器节点则是终端节点和协调器节点的中间节点，它为终端节点和协调器节点之间的通信提供接力服务。终端节点则是把终端的传感器等数据收集传送给协调器，或者接收来自协调器的控制信息，进行终端的控制命令。终端节点既可以直接与协调器相连，也可以根据拓扑结构的不同通过路由器节点与协调器相连。

加氢站环境监测系统选择C语言作为编程语言，本系统软件设计内容主要包含：终端节点软件设计和协调器软件设计，通过IAR Embedded Workbench来完成程序的编写、编译与调试。ZigBee的组网方式有多种，常见的有星型拓扑结构、树型拓扑结构和网状拓扑结构等。不同的拓扑结构适用于不同的情景需求。在星型拓扑结构中，其各个节点通过点到点的方式连接到协调器节点，由协调器节点向终端各节点传递数据。树型拓扑结构是分层结构，具有根和各个分支，看起来就像一颗倒立的树，适用于多分支结构和控制的系统。网状拓扑结构的每一个节点至少与其他两个节点相连，各节点之间通过传输线互相连接，具有相对高的可靠性，但由于网状拓扑结构的网络结构复杂，组网成本较高，不易于日常的管理和维护，极少用于局域网。根据加氢站环境监测系统的实际的ZigBee组网需求，本系统拟采用结构设计相对简单的星型拓扑结构，其中包含一个ZigBee协调器以及多个ZigBee终端，ZigBee协调器主要负责建立新的网络系统，接收数据，然后通过串口显示日期和温湿度值，判断烟雾值、H2和火焰数据是否异常，如果异常则通过蜂鸣器实现报警，其流程图如图2所示。当协调器上电后，首先初始化CC2530和协议栈，主要由协调器节点进行组网操作，然后检查是否建立ZigBee网络成功，如果没有建网成功，则重新建立网络。当网络创建成功后，判断是否有事件发生，当有事件发生，开始接收和处理数据，然后通过串口显示当前日期、温度和湿度，同时判断烟雾、H2和火焰等传感器数据是否异常，如果发生异常则蜂鸣器报警。

ZigBee终端节点主要功能是加入网络，定时采集温湿度传感器、烟雾传感器、氢气传感器以及火焰传感器的数据，并把这些数据无线发送给ZigBee协调器，其流程如图3所示。终端节点上电后首先进行初始化操作，然后在其网络覆盖的范围内查询协调器节点，当查询到对应的协调器节点，接着申请加入网络，然后判断是否入网成功，如果入网失败，则继续申请加入网络；当入网成功后定时调用传感器数据采集函数来采集周围环境的温湿度、烟雾、H2和火焰的数据，并把这些数据打包后无线发送给协调器处理。

4  系统测试

测试基于ZigBee的加氢站环境监测系统的ZigBee终端节点能否有效采集到温湿度值和烟雾传感器、H2传感器和火焰传感器的数据，判断ZigBee协调器能否接收到来自终端节点的数据，当烟雾、H2和火焰数据异常时是否报警，这些数据能否通过串口动态显示出来，测试数据如表1所示。首先连接好传感器和终端节点的硬件连接，然后分别下载编好的程序到协调器节点和终端节点，接着给协调器节点和终端节点上电，打开串口调试助手，选择对应的串口号，将波特率改为115200，打开串口，在正常室温情况下，系统串口的数据如图4所示，显示当前日期、温度23 ℃、湿度57%、安全，当往温湿度传感器DHT11人为增加湿度，其温度为25 ℃、湿度持续增加到70%。这时用打火机气体模拟存在烟雾的情况，串口显示报警，如图5所示。

5  结  论

为加强加氢站的安全措施，设计基于ZigBee的加氢站环境监测系统，本系统通过烟雾传感器检测是否有烟雾，火焰传感器检测是否存在火焰，氢气传感器检测加氢站环境是否存在氢气泄露，温湿度传感器DHT11检测加氢站环境中的温湿度值，并通过串口显示出来。系统由多个终端组成，采用ZigBee网络实时传送采集到的数据，克服传统有线网络传输的弊端，实现对加氢站环境的实时监测，为提高加氢站安全提供有效措施。该系统具有低功耗、低成本、环境友好等优点，但是还不能做到完全智能化，当检测到氢气发生泄漏或检测到明火时，只能报警，还需要加氢站的工作人员及时切断气源，采用氢气泄漏应急措施和疏散加氢站内人员，保证人员安全。下一步应该完善这些措施，当检测到氢气发生泄漏，启动自动喷淋冷却系统等。

参考文献：

[1] ALAZEMI J，ANDREWS J. Automotive hydrogen fuelling stations：an international review [J].Renewable and Sustainable Energy Reviews，2015，48（Aug.）：483-499.

[2] 高工氢电网.GGII：2022年中国加氢站建设及投运现状分析 [EB/OL].（2022-09-01）.https：//www.gg-fc.com/art-43667.html.

[3] 张旭.燃料电池汽车加氢站安全设计要点分析与建议 [J].炼油技术与工程，2022，52（3）：59-64.

[4] 傅宗化，何为.燃料电池汽车加氢站安全设计要点分析与建议 [J].石化技术，2022，29（10）：172-174.

[5] 杨旭辉，周庆国，韩根亮，等.基于ZigBee 的节能型水产养殖环境监测系统 [J].农业工程学报，2015，31（17）：183-190.

[6] 蔡俊豪，曹广忠，彭业萍，等.基于CC2530与CC3200的室内环境监测系统设计 [J].现代电子技术，2019，42（10）：71-74+78.

[7] 张萍，胡应坤.基于ZigBee和OneNET云平台的智能农业温控系统 [J].物联网技术，2021，11（1）：25-28.

[8] 高金转，彭旭锋，张会新，等.基于ZigBee无线传感网络的环境监测系统的設计 [J].电子器件，2016，39（3）：546-550.

作者简介：梁水英（1990.03—），女，汉族，广西贵港人，助教，硕士，研究方向：电子科学与技术。