姜有光，杜亚江，谢　韬

(兰州交通大学 机电技术研究所,兰州　730070)



ZigBee技术在石油化工企业环境监测系统中的应用

姜有光，杜亚江，谢韬

(兰州交通大学 机电技术研究所,兰州730070)

针对石油化工企业在生产过程中可能发生气体泄露、火灾等安全问题，开发了一种基于无线传感器网络的多点环境监测系统。该系统采用无线传感器网络的ZigBee通信协议栈和基于ARM Cortex-A8的无线传感器网络嵌入式网关。阐述了无线传感器网络节点和网关的硬件设计方案,以及软件功能的实现方法。该系统具有成本低，可靠性高的特点，可实现石油化工企业远程环境监测。

石油化工企业；环境监测；ZigBee；ARM Cortex-A8；Linux

石油化工企业毒气泄露、重大火灾和爆炸等恶性事件会给企业造成了巨大的经济损失，并在社会上产生了恶劣的影响。因此，必须实时监测生产区域环境参数的变化情况，及时消除影响安全生产的因素，把事故消灭在萌芽阶段。石油化工企业生产环境恶劣[1]、生产地域分散[2]，传统的有线网络环境监测系统容易受到破坏，不利于信息传输，且不便维修。另外，现有的环境监测系统仅对单一的气体实施监测，没有对影响安全生产的温湿度和烟雾浓度等环境参数进行监测，功能较少。同时，多数环境监测系统没有实现数据的远程传输，使得决策层不能及时掌握生产区域的环境参数变化状况。

针对上述问题，本文设计了一种基于ZieBee协议的无线传感器网络石油化工企业在线环境监测系统，该系统在生产区域放置多个终端节点对温湿度、烟雾浓度和瓦斯气体浓度进行采集、实时监测和超限报警[3]。系统以ARMCortex-A8处理器作为ZigBee无线传感器网络的嵌入式网关，利用以太网实现网关到远程监控计算机的数据传输，以便管理人员实时掌握生产过程中环境参数的变化情况，达到保证安全生产的目的。

1　系统的总体设计

本系统主要由终端节点、路由节点、无线传感网络协调器、网关以及远程监控计算机组成。系统的总体结构如图1所示。其中：终端节点是无线传感器网络的感知端，它接收协调器发来的指令并采集环境信息；路由节点是无线传感器网络的中继节点，转发自己管理的子节点的数据信息，也可将自身所带传感器采集的数据上传；协调器负责建立和管理网络，同时接收采集节点传来的数据并向采集节点发送控制命令；网关作为无线传感器网络和以太网的沟通桥梁，起到不同网络间协议转换和数据中转的作用[4]；远程监控计算机主要提供可视化的界面，将石油化工企业生产区域的环境参数显示在远程监控计算机的可视化界面上，并通过可视化界面控制采集节点。

图1　系统总体结构

系统根据石油化工企业监测点多、生产区域大的特点，采用无线传感器网络的树状网络拓扑结构以扩大无线传感器网络的覆盖范围。终端节点连接温湿度传感器、烟雾传感器和瓦斯传感器形成数据采集组，对生产过程中的温度、烟雾浓度以及瓦斯浓度参数进行采集，通过ZigBee无线通信网络将数据传输到协调器。协调器将数据打包并使用串口把数据传输到网关。网关对数据解析并重新打包后通过以太网传输至远程监控计算机。工作流程如图2所示。

图2　系统工作流程

2　系统硬件设计

2.1ZigBee终端节点、路由节点硬件设计

终端节点和路由节点的硬件一样，都是由传感器模块、控制模块、无线通信模块和电源模块组成。硬件框图如图3所示。

图3　终端节点和路由节点的硬件框图

其中传感器模块主要是对环境参数进行感知。选型上综合考虑了稳定性、精度和成本等因素，尤其是能在恶劣环境中正常工作，包括温湿度传感器DHT11、烟雾传感器MQ-2和甲烷传感器TGS2611。

控制模块采用TI公司的CC2530芯片，集成了ZigBee射频前端、内存和8051微处理器。CC2530芯片结合一个高性能2.4 GHz DSSS(直接序列扩频) 射频收发器核心与IEEE80.15.4/ZigBee协议，工作时的电流损耗为29 mA，在接收或发射模式下，电流损耗分别低于24 mA或29 mA。它极低的能量消耗和较小的封装尺寸能满足无线传感网络中节点体积小、功耗低、成本低的要求。

无线通信模块由CC2530的射频前端及外围电路组成，电源模块选用干电池供电。终端节点、路由节点原理如图4所示。

图4　终端节点和路由节点原理

2.2ZigBee协调器硬件设计

协调器是ZigBee网络的核心，同一ZigBee网络中只能有一个协调器，它主要负责建立网络、分配子节点的16位地址、允许其他节点加入和退出以及分配ID等[5]。同时，接收采集节点传来的数据并向采集节点发送控制命令，并将数据上传至网关或接收网关传来的控制命令。硬件框图如图5所示。

图5　协调器硬件框图

2.3网关硬件设计

网关的硬件结构如图6所示。网关以三星公司生产微处理器S5pv210为核心，外围硬件包括SDRAM、NAND FLASH、LCD，RS-232串口和1个10M/100M自适应以太网接口。协调器与网关的CPU通过UART连接。网关与远程监控计算机之间使用网络连接，利用TCP/IP协议，实现协调器与远程监控上位机的数据交互。S5pv210微处理器性能稳定、运算能力强，能满足无线传感器网络网关的要求。

图6　传感器网络网关硬件结构

3　系统软件设计

系统的软件设计是在ZigBee协议栈和Linux操作系统上进行的，它们均属开源软件。ZigBee协议栈采用Z-Stack 2007，Linux操作系统的内核版本是Linux Kernel 2.6.35。采用开源软件降低了系统的开发成本。

3.1终端节点、路由节点应用程序设计

终端节点的主要任务是网络连接、数据采集和上传。终端节点数据采集采用间歇式采集方式。当终端节点空闲时进入休眠状态，降低功耗。当间歇周期到达时，自动唤醒，并对环境信息进行采集。同时，在软件开发时给终端节点设置阈值，当采集数据值高于设定的阈值时上传数据，当采集的数据值低于阈值时丢弃数据。这种方式不但降低了终端节点的通信频率，而且也达到了降低能耗的目的，延长了终端节点的寿命。

路由节点主要有2种功能：数据中继和数据采集。路由节点与终端节点的软件工作流程差别较小，主要是由路由节点的功能决定的[6]。相对于终端节点来说，路由节点增加了数据转发功能。路由节点将终端节点上传的数据转发给协调器，也将自己采集的数据上传至协调器。另外，路由节点还需要对路由链表进行维护，确保数据的转发正确[6]。

3.2协调器应用程序设计

协调器的主要作用是选择一个相对空闲的信道，形成一个PANID，启动网络，等待子节点的入网，接受子节点发送的数据，并通过串口发送数据到网关[7]。使用IAR集成开发环境对ZigBee协议栈工程文件进行管理。当使用协调器的串口通信时，需要调用协议栈的API函数。HalUARTInit()函数对串口初始化和设置波特率等。HalUARTOpen()函数打开串口，HalUARTRead()和HalUARTWrite()分别对串口进行读写操作。程序流程如图7所示。

图7　协调器程序流程

3.3网关应用程序设计

网关应用程序开发在Linux操作系统下进行，采用多线程的编程方式，分为主线程、串口通信线程和socket服务器线程。其中：主线程进行部分初始化工作并创建线程；串口通信线程读取无线传感器网络的协调器发来的数据并进行分析和存储；socket服务器线程接收远程客户端的连接请求，实时地将数据存储区的数据传输到远程监控计算机。

在采用多线程编程方式时使用了Linux操作系统的并发和竞态机制，避免了多线程之间访问共享数据存储区时产生冲突。多线程之间共享的是进程的数据存储区，多线程在访问相同的存储区时，可能会互相覆盖。因此，本文采用Linux系统提供的互斥锁技术来访问数据存储区。串口通信线程的流程图如图8所示，socket服务器线程流程图如图9所示。

图8　串口通信线程的流程

图9　socket服务器线程流程

4　结束语

本文对基于ZigBee的石油化工企业环境监测系统进行了总体设计。该系统具有成本低、可靠性高的特点，可实现石油化工企业远程环境监测。实际应用情况表明：基于ZigBee技术的无线数据采集网络能实时对石油化工企业生产区域的环境参数进行采集，并通过网关将采集的环境数据传输到远程监控计算机，同时系统能可靠地进行预警与报警，提高了石油化工企业安全生产监控水平，具有一定的实用性。

[1]孙慧群,朱琳.化工废水对植物过氧化氢酶和叶绿素的影响[J].江苏大学学报(自然科学版),2006,27(1):18-21.

[2]张克,李洋,陈炼，等.基于ZigBee的传感器网络在石化工业中的应用探讨[J].计算机工程与设计,2007,28(2):409-411,414.

[3]李战明,李泉,殷培峰.基于ZigBee的车间环境监测系统的设计[J].工矿自动化,2010(9):12-14.

[4]张艺栗,李鸿彬,贾军营，等.物联网ZigBee网关的设计与实现[J].计算机系统应用,2013,22(6):34-38.

[5]卢兴森,陈苏婷,施佳驰.基于北斗和ZigBee的农田数据采集与传输[J].电子技术应用，2015,41(6):35-37,41.

[6]许东,操文元,孙茜.基于CC2530的环境监测无线传感器网络节点设计[J].计算机应用,2013(33):17-20,24.

[7]廖之健,徐治康,赵读俊.ZigBee无线传感器网络的振动数据采集系统设计[J].电子技术应用,2011,37(3):22-25.

(责任编辑杨文青)

Application of Environmental Monitoring System in Petrochemical Enterprise Based on ZigBee Technology

JIANG You-guang, DU Ya-jiang, XIE Tao

(Mechanical and Electronic Technology Institute,Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China)

Aimed at such possible safety production problems produced by gas leakage, fire disaster, etc. in the production process of petrochemical enterprise, a multi-point environmental monitoring system was developed based on wireless sensor network (WSN). The system adopted ZigBee protocol stack of WSN and the embedded gateway based on ARM Cortex-A8. The hardware design as well as implementation method of software function of wireless sensor network node and the gateway was expounded in this system. The system has advantages of low cost, high reliability and can achieve the remote environmental monitoring in petrochemical enterprise.

petrochemical enterprise; environmental monitoring; ZigBee; ARM Cortex-A8; Linux

2016-04-16

甘肃省财政厅基本科研业务费资助项目(214153)

姜有光(1962—)，男，硕士研究生，主要从事无线传感器网络、嵌入式系统与设备监控方面的研究；杜亚江(1964—)，男，教授，硕士生导师，主要从事无线传感器网络、嵌入式系统与设备监控方面的研究，E-mail:duyj@mail.lzjtu.cn。

format：JIANG You-guang, DU Ya-jiang, XIE Tao.Application of Environmental Monitoring System in Petrochemical Enterprise Based on ZigBee Technology[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2016(8):112-116.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2016.08.018

TP393

A

1674-8425(2016)08-0112-05

引用格式：姜有光，杜亚江，谢韬.ZigBee技术在石油化工企业环境监测系统中的应用[J].重庆理工大学学报(自然科学)，2016(8):112-116.