1、基于无线传感器网络的化工区环境监测系统研究报告毕业论文 精品基于无线传感器网络的化工区环境监测系统研究报告摘 要本文针对当前环境监测中面临的监测点分散、布线困难和实时性差等特点，研制了一种基于无线传感器网络（Wireless Sensor Networks ,WSN）的化工区空气环境远程实时监测系统。该系统的主要功能是：分布在化工厂区域的传感器节点采集空气环境参数，通过基站传输数据到中央控制室的数据中心进行实时处理与分析，远程终端用户可以通过Internet 实现对空气质量全天候的实时监测，并对污染等突发事件和环境急剧变化所影响的区域的空气环境状况实时报警，为空气环境污染的防治提供决策支持。本
2、项目对系统的传感器节点设计、网关节点设计、节点监测软件、上位机监控软件等方面进行了详细的设计。在系统结构上采用传感器节点、基站节点、数据处理监控中心的三层结构; 传感器节点的系统设计技术是组建无线传感器网络的关键技术之一，本文首先研究了无线传感器网络节点的系统设计与实现方法，分别阐述了传感器板和基站节点板的硬件设计，并详细讨论了基于ATmega128和CC2420芯片数据采集电路、通信电路设计和监控软件结构等构成，最后给出了I/O扩展接口的设计；基站与上位机的通信采用GPRS无线收发模块，有效地解决了数据传输距离的限制；设计了一种太阳能自供电的ZigBee无线传感器监测节点, 可以为系统无限制
3、的提供能量；在传输过程中常采用基于IEEE802.15.4网络标准, 有效的提高传输的稳定性及可靠性。上位机采用工业组态软件KINGVIEW对化工区现场的环境信息进行显示和管理，不仅降低了系统设计的复杂性，提高了系统工作的实时性和可靠性，又实现了界面的友好。此系统的设计成功，不但有效地克服了传统环境监测系统的低可靠性问题, 而且增加了新的监测功能，很好地解决了化工区环境实时监测的问题，在条件恶劣和无人坚守的环境监测和事件跟踪中显示了很大的应用价值。关键词：环境监测 无线传感器网络 低功耗 GPRS 组态软件不要删除行尾的分节符，此行不会被打印第一章 绪 论1.1 项目研发及背景意义化工生产的出
4、现是社会发展、科技进步、人类文明提高到一定程度的标志，是现代化生产的重要领域，也是当今工业发达的重要体现。随着我国经济的快速增长，化学工业也在飞速发展，随之而来的是化工事故发生的频率不断增大，造成了大量的人员伤亡和严重的经济损失，甚至造成不良的政治影响。化工产业一方面给我们的社会经济和人民生活水平起到了巨大的提高和促进作用，另一方面也给人民群众的生命财产安全构成了极大的威胁。在我国，安全生产，突发事件，环境处理等问题形式日益严峻。我国是一个化工业发展大国，由于工作设备相对落后，管理水平水平欠缺，环境监测系统未完善等原因，引起的化工事故频繁发生，造成重大的经济损失和人员伤亡，环境问题也日益恶化。
5、2005年11月13日，中石油吉林石化分公司双苯厂苯胺二车间操作人员违反操作规程，发生爆炸事故，造成8人死亡。大量苯、硝基苯等物料流入松花江，造成松花江水体严重污染。2006年1月6日，浙江省绍兴市上虞市长征化工有限公司六氯车间一反应釜发生爆炸事故，造成2人死亡。2008年8月26日，广西宜州一家化工厂发生爆炸，据称爆炸车间储存着甲醇等化工原料。爆炸事故造成16人死亡（其中有2人身份无法确定，可能是失去联系人员），另有6人失去联系，医院收治伤员60人。2009年4月24日，沈阳化工集团一化工厂一车间在对设备检修时，一蒸汽水罐的盖子突然爆炸，造成4人死亡,所幸的是未造成火灾或者有毒、有害气体泄漏
6、，未对环境造成严重污染或威胁，倘若有气体泄漏，造成的危害会更加严重。由此可知，化工区发生事故造成的经济损失和人员伤亡是比较严重的。据预测，到2020年全世界死于空气污染的人数将达到800万。目前我国11个最大城市中，空气中的烟尘和细颗粒物每年使5万人夭折，40万人感染上慢性支气管炎。可想而知，空气污染已经成为人类身体健康的无形杀手，如何防治空气污染，净化我们的空气已经成为当今刻不容缓的难题。针对我国化工区环境现状，我们必须得到全面的监测数据，及时准确的监测出空气污染物含量的含量，采取有效地处理措施，在可持续发展生产中具有重要的研究意义。保护人们的身体健康，实现化工区发生事故前的科学预防，事故后
7、科学处理，最大限度地减少人员伤亡和经济财产的损失，从而减少了化工区事故的发生具有重要的意义。因此研制一种能在突发空气污染物泄漏或恶劣环境下，替代工作人员执行环境监测，同时能得到准确及时数据等的系统显得尤为的迫切而必要。基于无线传感器网络的化工区环境监测系统采用多项创新设计，通过在化工区形成了一个立体的监测网，为环保部门工作的展开提供依据，这对环境的保护将起到很大作用。本项目采用无线传感器网络技术，它综合了微电子技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术和分布式信息处理技术等，能够使这些先进技术协同地实时监测和采集网络覆盖区域中各种环境监测对象的信息，并进行处理，处理后的信息通过无线传输方式发
8、送给终端设备。传感器能保证数据的精确采集，无线通信技术能保证数据的可靠、及时的传送等，这种技术能够很好地解决目前化工区的环境监测问题。1.2 化工区环境监测系统的发展前景环境监测是环境保护的基础,其目的是为环境保护提供科学决策的依据,目前我国对化工区环境的监测主要采用两种方法:一种是传统人工取样实验室分析的方法。 但是它只能得到监测现场某段时间内被监测气体的平均浓度,不能够提供实时值,且监测结果受人为的影响很大,对有害气体浓度很高的现场进行监测时,现场摆放气体吸收液会严重损害环境监测人员的健康。图1.1 人工取样便携式气体分析仪另一种是采用国外进口的自动化大气环境监测进行在线监测的方法。但也存
9、在所用设备结构复杂、价格昂贵、国产化率低、难以维护、运营成本高等缺陷，很难在全国大范围内普及。同时其工作环境苛刻,一旦建站地点确定后就很难再次移动,这就限制了工厂的扩建、改建等发展的要求，对化工区环境进行监测具有不灵活性。特别是对目前频发的有毒有害气体泄漏等突发的环境污染事件的监测,自动化空气环境监测站更是显得力不从心,面对这样的突发化工区环境污染事件,环境监测人员就不得不采取在突发现场进行人工采样实验室分析的方法进行监测,这样不但危害环境监测人员的健康和安全,而且监测结果具有严重的滞后性,难以满足突发大气环境污染事件应急的需要。图1.2 目前环境在线监测仪目前化工区在线环境监测系统见附录1。
10、针对化工区监测系统存在隐患与弊端。现代化、安全可靠、高效的、价格低廉空气环境监测系统的研制势在必行。基于无线传感器网络的化工区环境监测系统研究将有效地解决化工区域环境监测难的问题，可以检测得到及时有效的数据，又能做到监测方法安全简便可靠，同时不用环境监测人员亲自去化工区进行监测，种种的原因是我们研制此环境监测系统的目的，此监测系统的研制将在化工区环境监测中起着越来越重要作用。1.3 无线传感器网络监测系统的功能及特点基于无线传感器网络的化工区环境监测系统具有信息感知系统，通过在化工区安装多种传感器能够检测出污染气体的种类、污染气体的含量和温度再把收集到的信息通过无线传输发送到网关节点，网关节点
11、通过GPRS网络传到基站，最后由基站进行数据分析、处理、总结，接着把总结出来的信息发布到网上。本系统的显著特点是：巧合地利用了无线数据传播技术，解决了化工区空气环境监测的布线难问题；利用太阳能电源装置给接点充电电池充电,并用电池电压测量单元对充电电池电压进行监测,当低于某个阈值时,控制太阳能电池板给充电电池充电,直到电压高于某值时,切断太阳能电池板对充电电池的充电，解决了监测接点的电源供应问题。1.4 本章小结本章通过对国内化工区环境污染事故造成的严重危害，展开了关于化工区环境监测的论述，阐述了此项目的研发背景和研究意义。同时，针对目前我国在化工区环境监测方面的现状引入了基于无线传感器网络的化
12、工区环境监测系统，并做了简要介绍。最后，介绍了本系统的功能及特点。第二章 化工区环境监测系统的设计2.1 化工区环境监测系统构架本系统采用PC机作为基站监控中心上位机，基于AVR系列ATmega128处理器的开发平台作为下位机，由传感器节点采集化工区环境信息，经Zigbee无线网络将数据传送到网关节点，再经网关节点转发，将所采集的信息通过GPRS无线网络传送到基站的上位机中，经过上位机软件的在线监测，实现对化工区环境的实时监视。图2.1 化工区环境监测系统框图基于无线传感器网络的化工区环境监测系统由三部分组成：无线网络的传感器节点、无线传输的网关节点和进行实时监测的基站监控中心。图2.2 化工
13、区环境监测系统模拟图2.2 传感器节点传感器节点是无线传感器网络的基本组成部分。传感器节点主要功能是定时采集化工区环境中排放有害气体的浓度、湿度、温度等信息，并把该信息经A/D转换器转换成数字信号，发送到网关节点，最终将此数据传送到基站监控中心以便上位机的实时监控和进行数据统计。同时，此节点也接收基站监控中心经网关节点发送的命令，使相应节点进行数据采集，并将采集的信息经原路传送到监控中心。当采集数据比数据设定值高时，即数据超标出现污染事故时，不论此节点处于何种工作模式下，此节点会立即进入工作模式，向上级发送超标数据，以便基站监控中心采取有效措施进行处理，同时此节点也有相应的报警指示电路，提示有
14、污染事件发生，提醒工作人员给予及时的处理。2.3 网关节点网关节点是化工区环境监测系统的重要模块，有两种工作模式，即工作模式和休眠模式，主要负责传感器节点与基站监控中心的信息连接。网关节点中设有与传感器节点中匹配的CC2420模块，进行无线短距离通信，同时也有与基站监控中心进行远程无线通信的GPRS模块。当网关节点收到传感器节点发来的数据时，网关节点进入工作模式，处理器进行快速处理，将该数据传送给基站监控中心，数据发送完毕后，此节点立即进入休眠模式。当网关节点收到基站控制中心发来的命令时，网关节点进入工作模式，经处理器处理后，将命令发送给相应的传感器节点，等待接收传感器节点的信息数据，并转发给
15、基站监测中心，一定时间后进入休眠模式。2.4 上位机监控中心化工区环境监测的数据显示、报警、处理、打印等功能主要是依靠以PC机作为上位机的监测控制来实现的。传感器节点通过网关节点按照一定的工作模式向上位机传送采集的数据，上位机对数据进行处理后，一方面在主界面显示传感器节点终端的环境信息，另一方面将此信息数据存入数据库中进行存储。在对环境信息进行分析比较时，可以将数据库中信息读出，并显示在历史记录查询界面或历史日志查询界面。主界面的传感器节点终端列表定时更新传感器节点终端的具体信息。图2.3 上位机数据处理流程图、2.5 本章小结 本章首先对化工区环境监测系统结构进行了阐述，然后围绕总体框架结构
16、，对每一个子系统结构，即传感器节点、网关节点和上位机控制中心进行了总体描述和简要说明。第三章 化工区环境监测系统的硬件设计3.1 传感器节点设计3.1.1 传感器节点的系统构架图3.1 传感器节点设计框图传感器节点共有四大部分组成，即数据采集单元、数据处理单元、数据传输单元和电源模块。传感器节点的硬件电路连接图见附录2。数据采集单元：主要功能是采集空气污染物浓度信息，其中包括采集氮氧化合物（NO2）、二氧化硫（SO2）、二氧化碳(CO2)、硫化氢(H2S)等几种有害气体污染物。在此单元中传感器与处理器之间采用传感器接口实现连接，避免了当传感器使用寿命终止而此节点报废的状况。考虑到传感器采集到的
17、信息为模拟量，因此需要在传感器接口与处理器之间增加一片A/D转换芯片，将传感器接收到的模拟量转化成数字信号，再传送到数据处理单元。数据处理单元：主要功能是对传感器采集的数据进行初步的处理，并将此数据传送到数据传输单元。此单元由处理器、内存、应用程序及报警指示灯构成。处理器采用的是AT公司的AVR系列ATmega128型芯片。ATmega128单片机对数据进行初步判断后，将数据传送到数据传输单元，如果此数据超标即出现环境污染事故，报警指示灯会作出反应，相应的指示灯变亮。四盏指示灯的颜色分别为：蓝、绿、黄、红四种，顺次表示其所对应二氧化氮、二氧化硫、二氧化碳和硫化氢四种有害气体。同时，本单元可以数
18、据传输单元接收到经网关节点转发的上位机控制命令，进行命令处理判断，使此节点进入工作模式，进行数据采集，向上级发送采集的信息。数据传输单元：主要功能是传输数据或接收命令。考虑到无线传感器网络在通信方面的功耗问题，本单元采用TI公司的zigbee 无线收发模块CC2420芯片。数据传输单元接收到数据处理单元的数字信息后，会立即将此数字信息经zigbee无线网络传送给网关节点。如果此节点收到网关节点传送的命令时，会将此命令转入数据处理单元，并等待处理单元的相应命令。电源模块，主要功能是给以上三个功能单元提供电能。由于我们所设计的传感器节点为低功耗的设备，所以我们采用电池盒供电。一般四节5号干电池就可
19、以使用一到两年之久。这样节约了成本，而且更换电池的周期和更换传感器的周期一致，方便了设备的维护，减少了工作人员的工作量。传感器节点中数据传输单元的设计指标如下表：表3.1 CC2420芯片的设计指标3.1.2 数据采集模块设计 （1） 传感器选型传感器是传感器节点的主要工作器件，它们长时间暴露在化工区环境中，以便搜集化工区化环境的有害气体的浓度、成分等，因此，传感器的选择是环境监测系统的重要环节。根据化工区环境的主要有害气体成分，本系统选择了二氧化氮传感器、二氧化硫传感器、二氧化碳传感器和硫化氢传感器。4种气体传感器的具体型号参数如下表：表3.2 传感器的具体型号参数图3.2 二氧化氮传感器（
20、7NO2-20）3.3 二氧化硫传感器（SO2/SF-2000-S）图3.4 硫化氢传感器（4H2S-1000传感器）图3.5 二氧化碳传感器（BMG-CO2-NDIR型）湿度和温度传感器如下： HIH-4000系列测湿传感器： HIH-4000系列测湿传感器作为一个低成本、可软焊的单个直插式组件(SIP)能提供仪表测量质量的相对湿度(RH)传感性能。RH传感器可用在二引线间有间距的配量中，它是一个热固塑料型电容传感元件，其内部具有信号处理功能。传感器的多层结构对应用环境的不利因素，诸如潮湿、灰尘、污垢、油类和环境中常见的化学品具有最佳的抗力，因此可认定它能适用矿下环境。湿度范围：0100%R
21、H供电电压：45.8VDC工作温度：-4085补偿温度：带温度补偿响应时间：15Sec产品精度：3.5%RHDS18B20数字温度传感器特点：采用传感器导线功耗低（采用镀锌导线，导线截面积大（0.23），导电率高），组网传感器较多时，此性能尤为突出。可以在水中工作，防水防尘，防护等级达IP65。温度精度 0.5（-10+85C范围内）测温范围 -55+125温度分辨率 9-12位(0.0625)测温速度 750ms(12位分辨率)电源要求 3V-5.5V通讯电缆 三芯电缆支持通讯电缆长度 100m运行环境 -55+80外型尺寸 6mm 长度25mm,30mm可选（2） 传感器电路设计考虑到传感
22、器长期暴露在空气中，空气中的污染物质本身具有一定的腐蚀性，比如二氧化硫等。那么传感器就需要定期更换。假如传感器是直接焊在电路板上的，那么更换一个传感器就需要再买一块传感器子节点环境监测模块。这不仅浪费了资源还增加了使用成本。所以在对传感器电路设计时，本系统考虑将传感器与电路板的连接处设计成接口式，这样就方便了更换传感器，使设备维护变得简单易行，同时也避免了资源的浪费降低了成本。在电路图设计过程中，本文首先考虑的是对二氧化氮、二氧化硫、二氧化碳和硫化氢等四种气体的监测设计，将上述四种相应的传感器分布与相应的传感器接口相连接，便可实现对四种气体的实时监测。其电路图如下图3.6所示：图3.6 传感器
23、接口与处理器的硬件电路连接图3.1.3 数据处理模块设计数据处理模块是传感器节点核心控制器件。传感器节点的数据搜集、处理、转换传输以及接收从上位机传输过来的命令，都需要数据处理模块的处理和执行。因此数据处理模块的设计性能，关系到传感器节点的工作效率。（1）处理器的选择 处理器的选型要求和指标是功耗低，保证长时间不更换电源也能顺利工作，供给电压小于5 V，有较快的处理速度和能力，由于节点是需要大量安置的，所以价格也要相对便宜。选用AVR单片机，考虑到电路中IO的个数不多，功耗低、成本低、适合与无线器件接口配合等多方面因素，综合对比后，选用Atmel公司的ATmega128。该微型控制器拥有丰富的
24、片上资源，包括4个定时器、4 KB SRAM、128KB Flash和4 KBEEPROM；拥有UART、SPI、I2C、JTAG接口，方便无线器件和传感器的接入；有6种电源节能模式，方便低功耗设计。 ATmega128的主要性能如下：高性能、低功耗的AVR 8位微处理器先进的RISC结构 133条指令一大多数可以在一个时钟周期内完成 32x8通用工作寄存器+外设控制寄存器 全静态工作 工作于16MHz时性能高达16MIPS 只需两个时钟周期的硬件乘法器非易失性的程序和数据存储器 128K字节的系统内可编程Flash，寿命:10, 000次写/擦除周期 具有独立锁定位、可选择的启动代码区，通过
25、片内的启动程序实现系统内编程真正的读一修改一写操作 4K字节的EEPROM，寿命:100, 000次写/擦除周期 4K字节的内部SRAM 多达64K字节的优化的外部存储器空问 可以对锁定位进行编程以实现软件加密 可以通过SPI实现系统内编程 JTAG接口(与IEEE 1149.1标准兼容) 遵循JTAG标准的边界扫描功能 支持扩展的片内调试 通过JTAG接口实现对Flash, EEPROM，熔ALL位和锁定位的编程外设特点 两个具有独立的预分频器和比较器功能的8位定时器/计数器 两个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的16位定时器/计数器 具有独立预分频器的实时时钟计数器 两路8位PWM 6路分
26、辨率可编程(2到16位)的PWM 两个可编程的串行USART 可工作于主机/从机模式的SPI串行接口 片内模拟比较器特殊的处理器特点 6种睡眠模式:空闲模式、ADC噪声抑制模式、省电模式、掉电模式、Standby模式以及扩展的Standby模式 可以通过软件进行选择的时钟频率 全局上拉禁止功能I/O和封装 53个可编程I/O口线 64引脚TQFP与64引脚MLF J-装工作电压 4.5-5.5V ATmega128速度等级 16MHz ATmega128（2）处理器外围电路设计ATmega128主要与传输单元中的CC2420芯片以及数据采集单元中的AD芯片连接。 ATmega128通过编程控制
27、这两种芯片的工作，此外ATmega128还与四个继电器连接了四个指示灯，以指示空气中那种污染气体超标。图3.4ATmega128的最小系统电路图（3）报警指示灯的设计图3.7 报警指示灯设计电路 如上图所示，我们采用四个不同颜色的指示灯表示四种不同的污染气体。这四盏指示灯通过继电器与 ATmega128芯片连接。当数据处理单元处理数据后，判断该数据为超标数据，即此节点处于环境污染状态中，处理器会发出命令，使相应的报警指示灯变亮。3.1.4 zigbee无线数据传输模块设计 本节点的网络设计是基于Zigbee无线传输系统网络的一种无线传感器网络。Zigbee, 在中国被译为紫蜂,与蓝牙相类似，是
28、一种新兴的短距离无线技术。它类似于CDMA和GSM网络。Zigbee的节点与节点之间可以互相通信，接力传输。通讯距离从标准的75m到几百米、几公里，并且支持无限扩展。zigBee网络节点的设计具有微型化、扩展性和灵活性、稳定性和安全性、低成本等要求。（1）无线收发芯片的选型CC2420是一款符合ZigBee技术的高集成度工业用射频收发器，其MAC层和PHY层协议符合802.15.4规范，工作于2.4 GHz频段。该器件只需极少外部元件，即可确保短距离通信的有效性和可靠性。数据传输单元模块支持数据传输率高达250 Kbs，即可实现多点对多点的快速组网，系统体积小、成本低、功耗小，适于电池长期供电
29、，具有硬件加密、安全可靠、组网灵活、抗毁性强等特点。CC2420芯片的引脚介绍见附录4。CC2420可以通过4线SPI总线(SI、SO、SCLK、CSn) 设置芯片的工作模式, 并实现读/ 写缓存数据,读/ 写状态寄存器等。通过控制FIFO和FIFOP管脚接口的状态可设置发射/ 接收缓存器。在数据传输过程中CSn必须始终保持低电平。另外, 通过CCA管脚状态的设置可以控制清除通道估计, 通过SFD管脚状态的设置可以控制时钟/ 定时信息的输入。CC2420的主要性能参数如下：工作频带范围：2.4002.4835GHz；采用IEEE802.15.4规范要求的直接序列扩频方式；数据速率达250kbp
30、s码片速率达2MChip/s；采用-QPSK调制方式；超低电流消耗（RX:19.7mA,TX:17.4mA）高接收灵敏度（-99dBm）；抗邻频道干扰能力强(39dB)；内部集成有VCO、LNA、PA以及电源整流器，采用低电压供电(2.13.6V)；输出功率编程可控；IEEE802.15.4 层硬件可支持自动帧格式生成、同步插入与检测、16bit CRC校验、电源检测、完全自动MAC层安全保护(CTR,CBCMAC,CCM)；与控制微处理器的接口配置容易(4总线SPI接口)；开发工具齐全，提供所有开发套件和演示套件；采用QLP-48封装，外形尺寸只有（2）数据传输模块的协议数据传输模块采用的通
31、信协议为Zigbee协议。Zigbee的基础是IEEE 802.15.4，但IEEE仅处理低级MAC层和物理层协议，因此Zigbee联盟扩展了IEEE，对其网络层协议和API进行了标准化。Zigbee是一种新兴的短距离、低速率的无线网络技术。主要用于近距离无线连接。它有自己的协议标准，在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。这些传感器只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，所以它们的通信效率非常高。CC2420为IEEE 802.15.4的数据帧格式提供硬件支持。其MAC层的帧格式为：头帧+数据帧+校验帧；PHY层的帧格式为：同步帧+PHY头帧+MAC帧，帧头序列的长度可通过设置寄存器改变，采用16位CRC校验来提高数据传输的可靠性。发送或接收的数据帧被送入RAM中的128字节缓存区进行相应的帧打包和拆包操作。PHY层由射频收发器以及底层的控制模块组成，定义了物理无线信道和MAC层之间的接口。主要功能是启动和关闭无线收发器、能量监测、链路质量监测、信道选择、清除信道评估以及通过物理介质对数据包进行发送和接收。 MAC 层为高层访问物理信道提供了点到点通信的服务接口，具体功能是信
