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近年來，在石化和煤炭行業(yè)頻繁發(fā)生事故，而大部分煤炭或化工行業(yè)對危險源的監(jiān)控采用有線系統(tǒng)，維護(hù)困難，布線不便，二次開發(fā)成本高。針對現(xiàn)狀，分析危險源監(jiān)控系統(tǒng)需求，提出一種基于ZigBee技術(shù)的危險源監(jiān)控系統(tǒng)方案。以無線數(shù)據(jù)采集和傳輸代替?zhèn)鹘y(tǒng)有線數(shù)據(jù)采集和傳輸，改善并提高傳統(tǒng)有線監(jiān)控局限性，為后續(xù)子系統(tǒng)提供方便可靠的數(shù)據(jù)傳輸鏈路。設(shè)計并給出了適合無線監(jiān)控系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，采集網(wǎng)絡(luò)，傳感器選擇及上位機(jī)需求。

危險源監(jiān)控系統(tǒng)方案設(shè)計
1引言
隨著計算機(jī)技術(shù)，通信技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展和普及，特別是嵌入式計算機(jī)技術(shù)和傳感器技術(shù)的廣泛應(yīng)用，具有感知能力、計算機(jī)能力和通信能力的微型傳感器開始在世界范圍內(nèi)出現(xiàn)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)和通信技術(shù)，能夠協(xié)作的實(shí)時地監(jiān)測、感知和采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)的各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息，并對這些信息進(jìn)行處理，獲得詳盡而準(zhǔn)確的信息，傳送到需要這些信息的用戶，是當(dāng)今前沿性的熱點(diǎn)研究方向之一，有著巨大的科學(xué)意義和應(yīng)用前景。工業(yè)領(lǐng)域在現(xiàn)代化進(jìn)程中通過引入各種先進(jìn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了勞動生產(chǎn)率的提高和生產(chǎn)成本的下降。特別是數(shù)字電子技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，工業(yè)自動化系統(tǒng)水平獲得了很大的進(jìn)步。許多大型企業(yè)，例如石油化工企業(yè)，生產(chǎn)地域分散，業(yè)務(wù)分工復(fù)雜，生產(chǎn)環(huán)境惡劣，甚至氣體污染，易燃易爆十分危險等，這些環(huán)境只有采用無線通信方式才是解決問題的優(yōu)化方案。這樣，可以使得控制中心的安裝，維護(hù)管理更為簡單，生產(chǎn)控制系統(tǒng)更為穩(wěn)定，從而達(dá)到提高石油化工產(chǎn)品的生產(chǎn)效率和安全性。
2 需求分析
本系統(tǒng)主要面向石化行業(yè)中存在易燃，易爆，腐蝕性，有毒氣體的生產(chǎn)車間或環(huán)境進(jìn)行監(jiān)控系統(tǒng)軟硬件設(shè)計。在系統(tǒng)開發(fā)前,綜合分析實(shí)際應(yīng)用特點(diǎn),利用有利條件,回避不利因素。需要對本系統(tǒng)提出以下需求：
(1)監(jiān)測關(guān)鍵的環(huán)境參數(shù)，包括溫度、濕度、一氧化碳、氧氣、甲烷、煙霧等；
(2)監(jiān)測機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，包括工作電流、工作電壓等參數(shù)；監(jiān)測車間區(qū)域變電所電網(wǎng)電壓、負(fù)荷電流、功率、電度等電量參數(shù)；
(3)預(yù)警與報警,如瓦斯、溫度、一氧化碳超限、電流超限等進(jìn)行報警；報警信息的顯示與提示，如報警值、地點(diǎn)、報警時間、聲音提示等；
(4)根據(jù)警情，聯(lián)動控制，保證最短時間內(nèi)排除警源；并對相關(guān)部門發(fā)布數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。
3 設(shè)計原則
針對上述需求，考慮到危險源區(qū)的復(fù)雜環(huán)境，從系統(tǒng)的構(gòu)建到采集數(shù)據(jù)的精確性，實(shí)時性，可靠性，安全性，先進(jìn)性及易用性和可維護(hù)性提出一定要求：
(1)精確性 采集的數(shù)據(jù)應(yīng)盡可能精確，反映各種氣體狀態(tài)隨環(huán)境變化而變化的過程；
(2)實(shí)時性 實(shí)時的反映機(jī)電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)與危險源氣體變化的走勢，是每個監(jiān)控系統(tǒng)的必然要求，保證以最快速度發(fā)現(xiàn)問題和解決問題。
(3)可靠性 可靠性是衡量系統(tǒng)質(zhì)量的重要指標(biāo)。包括系統(tǒng)的軟硬件，數(shù)據(jù)的真實(shí)性，當(dāng)然，可靠性的驗(yàn)證是在一定條件下，一定時間內(nèi)完成的。
(4)易用性和可維護(hù)性
系統(tǒng)建立在應(yīng)用場合中，應(yīng)達(dá)到便于安裝，便于使用和便于管理的目的。只有使用起來方便簡單，推廣才更有價值。在危險源一般的環(huán)境中，作業(yè)難度都比較高，對于系統(tǒng)的維護(hù)提出了更高的要求，要經(jīng)濟(jì)，短時，可靠的對系統(tǒng)進(jìn)行必要的維護(hù)。
(5)安全性
安全性是指系統(tǒng)在正常工作或發(fā)生故障的情況下，不會對系統(tǒng)本身以及外界事物帶來危險或?yàn)?zāi)難性的后果。在系統(tǒng)設(shè)計中，要充分考慮怎么能將整個系統(tǒng)運(yùn)行于危險源環(huán)境之中。
(6)靈活性和可擴(kuò)展性
靈活配置的能力和與其它系統(tǒng)兼容的能力是現(xiàn)代系統(tǒng)設(shè)計必要考慮。能夠?qū)ο到y(tǒng)的規(guī)模、功能及處理能力進(jìn)行升級并且能夠有標(biāo)準(zhǔn)的模塊接口作為后續(xù)研究和開放式的配合效果，則更能充分的展現(xiàn)和壯大系統(tǒng)。
(7)先進(jìn)性
系統(tǒng)的先進(jìn)性是對系統(tǒng)以上指標(biāo)的綜合評價，需要先進(jìn)的軟硬件環(huán)境、先進(jìn)的設(shè)計技術(shù)、完善的設(shè)計和分析理論來保障。
4 框架設(shè)計
在目前的安監(jiān)系統(tǒng)中,采用的基本上是以光纖為骨干的有線網(wǎng)絡(luò)。這種有線網(wǎng)絡(luò)具有傳輸穩(wěn)定,在區(qū)域布線方便等優(yōu)點(diǎn)。但對于一些特殊區(qū)域,如腐蝕嚴(yán)重的或正在采煤或掘進(jìn)的工作面區(qū)域等,這種傳輸方式還是很不方便。然而這些區(qū)域卻往往隱藏了大量的潛在危險源。事實(shí)上,當(dāng)車間發(fā)生事故后,有線網(wǎng)絡(luò)很容易受到致命破壞,不利于車間環(huán)境探測與人員搜救。以ZigBee網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的隨機(jī)部署、自動組網(wǎng)的無線傳輸方式可以很好地解決車間內(nèi)通信的問題。車間外系統(tǒng)采用有線網(wǎng)絡(luò),保證傳輸質(zhì)量和速度。將這兩種網(wǎng)絡(luò)結(jié)合起來,發(fā)揮各自的優(yōu)勢,可滿足實(shí)際生產(chǎn)車間的安全監(jiān)控需要。系統(tǒng)采取統(tǒng)一監(jiān)測、綜合分析的方法，實(shí)現(xiàn)對車間生產(chǎn)過程的監(jiān)測與預(yù)警。通過ZigBee 智能無線傳感網(wǎng)絡(luò)，對生產(chǎn)過程、設(shè)備與開采環(huán)境等數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)自動采集。包括溫度、濕度、一氧化碳、氧氣、甲烷、煙霧等對車間安全生產(chǎn)具有重要影響的環(huán)境參數(shù)的采集；車間各種運(yùn)行設(shè)備狀況數(shù)據(jù)的采集；人員、礦車行動軌跡數(shù)據(jù)的采集。實(shí)時靈活的無線傳感網(wǎng)絡(luò)確保整個監(jiān)控區(qū)域的各種信息的數(shù)字化，采集到的各種數(shù)據(jù)通過網(wǎng)關(guān)上傳送到地面數(shù)據(jù)庫，對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一分析，利用專家系統(tǒng)和BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法以及一些規(guī)則庫對可能存在的安全隱患和災(zāi)害進(jìn)行判斷與預(yù)測，實(shí)時地指導(dǎo)生產(chǎn)過程；對可能存在的安全隱患和災(zāi)害做出及時的補(bǔ)救，并做出相應(yīng)的告警，確保礦井高效安全生產(chǎn)。整個系統(tǒng)的工作示意圖如圖1 所示。

圖1系統(tǒng)框圖
5 系統(tǒng)組成
在應(yīng)用研究中，系統(tǒng)參考自下而上的方法，確定現(xiàn)場實(shí)際需求的ZigBee采集網(wǎng)絡(luò)，將數(shù)據(jù)通過網(wǎng)關(guān)傳輸至存儲器，利用各種庫的信息提供給分析者，通過上位機(jī)和遠(yuǎn)程監(jiān)控完成管理控制，整個系統(tǒng)涉及無線傳感器，電子信息，計算機(jī)技術(shù)等多學(xué)科，并涉及各種數(shù)據(jù)處理與融合理論，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，整個系統(tǒng)如下：
(1)采集區(qū)域： 由ZigBee 無線傳感網(wǎng)絡(luò)覆蓋整個危險源所在生產(chǎn)區(qū)域，包括固定數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)和移動數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn),這些節(jié)點(diǎn)分別被部署在車間各個需要監(jiān)測的點(diǎn)位上， 保證生產(chǎn)過程和生產(chǎn)環(huán)境狀態(tài)實(shí)時信息的數(shù)字化，為本系統(tǒng)提供可靠一手?jǐn)?shù)據(jù)。
(2)傳輸部分： 利用zigbee網(wǎng)關(guān)與上位機(jī)相接，將采集到的數(shù)據(jù)實(shí)時準(zhǔn)確的傳輸?shù)缴衔粰C(jī)數(shù)據(jù)庫，為上位機(jī)專家?guī)?，BP識別等提供采集數(shù)據(jù)，事實(shí)上，傳輸部分即為無線和有線數(shù)據(jù)通路的接口部分。
(3)存儲部分：對監(jiān)控區(qū)域采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲和更新，并有事先存儲的各項(xiàng)指標(biāo)參數(shù)信息、事故信息、預(yù)警信息等，通過專家系統(tǒng)，數(shù)據(jù)庫等存儲，為分析控制區(qū)提供信息。
(4)分析控制層：利用存儲層提供的采集數(shù)據(jù)和各種庫、規(guī)則、模型分析當(dāng)前的實(shí)際的生產(chǎn)情況，對各種險情進(jìn)行報警，各種隱患進(jìn)行預(yù)警，并根據(jù)警情對實(shí)際生產(chǎn)過程進(jìn)行聯(lián)動控制，及時地排除險情和隱患。本層并提供事故分析和評價的功能。實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)的監(jiān)測與監(jiān)測、事故的識別與分析、隱患的分析與報告、警情的預(yù)警與防范、信息反饋和事故評價。
(5)用戶交互層：良好的上位機(jī)界面,實(shí)時監(jiān)控和處理各種信息，可以通過Internet 上傳各種信息和下達(dá)各種命令，方便管理者監(jiān)視監(jiān)控區(qū)域的安全狀況，并進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測。整個系統(tǒng)的組成如圖2。

圖2系統(tǒng)組成圖
6 采集網(wǎng)絡(luò)
ZigBee 網(wǎng)絡(luò)支持兩類物理設(shè)備,即全功能設(shè)備(FFD)和精簡功能設(shè)備(RFD) 。一般來說, FFD 支持任何拓?fù)浣Y(jié)構(gòu), 可以充當(dāng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器, 能與任何設(shè)備通信; 而RFD 只適用于星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu), 不能充當(dāng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器, 只能與FFD 通信。在任何ZigBee 網(wǎng)絡(luò)中必然存在網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)功能設(shè)備和精簡功能設(shè)備, 前者可與任何設(shè)備通信, 用于協(xié)調(diào)建立網(wǎng)絡(luò); 后者因其內(nèi)部功能結(jié)構(gòu)簡單, 上層應(yīng)用少, 某些僅僅包含IEEE 標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議?；赯igBee 的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)包含含傳感器的終端節(jié)點(diǎn)，路由器節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。
結(jié)合實(shí)際，ZigBee所支持的三種網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中選擇網(wǎng)狀網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
若網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)總數(shù)不大，可采用圖3所示網(wǎng)絡(luò)，在協(xié)調(diào)器內(nèi)集成協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊形成網(wǎng)關(guān)，直接和上位機(jī)相連。

圖3車間內(nèi)部危險源監(jiān)測圖
對于一個監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，要想盡可能監(jiān)控到多的點(diǎn)的狀態(tài)，需要在很大的覆蓋區(qū)域內(nèi)構(gòu)建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，此時網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)目就可能會很龐大。雖然在ZigBee規(guī)范中，一個協(xié)調(diào)器可以控制65536個節(jié)點(diǎn)，但是，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)很多時會導(dǎo)致各個節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)的時間相差很長，耗能相差懸殊。如果為500米的傳輸距離，而每兩個相鄰節(jié)點(diǎn)接傳輸距離最遠(yuǎn)為50米，從網(wǎng)關(guān)到終端就需要10跳的過程，如果網(wǎng)關(guān)周圍的支路很多，最終由最遠(yuǎn)終端經(jīng)過10跳而到達(dá)網(wǎng)關(guān)時，靠近網(wǎng)關(guān)的路由器始終在高能工作，能耗很大，且加上其它近跳的傳輸，這些路由承擔(dān)的中繼任務(wù)很重，時間就會很長，最終會因負(fù)擔(dān)過重而造成節(jié)點(diǎn)能耗衰竭，對于要求穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，這種結(jié)果不被希望出現(xiàn)。如果將ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)使用在一些室外惡劣環(huán)境中，或是障礙物多的環(huán)境中，那一跳之間的距離更短，從終端到網(wǎng)關(guān)的路程更長，跳數(shù)更多，數(shù)據(jù)傳輸時間更長，臨近網(wǎng)關(guān)的路由承擔(dān)中繼次數(shù)和數(shù)據(jù)量更大，容易造成數(shù)據(jù)丟失或延遲等帶來丟包率上升，實(shí)時性降低的結(jié)果。另外，因?yàn)槭褂酶偁幗尤隒SMA/CA機(jī)制，加上數(shù)據(jù)重傳，相同的幀在接入過程中會多次擠占信道，效率下降，也造成數(shù)據(jù)傳輸時延。
為解決上述問題，提出如下思想：
將節(jié)點(diǎn)很多的一個網(wǎng)絡(luò)分成數(shù)個信道不同的子網(wǎng)絡(luò)，各個相鄰的子網(wǎng)絡(luò)通信信道不同，不相鄰子網(wǎng)絡(luò)的信道可相同，每個小網(wǎng)絡(luò)內(nèi)使用同一個信道，每個網(wǎng)絡(luò)由一個協(xié)調(diào)器來管理，各個網(wǎng)絡(luò)之間通過協(xié)調(diào)器通信，協(xié)調(diào)器通信使用同一信道。協(xié)調(diào)器和網(wǎng)關(guān)之間使用另外一條信道通信。
具體做法：
在一個網(wǎng)絡(luò)中，將相鄰路由的通信信道設(shè)置成不同頻率，使用不同信道，盡可能充分利用 IEEE.802.15.4 中通信信道，在頻率2.4GHz時,速率250k/s，有16個信道，可將信道設(shè)置在2.4GHz所在的3-16信道。與路由較近的終端設(shè)置成與路由相同的信道，以便路由和終端通信，根據(jù)需要，可將幾個路由都設(shè)置成同一信道，然后配置一個協(xié)調(diào)器管理同一信道的路由和終端，形成一個子網(wǎng)。子網(wǎng)與子網(wǎng)之間通信通過協(xié)調(diào)器通信，采用信道2。協(xié)調(diào)器與網(wǎng)關(guān)之間通信采用信道1。
這樣，傳輸數(shù)據(jù)時找到相同信道的通信線路才能傳輸，而相鄰信道不同，分化了同一個路由承擔(dān)多路中繼的任務(wù)，很大程度上減輕了單個路由的負(fù)擔(dān)，解決了因同信道而競爭接入效率下降的結(jié)果，也提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時性。
圖4為不同信道示意圖。

圖4不同信道信息采集圖
7 傳感器的選擇
本系統(tǒng)針對危險源中最易發(fā)生問題的各種信號進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，包括溫度、濕度、一氧化碳、甲烷、煙霧等，相應(yīng)的傳感器選擇為能夠處理這些信號的硬件傳感器。對于其它信號的采集，可以利用CC2430芯片內(nèi)的ADC外接傳感器，通過命令，將傳感器數(shù)據(jù)采集并上傳。
8核心處理器和協(xié)議的選擇
考慮系統(tǒng)采集方案，需要短距離，低成本，大容量，高反應(yīng)速度的采集芯片，經(jīng)過比較與調(diào)研，選擇由TI公司生產(chǎn)的CC2430芯片作為核心處理器，應(yīng)用ZigBee 協(xié)議。
CC2430芯片以強(qiáng)大的集成開發(fā)環(huán)境作為支持，內(nèi)部線路的交互式調(diào)試以遵從IDE的IAR工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)為支持，得到嵌入式機(jī)構(gòu)很高的認(rèn)可。它結(jié)合Chipcon公司全球先進(jìn)的ZigBee協(xié)議棧、工具包和參考設(shè)計，展示了領(lǐng)先的ZigBee解決方案。其產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于汽車、工控系統(tǒng)和無線感應(yīng)網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域，同時也適用于ZigBee之外2.4 GHz頻率的其他設(shè)備。
8.1 CC2430芯片的主要特點(diǎn)
CC2430芯片延用了以往CC2420芯片的架構(gòu)，在單個芯片上整合了ZigBee 射頻(RF)前端、內(nèi)存和微控制器。它使用1個8位MCU（8051），具有128 KB可編程閃存和8 KB的RAM，還包含模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)、幾個定時器（Timer）、AES128協(xié)同處理器、看門狗定時器（Watchdogtimer）、32 kHz晶振的休眠模式定時器、上電復(fù)位電路(Power On Reset)、掉電檢測電路(Brown out detection)，以及21個可編程I/O引腳。
CC2430芯片采用0.18 μm CMOS工藝生產(chǎn)，工作時的電流損耗為27 mA；在接收和發(fā)射模式下，電流損耗分別低于27 mA或25 mA。CC2430的休眠模式和轉(zhuǎn)換到主動模式的超短時間的特性，特別適合那些要求電池壽命非常長的應(yīng)用。
8.2 ZigBee 協(xié)議
ZigBee采用IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，利用全球共用的公共頻率2.4 GHz，應(yīng)用于監(jiān)視、控制網(wǎng)絡(luò)時，其具有非常顯著的低成本、低耗電、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)多、傳輸距離遠(yuǎn)等優(yōu)勢，目前被視為替代有線監(jiān)視和控制網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域最有前景的技術(shù)之一。
9 上位機(jī)功能設(shè)計
按照系統(tǒng)需求，上位機(jī)應(yīng)能完成對下位機(jī)的命令發(fā)送，數(shù)據(jù)收集，并能從收集的數(shù)據(jù)中分離多種采集數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)存儲于本地數(shù)據(jù)庫中，實(shí)時顯示必要的監(jiān)控波形，實(shí)時根據(jù)數(shù)據(jù)變化情況利用數(shù)據(jù)模型，專家?guī)旖M織產(chǎn)生決策值，即時發(fā)布聯(lián)動控制命令，實(shí)時了解采集網(wǎng)絡(luò)中各個節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行情況，實(shí)時監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
考慮以上因素，對上位機(jī)的設(shè)計選用VC++6.0 做開發(fā)平臺，ACCESS 2000做數(shù)據(jù)庫支持。

第十二屆“挑戰(zhàn)杯”作品 三等獎
1.甘肅省第八屆挑戰(zhàn)杯獲獎
2.應(yīng)用于甘肅省長征煤礦，并獲得蘭州市2010年度科學(xué)技術(shù)進(jìn)步二等獎