1、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- I -基于无线传感器网络的化工区环境监测系统研究报告第十一届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛参赛作品- II -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
2、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
3、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 GPR
4、S 组态软件第一章 绪 论- 3 -目录摘 要 .I第一章 绪 论 .51.1 项目研发及背景意义 .51.2 化工区环境监测系统的发展前景 .61.3 无线传感器网络监测系统的功能及特点 .71.4 本章小结 .8第二章 化工区环境监测系统的设计 .92.1 化工区环境监测系统构架 .92.2 传感器节点 .102.3 网关节点 .102.4 上位机监控中心 .112.5 本章小结 .12第三章 化工区环境监测系统的硬件设计 .133.1 传感器节点设计 .133.1.1 传感器节点的系统构架 .133.1.2 数据采集模块设计 .153.1.3 数据处理模块设计 .193.1.4 zigb
5、ee 无线数据传输模块设计 .223.1.5 电源模块设计 .263.2 网关节点设计 .273.2.1 网关节点的系统构架 .273.2.2 CC2420 模块设计 .283.2.3 微处理器模块的设计 .283.2.4 GPRS 模块设计 .283.2.5 电源模块设计 .353.3 本章小结 .38第四章 化工区环境监测系统的软件设计 .394.1 无线传感器网络系统的软件设计 .394.1.1 软件开发环境介绍 .394.1.2 软件设计功能分析 .394.1.3 网关的软件设计 .394.1.4 终端设备节点的软件设计 .424.1.5 路由器节点的软件设计 .43第十一届“挑战杯”
6、全国大学生课外学术科技作品竞赛参赛作品- 4 -4.1.6 终端节点低功耗软件设计 .444.2 上位机监控软件设计 .454.2.1 监控软件开发环境介绍 .454.2.2 上位机监控软件开发步骤 .454.2.3 上位机监控软件设计 .474.3 本章小结 .52第五章 工作总结 .53参考文献 .54致 谢 .55附录 1 目前化工区在线环境监测系统 .56附录 2 传感器节点总体硬件设计图 .57附录 3 CC2420 芯片 48 引脚及其功能介绍 .58附录 4 AT 指令集指令简编 .61附录 5 采用 MC35i 模块的 GPRS .67附录 6 太阳能电池电路 .68第一章 绪
7、 论- 5 -第一章 绪 论1.1 项目研发及背景意义化工生产的出现是社会发展、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
8、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。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 2
9、4 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，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
10、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第十一届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛参赛作品- 6 -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
11、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
12、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第一章 绪 论- 7 -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,
13、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。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
14、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，通过在化工区第十一届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛参赛作品- 8 -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,
15、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- 9 -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，
16、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。传感器部分A T m e g a 1 2 8模块C C 2 4 2 0模块传感器节点C C 2 4 2 0模块A T m e g a 1 2 8模块M C 3 5 1网关节点基站监控中心Z i g b e e无线传输远程服务器有线网络GPRS无线传输图 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
17、测的基站监控中心。第十一届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛参赛作品- 10 -基站网关节点传感器节点传感器节点图 2.2 化工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
