基于無線傳感器網絡的氯氣監測系統設計*

孔凡偉，施云波，修德斌，杜 放，王萌萌

(哈爾濱理工大學測控技術與通信工程學院測控技術與儀器黑龍江省高校重點實驗室，黑龍江哈爾濱150080)

0 引言

美國能源部(DOE)在2002年發布的“面向21世紀的工業無線技術”白皮書中首次提出將無線傳感器網絡(wireless sensor network，WSNs)應用于工業自動化領域［1］，WSNs節點硬件不但省電，而且有很好的抗干擾能力;軟件有很好的任務實時調度性能，能適應各種前端點的應用任務且具有處理無線信道協議的能力［2］。

隨著國內經濟的持續發展，化工企業不斷增加，有毒有害氣體的泄漏事故在商業化學品的生產、儲運和使用過程中時有發生。據統計，氯氣是我國化學事故發生率最高的危化品之一，它的泄漏將嚴重威脅國家和人民的生命財產安全。因此，對敏感區域的環境氯氣含量實時監測尤為重要，傳統氯氣安全監測系統采用有線方式傳輸信號，導致信號抗干擾能力弱，線路鋪設復雜，尤其在復雜的工業環境現場，擴展性差，成本偏高［3］。因此，本文采用WSNs來搭建無線采集網絡，配合上位機軟件，可以很好地實現對監測區域內氯氣體積分數的監測，顯示和預警［4］。

1 系統硬件設計

1.1 系統整體結構與節點結構設計

系統由多個節點、中心模塊和PC監測中心組成，系統總體結構框圖如圖1所示。

圖1 系統總體結構框圖Fig 1 Overall structure block diagram of system

節點由傳感器、信號調理模塊、數據融合與處理模塊、射頻模塊及電源模塊構成，結構框圖如圖2所示。

圖2 節點結構框圖Fig 2 Structure block diagram of node

中心模塊由傳感器模塊、數據融合與處理模塊、射頻模塊以及與PC機通信的接口電路組成。

1.2 系統工作

啟動后，各節點通過基于星型拓撲結構的通信協議快速自動地組成一個網絡，傳感器將檢測到的體積分數變化通過信號調理模塊轉換成A/D采集能夠識別的電壓信號，數據融合處理模塊內置12位的A/D，同時控制顯示與越線報警。監測中心通過UART發送指令給中心模塊，各個節點通過接收中心模塊的指令執行采集發送和相關指令，然后，通過無線通信模塊將執行指令后獲取的數據信息回傳中心模塊，PC通過監測界面實時顯示相應監測信息，同時實現報警功能。

2 模塊化設計

2.1 數據融合處理模塊

該模塊采用TI的混合信號微處理器MSP430系列作為處理芯片，該芯片不僅自身功耗低(休眠模式下僅為2μA，系統工作可以通過中斷喚醒)，另外，芯片集成了豐富的函數庫，如對信號進行FFT等操作時會比其他的單片機快很多［5］。這樣，可以通過它對采集到的信號進行融合、糾錯以及預處理，減少發射冗余，進一步降低了系統的功耗。

2.2 信號調理模塊

氯氣傳感器采用具有高靈敏度、線性度好、工作常溫等優點的三電極電化學氯氣傳感器，傳感器通過內部電解液的氧化還原反應外部氣體體積分數的變化［6］。當對電極與參比電極加上恒電位后，會在工作電極輸出負電流。該模塊設計了基于單電源供電的負電流信號檢測電路。設計中采用了2.5 V恒壓源模擬零電位。調理電路如圖3所示。

傳感器產生的負電流經R1變成負電壓后，經A1反向輸入低通濾波電路，A3，A4，A5組成為增益可調差動輸入運算放大器，經計算輸出電壓Vo范圍為1～3 V，后接保護電路，當輸出大于保護電壓時，運放A6導通，輸出大電流，對A5的輸出分流，降低A5的輸出電壓，輸出電壓下降后使得A6輸出關閉，從而防止由于信號畸變或體積分數過高對輸入口產生灌電流，毀壞AD采集端口。

2.3 無線通信模塊

圖3 調理電路Fig 3 Conditioning circuit

無線通信模塊采用基于射頻集成芯片CC1101的射頻模塊，是一種低成本，低功耗，工作頻段在433 MHz的單片可編程UHF收發芯片［7］。處理芯片與CC1101采用SPI方式通信，傳輸距離可達600 m。采用GPSK方式調制，提高了數據抗突發干擾和隨機干擾的能力，理論誤碼率小于0.1%。為滿足通信要求，采用8 dbi全向天線［8］。

2.4 電源模塊

電源模塊的設計采用2個3.7 V鋰電池串聯組成8.4 V，3200 mAh，增強了系統的單電池續航能力，然而，電池容量有限，且不穩定，電池充電期間系統處于關閉狀態，這給系統工作造成了真空區，設計采用了電池供電和外接電源供電2種模式可選，電池欠電發出警報，可就近接通外接電源，模塊會自動切入外接電源供電模式，同時給電池充電，切斷外接電源，系統自動切入電池供電模式。設計實現了系統不間斷工作。電源模塊電路原理如圖4所示。

圖4 電源模塊電路原理Fig 4 Circuit principle diagram of power module

2.5 報警電路

由于現場環境的復雜性，報警采用了聲光報警，通過繼電器控制大功率蜂鳴器報警。

3 軟件設計

軟件包括兩部分，基于星狀拓撲結構的通信協議設計，基于C語言虛擬儀器(Cvirtual instrument，CVI)的監測中心設計。

3.1 基于星狀拓撲結構的通信協議

系統初始化后，中心模塊通過UART接收PC指令。中心模塊通過判斷PC指令對各個節點發送相應的命令，節點接收到命令以后，執行采集處理和其他命令，各個節點依次按照設定好的時序將處理后的數據發送給中心模塊，中心模塊將所有節點的數據匯總處理(包括判斷、糾錯等)后，集中返回到上位機。軟件流程圖如圖5。

圖5 軟件流程圖Fig 5 Flow chart of software

3.2 基于CVI的監測中心

CVI的交互式程序開發，具有強大的函數庫用來創建數據采集和儀器控制的應用程序，以及具備完備的軟件工具進行數據采集，分析和顯示等區別于其他上位機開發環境的優勢是選擇CVI開發監測界面的原因。基于CVI設計的監測中心具有實時顯示網絡中節點地址信息、監測數據、保存數據、繪制動態曲線、報警、查詢歷史數據以及繪制歷史數據曲線等功能。監測中心程序流程如圖6所示。

圖6 監測中心程序流程圖Fig 6 Program flow chart of monitoring center

4 實驗結果和分析

在地址標識為0X01～0X06的6套節點中隨機分成3組放入3個氣體測試箱中，連接好測試系統，啟動監測中心軟件，向3組氣體測試箱中注入不同體積分數的氯氣，通過監測中心可以觀測到加入網絡的節點地址與實測的氣體體積分數值，穩定后獲得的實驗數據如表1所示。

表1 實驗數據Tab 1 Experimental data

由表中數據可知，該系統啟動后自動地組成一個獨立的監測網絡，對氯氣體積分數的監測比較穩定，監測數據精度在5%以內，滿足應用要求。

5 結束語

本文將WSNs技術應用于氯氣安全監測，網絡的建立不需要預設的網絡設施，具有組網簡單快捷，工作穩定，擴展性好，功耗低等優點。目前，該網絡的覆蓋范圍在500 m以內，滿足了一般的氯氣存儲環境的監測范圍要求，如果有更大區域的覆蓋需求，如大型的氯氣生產廠等，該網絡可以快速地擴展成樹狀乃至網狀拓撲結構，滿足現場需求。

［1］王希杰.基于物聯網技術的生態環境監測應用研究［J］.傳感器與微系統，2011，30(7):149-152.

［2］李鳳保，李 凌.無線傳感器網絡技術綜述［J］.儀器儀表學報，2007，26(8):559-561.

［3］Gao Z X，Li H F，Liu J，et al.A simple microfluidic chlorine gas sensor based on gas-liquid chemiluminescence of luminol-chlorine system［J］.Analytica Chimica Acta，2010，622(1-2):143-149.

［4］鮮曉東，常 超.基于WSNs和GSM的室內環境監測預警系統設計［J］.傳感器與微系統，2011，30(6):141-144.

［5］沈建華，楊艷琴，翟驍曙.MSP430系列16位超低功耗單片機原理與應用［M］.北京:清華大學出版社，2006.

［6］胡 茜，葛思擘，王伊卿，等.電化學氣敏傳感器的原理及其應用［J］.儀表技術與傳感器，2009(5):77-78.

［7］李 娟，唐小超，葛立峰.基于CC1101射頻技術的室內超聲定位系統［J］.自動化與儀表，2010，24(6):1-4.

［8］秦源汛，梁維謙.低功耗高速無線傳輸語音采集系統的設計［J］.電聲技術，2012，36(1):51-54.