基于GPRS和ZigBee的液氨罐區(qū)無線監(jiān)測系統(tǒng)

應華平 李 鳴 婁海強

(南昌大學機電工程學院,南昌 330031)

基于GPRS和ZigBee的液氨罐區(qū)無線監(jiān)測系統(tǒng)

應華平 李 鳴 婁海強

(南昌大學機電工程學院,南昌 330031)

針對傳統(tǒng)液氨罐區(qū)對各生產(chǎn)參數(shù)監(jiān)控不足及設備分散不便于管理等缺陷，提出基于GPRS和ZigBee無線通信技術的液氨罐區(qū)無線監(jiān)測系統(tǒng)。在介紹系統(tǒng)總體架構和功能的基礎上，給出系統(tǒng)硬件方案和部分軟件流程。測試結果表明：系統(tǒng)運行穩(wěn)定，操作界面友好，數(shù)據(jù)傳輸實時性與同步性均滿足工業(yè)需求。

罐區(qū)監(jiān)測系統(tǒng) GPRS ZigBee 液氨

隨著工業(yè)信息化和自動化技術的發(fā)展，我國2014年公布了《關于進一步加強化學品罐區(qū)安全管理的通知》，明確要求進一步完善化學品罐區(qū)監(jiān)測監(jiān)控設施，并有效防范化學品罐區(qū)生產(chǎn)安全事故。

在化工領域中液氨是重要的化工原料，然而液氨罐區(qū)生產(chǎn)對溫度、液位、壓力及氣氨濃度等參數(shù)監(jiān)控不足，且大量液氨儲罐分布比較分散，傳統(tǒng)監(jiān)控措施無法及時對其進行監(jiān)控與管理，導致液氨罐區(qū)成為發(fā)生泄漏、火災或爆炸的高危場所[1]。液氨罐區(qū)有線監(jiān)測系統(tǒng)的缺陷越來越凸顯，經(jīng)常由于現(xiàn)場線纜出現(xiàn)腐蝕老化而導致生產(chǎn)事故甚至引發(fā)火災。因此，通過短距離無線通信技術使液氨罐區(qū)所有設備連成網(wǎng)絡，結合遠程實時監(jiān)測功能，實現(xiàn)液氨罐區(qū)生產(chǎn)自動化與安全化已成為其發(fā)展的必然趨勢。

ZigBee無線通信技術具有組網(wǎng)簡單靈活、成本低、功耗低及運行安全可靠等特點[2]。GPRS通信技術以其數(shù)據(jù)傳輸實時性強、通信距離遠、可間斷及數(shù)據(jù)傳輸時間長等優(yōu)點[3]，在工業(yè)遠程監(jiān)測控制系統(tǒng)中具有巨大的應用前景。在此，筆者基于GPRS和ZigBee無線通信技術，設計液氨罐區(qū)無線監(jiān)測系統(tǒng)，以改善傳統(tǒng)監(jiān)控措施的不足。

液氨罐區(qū)無線監(jiān)測系統(tǒng)分為現(xiàn)場采集終端網(wǎng)絡、嵌入式控制端和遠程數(shù)據(jù)監(jiān)視中心3部分，其總體架構如圖1所示。嵌入式控制端為系統(tǒng)核心，考慮到嵌入式主芯片自身性能穩(wěn)定性、各模塊兼容性與擴展性及產(chǎn)品價格等因素，選擇S3C2440A芯片作為系統(tǒng)控制中心，該微處理器基于ARM920T內(nèi)核架構，采用32位RISC指令集，高性價比、低功耗、低成本，具有豐富的片內(nèi)資源，工作頻率400MHz[4]。S3C2440A控制端搭載Linux 2.6系統(tǒng)，外部擴展多種設備，包括攝像頭、語音預警、GPRS無線通信及ZigBee協(xié)調器等模塊，具有液氨罐區(qū)狀態(tài)查詢與控制、語音預警、遠程短信通知及無線數(shù)據(jù)輸送等功能。

圖1 系統(tǒng)總體結構

每個液氨儲罐對應安裝一個ZigBee無線采集終端模塊，采集終端由ZigBee無線收發(fā)器、各種傳感器及安全鎖模塊等組成。傳感器周期性采集液氨的壓力、溫度、液位及氣氨濃度等參數(shù)，經(jīng)過模數(shù)轉換、放大、濾波和功能放大，由無線射頻將信號發(fā)送至協(xié)調器。協(xié)調器通過無線射頻天線接收，再經(jīng)過放大、降頻、濾波、解調及解析等處理后，通過串行口將數(shù)據(jù)送入ARM處理器分析。如果壓力、液位、溫度或氣氨濃度出現(xiàn)異常，則語音系統(tǒng)將根據(jù)異常儲罐編號來提醒工作人員對其及時處理。

遠程數(shù)據(jù)監(jiān)視中心利用GPRS無線網(wǎng)絡接收罐區(qū)的各種生產(chǎn)參數(shù)，一旦進入高危險狀態(tài)，將通過GPRS網(wǎng)絡發(fā)送短信到相關工作人員手機，并及時執(zhí)行安全聯(lián)鎖模塊。

2 系統(tǒng)硬件部分

2.1ZigBee無線采樣終端模塊

ZigBee無線采樣終端模塊作為數(shù)據(jù)采集單元，一端連接各種傳感器，用于檢測液氨罐的參數(shù)，另一端連接安全聯(lián)鎖執(zhí)行模塊，用以執(zhí)行特定的任務。ZigBee無線采樣終端模塊采用CC2530芯片，該芯片內(nèi)部集成8051硬核、無線收發(fā)器、ADC模塊、64KB的FLASH存儲器、21個通用GPIO和兩個USART接口。其無線發(fā)射頻率為2.4GHz，最大數(shù)據(jù)傳輸速率為250kbit/s。ZigBee無線采樣終端模塊添加了功率放大PA模塊(CC2591芯片)，避免了僅采用CC2530芯片時存在的信號傳輸距離短、信號強度弱及網(wǎng)絡覆蓋面積小等缺陷。該設計方案可使信號可靠傳輸距離達1 000m以上，具有垂直6層穿墻能力，適合大型液氨罐區(qū)復雜生產(chǎn)環(huán)境。ZigBee無線采樣終端模塊同時連接了液位、壓力、溫度及氣氨濃度等傳感器，其中超聲波液位傳感器HS-2000無需開孔就能實現(xiàn)液位檢測；采用PT212BX傳感器測量儲罐的壓力參數(shù)；氣氨濃度傳感器采用MOT500-NH3；儲罐內(nèi)溫度測量采用LVQWC-21溫度傳感器，其量程-40～60℃。同時，對ZigBee無線采樣終端模塊中的設備均進行了防爆、耐腐蝕及耐高溫等處理。

2.2GPRS無線收發(fā)模塊

在液氨罐區(qū)中，利用GPRS模塊將現(xiàn)場生產(chǎn)參數(shù)、圖片及預警等信息通過短信SMS方式送達遠程工作人員的手機中。GPRS通信技術是以GSM技術為基礎的無線分組交換技術，在GSM網(wǎng)絡基礎上添加小部分硬件與軟件形成新的GPRS網(wǎng)絡[5]。GPRS主要用于間斷、突發(fā)性或頻繁、少量的數(shù)據(jù)傳輸，大數(shù)據(jù)量傳輸也同樣適用[6]，且具有可靠、實時及傳輸距離遠等特點。

現(xiàn)場采用G20模塊并結合SIM卡構成GPRS無線收發(fā)模塊，G20模塊內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議棧，與S3C2440A通過串行口連接，另一端連接SIM卡。當GPRS模塊上電初始化成功后，在Linux文件系統(tǒng)中將出現(xiàn)對應的設備節(jié)點，S3C2440A通過發(fā)送AT指令對G20模塊進行操作(如SMS功能)，G20模塊接收指令后將做出響應。GPRS模塊采用PPP協(xié)議方式加入外部GPRS網(wǎng)絡，并根據(jù)特定的靜態(tài)IP地址，通過TCP/IP協(xié)議進行網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸。

2.3安全聯(lián)鎖模塊

安全聯(lián)鎖模塊包括PID控制器與電磁閥兩部分，ZigBee無線采樣模塊具有PID控制單元，用于對儲罐的溫度、壓力及液位等進行偏差調節(jié)；8051微處理器連接三極管放大電路的GPIO引腳，用來控制繼電器上電與掉電從而打開或關閉電磁閥。當液氨儲罐壓力過高時，通過控制電磁閥給液氨儲罐泄壓至備用儲罐；溫度過高時，通過控制電磁閥打開液氨儲罐頂部噴淋水出口，從而降低液氨儲罐的溫度。當液氨發(fā)生泄漏時，可控制電磁閥打開噴淋水吸收空氣中的氨氣。當向儲罐充液氨且液位過高時，可通過控制電磁閥快速切斷充氨口。

2.4語音預警模塊

液氨罐區(qū)語音預警模塊包含多種預警信息，如緊急疏散、液氨儲罐的壓力、液位、溫度及氣氨濃度等參數(shù)的安全預警與上限預警，如果罐區(qū)環(huán)境處于預警狀態(tài)，語音預警模塊將發(fā)出相應的聲音。基于S3C2440A處理器內(nèi)置的IIS總線控制器，通過IIS、L3總線接口與音頻解碼芯片UDA1341TS連接，可實現(xiàn)語音預警功能。L3總線接口相當于混頻器控制接口，與S3C2440A的3個GPIO輸入/輸出引腳相連，用于控制聲音大小等特性；IIS總線接口物理連線IISDI、IISDO、SCLK、LRCK分別與UDA1341TS芯片的DATA0、DATA1、SYSCLK、WS接口相連。通過S3C2440A設置IISFCON寄存器并選擇DMA控制模式，通過IISMOD寄存器設置采樣頻率、串口接口格式及傳輸、接收模式等。

基于Linux的音頻子系統(tǒng)根據(jù)不同芯片提供了不同的功能文件。UDA1341TS芯片由聲音播放/錄制DSP音頻設備和用于控制聲音特性的Mixer混頻器設備兩部分組成，因此Linux音頻子系統(tǒng)提供了與其相對應的數(shù)字化音頻設備文件與混頻設備文件。通過Qt/Embedded編寫音頻播放/錄制應用軟件，對系統(tǒng)音頻節(jié)點如數(shù)值化音頻文件/dev/dsp進行read、write操作，即實現(xiàn)聲音的播放和錄制。

3 系統(tǒng)軟件部分

3.1ZigBee無線網(wǎng)絡

基于ZigBee無線通信技術的液氨罐區(qū)監(jiān)測系統(tǒng)，其每個液氨儲罐對應安裝一個ZigBee無線采集模塊，對儲罐的溫度、壓力及液位等數(shù)據(jù)進行采集并發(fā)送。與S3C2440A控制器相連的ZigBee協(xié)調器自主創(chuàng)建網(wǎng)絡，并監(jiān)聽所有ZigBee無線模塊。ZigBee節(jié)點組網(wǎng)與入網(wǎng)流程如圖2所示。CC2530協(xié)調器模塊首先進行上電并自身設備初始化，然后進行有效信道掃描，按掃描順序將能量值不符合的信道排除，并找到最佳組網(wǎng)信道，分配唯一的PAN描述符給該信道。設置協(xié)調器網(wǎng)絡地址為0x0000，一旦創(chuàng)建網(wǎng)絡成功并運行網(wǎng)絡后，協(xié)調器將等待其他節(jié)點入網(wǎng)請求。當獲得入網(wǎng)請求信號后，協(xié)調器查詢ZigBee網(wǎng)絡中所有節(jié)點的網(wǎng)絡地址，選擇沒有重復使用的網(wǎng)絡地址給該請求節(jié)點，最后節(jié)點被允許入網(wǎng)。

圖2 節(jié)點組網(wǎng)與入網(wǎng)流程

根據(jù)液氨罐區(qū)的儲罐現(xiàn)場分布特點，ZigBee無線網(wǎng)絡采用Cluster Tree型網(wǎng)絡拓撲方式。安裝在儲罐上的ZigBee無線采樣模塊和安全聯(lián)鎖模塊，以30ms的時間間隔對儲罐溫度、壓力及液位等參數(shù)進行周期性采集，并通過ZigBee網(wǎng)絡直接與S3C2440A上的CC2530協(xié)調器通信。ZigBee無線數(shù)據(jù)采樣模塊工作流程如圖3所示。

圖3 ZigBee無線數(shù)據(jù)采樣模塊工作流程

在ZigBee網(wǎng)絡中每個ZigBee終端子節(jié)點的軟件通過Oscal_start_timerEx()函數(shù)來設置采樣時間(30ms)，并利用AF_DataRequest()函數(shù)將數(shù)據(jù)包發(fā)射到協(xié)調器。協(xié)調器CC2530通過RS232串行口總線與S3C2440A通信，協(xié)調器不僅用于接收罐區(qū)的各種參數(shù)數(shù)據(jù)，還將各種查詢與操作指令發(fā)送至儲罐ZigBee無線節(jié)點上。

3.2GPRS無線網(wǎng)絡

基于Linux的GPRS無線通信模塊要完成正常的數(shù)據(jù)傳輸，首先要對G20模塊進行初始化，然后連接GPRS網(wǎng)絡，并編寫數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠脩魬贸绦?即對基于TCP/IP協(xié)議的套接字與AT指令進行封裝)。其中，G20模塊初始化是為了實現(xiàn)與S3C2440A的邏輯連接，可根據(jù)G20的上電時序完成模塊的初始化，該部分代碼在模塊驅動文件中實現(xiàn)。采用基于PPP協(xié)議的第三方軟件實現(xiàn)GPRS無線通信網(wǎng)絡連接。由于Linux系統(tǒng)源碼中已集成TCP/IP協(xié)議棧，故可采用C/S模式下的套接字Socket編寫GPRS數(shù)據(jù)傳輸應用程序。上層應用程序可通過封裝AT指令來完成SMS相關功能，如發(fā)送短信指令AT+CMGS、設置短信格式AT+CMGF及查詢網(wǎng)絡狀態(tài)AT+CSQ等。

3.3系統(tǒng)測試

使用用戶軟件Qt/Embedded來設計液氨監(jiān)控圖形界面(圖4)，工作人員可通過人機界面查詢和控制整個罐區(qū)的生產(chǎn)狀況，避免了現(xiàn)場各儲罐逐一查看。Qt支持TCP/IP協(xié)議，具有虛擬緩存FramBuffer[7]。監(jiān)控軟件主要功能包括顯示液氨壓力及液位等采集參數(shù)并對其調節(jié)；分析生產(chǎn)參數(shù)與臨界值的比較，完成預警工作；現(xiàn)場圖片獲取并通過GPRS推送遠程。

圖4 監(jiān)視界面

系統(tǒng)軟件以廠房車間作為控制單元，分為1#～4#車間、污水處理車間、洗滌車間和制劑車間。制劑車間內(nèi)的液氨罐區(qū)安裝了GPRS、ZigBee無線通信網(wǎng)絡。軟件監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，處于生產(chǎn)初期階段的1#儲罐溫度值為12℃、液氨液位1.34m、壓力101MPa、氣氨濃度為0，無報警異常。系統(tǒng)保存的液氨罐區(qū)歷史生產(chǎn)參數(shù)、系統(tǒng)日志及歷史圖片等信息，可通過該圖形界面逐一清楚地顯示出來。

4 結束語

基于GPRS和ZigBee通信技術的液氨罐區(qū)無線監(jiān)測系統(tǒng)，經(jīng)過測試與驗證，系統(tǒng)運行穩(wěn)定、操作流暢；無線通信技術網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸可靠，具備較好的抗干擾能力，能夠滿足工業(yè)實時性與同步性的要求，適用于液氨生產(chǎn)環(huán)境。該無線監(jiān)測系統(tǒng)改變了傳統(tǒng)落后的液氨罐區(qū)生產(chǎn)方式，構建更易于管理，安全可靠，便捷高效的生產(chǎn)模式使該監(jiān)測系統(tǒng)在工業(yè)領域具有廣闊的應用前景。

[1] 張哲源,謝飛,張苗,等.基于改進層次分析法的液氨儲罐安全分析[J].南開大學學報(自然科學版),2014,47(4): 6～13.

[2] 李文軍,樂小琴,沈曉昱,等.工業(yè)儀表無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].自動化儀表,2012,33(4):27～29.

[3] 田羿.基于GPRS網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)無線傳輸接口實現(xiàn)[J].計算機與網(wǎng)絡,2011,(22):74～75.

[4] 佟剛,崔明.基于S3C2440A的時統(tǒng)終端系統(tǒng)的設計[J]. 儀表技術與傳感器,2012,(7):42～44.

[5] 周慧玲,甘典文,王智威,等.基于ARM/GPRS/ZigBee技術的無線糧情監(jiān)控系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].測控技術,2011, 30(2):11～15.

[6] 張國忠,吳俊,劉毅,等.基于GSM/GPRS的配電變壓器實時監(jiān)測系統(tǒng)[J].自動化儀表,2009,30(1):42～44.

[7] 湯偉,李強.Qt/E的嵌入式Linux GUI研究與實現(xiàn)[J].計算機應用與軟件,2011,28(10):260～263.

DesignofLiquidAmmoniaTankFarm’sWirelessMonitoringSystemBasedonGPRSandZigBee

YING Hua-ping, LI Ming, LOU Hai-qiang

(SchoolofMechanical&ElectricalEngineering,NanchangUniversity,Nanchang330031,China)

Considering the insufficient control over the working parameters and inconvenience in managing equipment scattered over traditional liquid ammonia tank farms, having GPRS and ZigBee based to design a monitoring system for liquid ammonia tank farms was proposed. Basing on introducing the system’s overall architecture and functions, the system’s hardware scheme and some software flow charts were presented. Test results show that this system boasts stable operation and friendly interface, and its real time and synchronization in data transmission can satisfy industrial demand.

tank farm monitoring system, GPRS, ZigBee, liquid ammonia

TH862

B

1000-3932(2016)01-0028-04

2015-05-15基金項目：江西省科技支撐計劃資助項目(20111BBG70012-2)