基本信息
- 项目名称：
- ZigBee无线传感网络及其在重大危险源环境监控系统中的应用研究
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 信息技术
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 近年来，在石化和煤炭行业频繁发生事故，而大部分煤炭或化工行业对危险源的监控采用有线系统，维护困难，布线不便，二次开发成本高。针对现状，分析危险源监控系统需求，提出一种基于ZigBee技术的危险源监控系统方案。以无线数据采集和传输代替传统有线数据采集和传输，改善并提高传统有线监控局限性，为后续子系统提供方便可靠的数据传输链路。设计并给出了适合无线监控系统的拓扑结构，采集网络，传感器选择及上位机需求。
- 详细介绍：
- 危险源监控系统方案设计 1引言 随着计算机技术，通信技术与网络技术的飞速发展和普及，特别是嵌入式计算机技术和传感器技术的广泛应用，具有感知能力、计算机能力和通信能力的微型传感器开始在世界范围内出现。无线传感器网络系统综合了传感器技术、嵌入式技术、计算机技术、分布式信息处理技术和通信技术，能够协作的实时地监测、感知和采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的信息，并对这些信息进行处理，获得详尽而准确的信息，传送到需要这些信息的用户，是当今前沿性的热点研究方向之一，有着巨大的科学意义和应用前景。工业领域在现代化进程中通过引入各种先进技术，实现了劳动生产率的提高和生产成本的下降。特别是数字电子技术和通信技术的发展和应用，工业自动化系统水平获得了很大的进步。许多大型企业，例如石油化工企业，生产地域分散，业务分工复杂，生产环境恶劣，甚至气体污染，易燃易爆十分危险等，这些环境只有采用无线通信方式才是解决问题的优化方案。这样，可以使得控制中心的安装，维护管理更为简单，生产控制系统更为稳定，从而达到提高石油化工产品的生产效率和安全性。 2 需求分析 本系统主要面向石化行业中存在易燃，易爆，腐蚀性，有毒气体的生产车间或环境进行监控系统软硬件设计。在系统开发前,综合分析实际应用特点,利用有利条件,回避不利因素。需要对本系统提出以下需求： (1)监测关键的环境参数，包括温度、湿度、一氧化碳、氧气、甲烷、烟雾等； (2)监测机电设备的运行状态，包括工作电流、工作电压等参数；监测车间区域变电所电网电压、负荷电流、功率、电度等电量参数； (3)预警与报警,如瓦斯、温度、一氧化碳超限、电流超限等进行报警；报警信息的显示与提示，如报警值、地点、报警时间、声音提示等； (4)根据警情，联动控制，保证最短时间内排除警源；并对相关部门发布数据，实现远程监控。 3 设计原则 针对上述需求，考虑到危险源区的复杂环境，从系统的构建到采集数据的精确性，实时性，可靠性，安全性，先进性及易用性和可维护性提出一定要求： (1)精确性 采集的数据应尽可能精确，反映各种气体状态随环境变化而变化的过程； (2)实时性 实时的反映机电设备运行状态与危险源气体变化的走势，是每个监控系统的必然要求，保证以最快速度发现问题和解决问题。 (3)可靠性 可靠性是衡量系统质量的重要指标。包括系统的软硬件，数据的真实性，当然，可靠性的验证是在一定条件下，一定时间内完成的。 (4)易用性和可维护性 系统建立在应用场合中，应达到便于安装，便于使用和便于管理的目的。只有使用起来方便简单，推广才更有价值。在危险源一般的环境中，作业难度都比较高，对于系统的维护提出了更高的要求，要经济，短时，可靠的对系统进行必要的维护。 (5)安全性 安全性是指系统在正常工作或发生故障的情况下，不会对系统本身以及外界事物带来危险或灾难性的后果。在系统设计中，要充分考虑怎么能将整个系统运行于危险源环境之中。 (6)灵活性和可扩展性 灵活配置的能力和与其它系统兼容的能力是现代系统设计必要考虑。能够对系统的规模、功能及处理能力进行升级并且能够有标准的模块接口作为后续研究和开放式的配合效果，则更能充分的展现和壮大系统。 (7)先进性 系统的先进性是对系统以上指标的综合评价，需要先进的软硬件环境、先进的设计技术、完善的设计和分析理论来保障。 4 框架设计 在目前的安监系统中,采用的基本上是以光纤为骨干的有线网络。这种有线网络具有传输稳定,在区域布线方便等优点。但对于一些特殊区域,如腐蚀严重的或正在采煤或掘进的工作面区域等,这种传输方式还是很不方便。然而这些区域却往往隐藏了大量的潜在危险源。事实上,当车间发生事故后,有线网络很容易受到致命破坏,不利于车间环境探测与人员搜救。以ZigBee网络为基础的随机部署、自动组网的无线传输方式可以很好地解决车间内通信的问题。车间外系统采用有线网络,保证传输质量和速度。将这两种网络结合起来,发挥各自的优势,可满足实际生产车间的安全监控需要。系统采取统一监测、综合分析的方法，实现对车间生产过程的监测与预警。通过ZigBee 智能无线传感网络，对生产过程、设备与开采环境等数据实现自动采集。包括温度、湿度、一氧化碳、氧气、甲烷、烟雾等对车间安全生产具有重要影响的环境参数的采集；车间各种运行设备状况数据的采集；人员、矿车行动轨迹数据的采集。实时灵活的无线传感网络确保整个监控区域的各种信息的数字化，采集到的各种数据通过网关上传送到地面数据库，对数据进行统一分析，利用专家系统和BP 神经网络算法以及一些规则库对可能存在的安全隐患和灾害进行判断与预测，实时地指导生产过程；对可能存在的安全隐患和灾害做出及时的补救，并做出相应的告警，确保矿井高效安全生产。整个系统的工作示意图如图1 所示。 图1系统框图 5 系统组成 在应用研究中，系统参考自下而上的方法，确定现场实际需求的ZigBee采集网络，将数据通过网关传输至存储器，利用各种库的信息提供给分析者，通过上位机和远程监控完成管理控制，整个系统涉及无线传感器，电子信息，计算机技术等多学科，并涉及各种数据处理与融合理论，结构复杂，整个系统如下： (1)采集区域： 由ZigBee 无线传感网络覆盖整个危险源所在生产区域，包括固定数据采集节点和移动数据采集节点,这些节点分别被部署在车间各个需要监测的点位上， 保证生产过程和生产环境状态实时信息的数字化，为本系统提供可靠一手数据。 (2)传输部分： 利用zigbee网关与上位机相接，将采集到的数据实时准确的传输到上位机数据库，为上位机专家库，BP识别等提供采集数据，事实上，传输部分即为无线和有线数据通路的接口部分。 (3)存储部分：对监控区域采集到的数据进行存储和更新，并有事先存储的各项指标参数信息、事故信息、预警信息等，通过专家系统，数据库等存储，为分析控制区提供信息。 (4)分析控制层：利用存储层提供的采集数据和各种库、规则、模型分析当前的实际的生产情况，对各种险情进行报警，各种隐患进行预警，并根据警情对实际生产过程进行联动控制，及时地排除险情和隐患。本层并提供事故分析和评价的功能。实现了生产的监测与监测、事故的识别与分析、隐患的分析与报告、警情的预警与防范、信息反馈和事故评价。 (5)用户交互层：良好的上位机界面,实时监控和处理各种信息，可以通过Internet 上传各种信息和下达各种命令，方便管理者监视监控区域的安全状况，并进行远程监测。整个系统的组成如图2。 图2系统组成图 6 采集网络 ZigBee 网络支持两类物理设备,即全功能设备(FFD)和精简功能设备(RFD) 。一般来说, FFD 支持任何拓扑结构, 可以充当网络协调器, 能与任何设备通信; 而RFD 只适用于星型网络拓扑结构, 不能充当网络协调器, 只能与FFD 通信。在任何ZigBee 网络中必然存在网络协调功能设备和精简功能设备, 前者可与任何设备通信, 用于协调建立网络; 后者因其内部功能结构简单, 上层应用少, 某些仅仅包含IEEE 标准的协议。基于ZigBee 的系统网络包含含传感器的终端节点，路由器节点和网关节点。 结合实际，ZigBee所支持的三种网络当中选择网状网拓扑结构。 若网络节点总数不大，可采用图3所示网络，在协调器内集成协议转换模块形成网关，直接和上位机相连。 图3车间内部危险源监测图 对于一个监控网络，要想尽可能监控到多的点的状态，需要在很大的覆盖区域内构建无线传感器网络，此时网络节点数目就可能会很庞大。虽然在ZigBee规范中，一个协调器可以控制65536个节点，但是，当网络节点数很多时会导致各个节点发送数据的时间相差很长，耗能相差悬殊。如果为500米的传输距离，而每两个相邻节点接传输距离最远为50米，从网关到终端就需要10跳的过程，如果网关周围的支路很多，最终由最远终端经过10跳而到达网关时，靠近网关的路由器始终在高能工作，能耗很大，且加上其它近跳的传输，这些路由承担的中继任务很重，时间就会很长，最终会因负担过重而造成节点能耗衰竭，对于要求稳定的网络系统中，这种结果不被希望出现。如果将ZigBee无线传感网络使用在一些室外恶劣环境中，或是障碍物多的环境中，那一跳之间的距离更短，从终端到网关的路程更长，跳数更多，数据传输时间更长，临近网关的路由承担中继次数和数据量更大，容易造成数据丢失或延迟等带来丢包率上升，实时性降低的结果。另外，因为使用竞争接入CSMA/CA机制，加上数据重传，相同的帧在接入过程中会多次挤占信道，效率下降，也造成数据传输时延。 为解决上述问题，提出如下思想： 将节点很多的一个网络分成数个信道不同的子网络，各个相邻的子网络通信信道不同，不相邻子网络的信道可相同，每个小网络内使用同一个信道，每个网络由一个协调器来管理，各个网络之间通过协调器通信，协调器通信使用同一信道。协调器和网关之间使用另外一条信道通信。 具体做法： 在一个网络中，将相邻路由的通信信道设置成不同频率，使用不同信道，尽可能充分利用 IEEE.802.15.4 中通信信道，在频率2.4GHz时,速率250k/s，有16个信道，可将信道设置在2.4GHz所在的3-16信道。与路由较近的终端设置成与路由相同的信道，以便路由和终端通信，根据需要，可将几个路由都设置成同一信道，然后配置一个协调器管理同一信道的路由和终端，形成一个子网。子网与子网之间通信通过协调器通信，采用信道2。协调器与网关之间通信采用信道1。 这样，传输数据时找到相同信道的通信线路才能传输，而相邻信道不同，分化了同一个路由承担多路中继的任务，很大程度上减轻了单个路由的负担，解决了因同信道而竞争接入效率下降的结果，也提高了数据传输的实时性。 图4为不同信道示意图。 图4不同信道信息采集图 7 传感器的选择 本系统针对危险源中最易发生问题的各种信号进行数据采集，包括温度、湿度、一氧化碳、甲烷、烟雾等，相应的传感器选择为能够处理这些信号的硬件传感器。对于其它信号的采集，可以利用CC2430芯片内的ADC外接传感器，通过命令，将传感器数据采集并上传。 8核心处理器和协议的选择 考虑系统采集方案，需要短距离，低成本，大容量，高反应速度的采集芯片，经过比较与调研，选择由TI公司生产的CC2430芯片作为核心处理器，应用ZigBee 协议。 CC2430芯片以强大的集成开发环境作为支持，内部线路的交互式调试以遵从IDE的IAR工业标准为支持，得到嵌入式机构很高的认可。它结合Chipcon公司全球先进的ZigBee协议栈、工具包和参考设计，展示了领先的ZigBee解决方案。其产品广泛应用于汽车、工控系统和无线感应网络等领域，同时也适用于ZigBee之外2.4 GHz频率的其他设备。 8.1 CC2430芯片的主要特点 CC2430芯片延用了以往CC2420芯片的架构，在单个芯片上整合了ZigBee 射频(RF)前端、内存和微控制器。它使用1个8位MCU（8051），具有128 KB可编程闪存和8 KB的RAM，还包含模拟数字转换器(ADC)、几个定时器（Timer）、AES128协同处理器、看门狗定时器（Watchdogtimer）、32 kHz晶振的休眠模式定时器、上电复位电路(Power On Reset)、掉电检测电路(Brown out detection)，以及21个可编程I/O引脚。 CC2430芯片采用0.18 μm CMOS工艺生产，工作时的电流损耗为27 mA；在接收和发射模式下，电流损耗分别低于27 mA或25 mA。CC2430的休眠模式和转换到主动模式的超短时间的特性，特别适合那些要求电池寿命非常长的应用。 8.2 ZigBee 协议 ZigBee采用IEEE802.15.4标准，利用全球共用的公共频率2.4 GHz，应用于监视、控制网络时，其具有非常显著的低成本、低耗电、网络节点多、传输距离远等优势，目前被视为替代有线监视和控制网络领域最有前景的技术之一。 9 上位机功能设计 按照系统需求，上位机应能完成对下位机的命令发送，数据收集，并能从收集的数据中分离多种采集数据，并将数据存储于本地数据库中，实时显示必要的监控波形，实时根据数据变化情况利用数据模型，专家库组织产生决策值，即时发布联动控制命令，实时了解采集网络中各个节点的运行情况，实时监测网络的拓扑结构。 考虑以上因素，对上位机的设计选用VC++6.0 做开发平台，ACCESS 2000做数据库支持。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 1．作品设计发明目的 减少危险源事故频发现象，保护人民生命财产安全。推进对ZIGBEE领域的研究。 2.基本思路 (1)在分析、比较ZigBee无线网络技术与时下流行的其他几种无线连接技术在危险源监控方面优缺点的前提下，组建厂区危险源的结点自动化系统的无线通信网。 (2)分析危险源监控系统的功能，设计调度自动化系统和各个终端节点功能。 (3)根据监控区域无线网络覆盖以及无线终端设备无缝漫游的要求，设计各节点组网方式。分析无线网络数据流量，验证结点自动化系统ZigBee组网方式传输的可行性。 (4)根据ZigBee无线终端功能和无线网络通信要求，选择合适的处理器作为核心芯片，充分研究IEEE 802.15.4通讯协议，设计系统终端硬件电路和上、下位机的软件编程。 3.创新点 (1)基于对ZigBee技术的深入研究，提出一种新星状网络拓扑结构，实现组网覆盖，动态监控，克服原有固定检测装置简单人工操作，以及短距离传输、传输速率低的缺陷。 (2)针对常规危险源监控设备的研究，设计实现一套ZigBee传感器节点并组网，通过对其自组织、自适应及多跳路由协议算法的设计，在石化行业危险源监控系统中实现嵌入式系统的功耗、可靠及鲁棒性方面的要求。 (3)实现了节能网络模型。 4.主要技术指标 (1)30ms稳定并能自我修复. (2)支持达65536个大量网络节点 (3)普通5号电池可达半年 (4)采用AES-128加密算法 (5) 2.4GHz免费工作频段
科学性、先进性
- 随着无线通信技术、网络技术、嵌入式计算机技术以及智能传感器技术的发展, 无线传感器网络已成为近年来国内外热门研究领域。无线传感器网络由部署在监测区域内大量的微型传感器节点组成,通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统, 目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息, 并发送给观察者。传感器、感知对象和观察者构成了传感器网络的三个要素。本设计利用目前流行的ZigBee技术，实现无线监控节点传感器的数值，并改进了无线网络模型，实现了网状网数据传输。以无线数据采集和传输代替传统有线数据采集和传输，改善并提高传统有线监控的局限性，为后续子系统提供方便可靠的数据传输链路。通过对现场监测信息挖掘和智能分析，利用故障诊断和事故预警专家系统，对现场装置的监测信号进行在线安全分析，在事故发生之前进行预警，分析预测事故后果，提出预防措施和控制事故发展的手段等专家性建议，对指导工作人员生产及控制进行直接干预，保障生产安全进行，避免灾难性损失有及其重要的作用。
获奖情况及鉴定结果
- 1.甘肃省第八届挑战杯获奖 2.应用于甘肃省长征煤矿，并获得兰州市2010年度科学技术进步二等奖
作品所处阶段
- 中试阶段
技术转让方式
- 为推进生产力，通过洽谈，可转让技术。
作品可展示的形式
- 现场演示
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 危险源动态监控及管理系统是一套嵌入式软硬件产品，主要用于对厂区，企业，公司等拥有不易布线，有毒有害环境设备及信息的监控。通过无线数据采集的信息的比对，预警危险情况。对于库区，罐区，生产厂家等位置固定的危险源通过以太网方式传输采集到的所辖区域的监测站点的状态和参数，由分控台中央处理器采取相应指令，终端设备来执行。对于交通运输中的危险源，位置可变性较强的危险源，我们采取zigbee对危险源进行实施跟踪监测。危险源信息自动管理系统中各站数据接收程序放在监测中心的通讯机上, 负责连接所有监测点终端, 接收终端的数据并写人中心数据库。并对数据进行鉴别和对接收数据过程中出现的问题进行处理, 同时负责转发实时采集数据指令。软件负责对数据库中数据进行统计、分析管理, 包括危险源监测点数据、监测数据、用户单位数据管理、内部操作人员权限管理、定期备份和数据灾难恢复等。 该套系统对传统有线设备提出了挑战，大大的降低了成本，价格方面将远远便宜于这些产品，而且功能更加丰富，将会有很好的市场前景。
同类课题研究水平概述
- 目前，国内外在重大危险源监控方面，应用最多且比较成熟的是计算机监控及数据采集系统（SCADA）。20世纪70年代，BP、Shell、Exxon等一些大型石油公司开始采用SCADA系统来推进油罐区自动化。到20世纪80年代， 国外石油公司已普遍采用，在此期间DCS系统出现并在大型企业获得广泛应用。基于现场总线的FCS监控系统起步于20世纪90年代，目前逐渐成为研究与应用的主流。进入本世纪，基于工业以太网的监控系统开始在一些大型企业得到了应用。 我国重大危险源安全监控系统的发展起步较晚，而且企业间水平差异较大。20世纪80代后期，中石化等大型企业建成了基于DCS的SCADA系统；90年代中期以后，对已建的监控系统完成了系统升级；进入21世纪，基于工业以太网的监控系统在部分先进企业开始应用。整体看，我国重大危险源安全监控系统的技术水平起点低，但发展快，20世纪90年代应用系统建设逐渐成熟，国产化程度不断提高，同国外先进水平的差距正在逐渐减小，目前主要的问题在于安全监控预警功能和系统的可靠性方面有待进一步提高。 无线传感器网络的研究起步于20世纪90年代末期。从2000年起,环境监测无线传感器网络便引起社会各界的极大关注。国内关于ZigBee无线传感器网络的研究几乎与国外各大知名大学研究所同时起步，但是仅限于的理论上提出及小规模应用的实现，实际成果并不丰厚。2003年IEEE 802.15.4协议正式颁布，一些通信和控制业的大公司如美国摩托罗拉公司、菲利普公司、Eaton等己经巨额投资并开发802.15.4收发器和网络设备，University of California、Berkeley、Los Angeles和Cornell University等几所大学也瞄准这个目标开始成果颇丰的研究，并影响到了国内各公司研究所的研究进展。中科院计算机研究所WSN实验室、深圳微智系统有限公司以及中兴软件公司等都在开展无线传感器网络在相关行业应用的项目研究。 国外已有多家机构在研究ZigBee传感器网络在相关行业的应用,并已研发出相应的初级产品。在石化领域危险源监测系统中尚未看到相关报道。由于基于ZigBee技术的研究刚刚起步，所以这些国内外研究的初级成果还没有完全解决电源能量、通信质量和协同合作问题，因此，现阶段对本课题的研究是十分必要的。
