无线可燃气体检测系统设计与实现

2011年7月第18卷第4期控制工程
Contr o l Eng i n eering o f China Ju l.2011Vo.l 18,No .4
文章编号:1671 7848(2011)04 0535 04
收稿日期:2011 03 12; 收修定稿日期:2011 04 25 基金项目:国家自然科学基金项目(61074087)
作者简介:王 凯(1973 ),男,浙江宁波人,高级工程师,主要从事无线短程数据传输网络在工业现场的应用等方面的教学与科研工
作;王亚刚(1967 ),男,博士,教授;邵惠鹤(1936 ),男,教授。

无线可燃气体检测系统设计与实现
王 凯1
,王亚刚1
,邵惠鹤
2
(1.上海理工大学工业过程自动化国家工程研究中心,上海 200093;
2.上海交通大学自动化系,上海 200030)
摘 要:可燃气体检测仪器是安全生产的重要保证,但目前市场上此类仪表大多为有线仪表,相对无线仪表而言,存在安装不便、限制使用范围等缺点。

简要介绍了3个目前工业界
热门的无线通信技术 Z i gBee 、无线HART 和W I A PA 。

在此基础上简要分析后,提出使用Z i gBee 无线通信技术,设计了基于Z i gBee 无线通信技术的无线可燃气体检测系统,给出了该系统和网络节点的设计方案。

目前,该系统的原型机已经实现,能够检测可燃气体并在监视电脑上显示浓度值及相关信息。

根据实际情况,提出了对无线通信技术的一些看法。

关 键 词:Z i gBee ;无线传感器;可燃气体检测中图分类号:TP 27 文献标识码:A
Desi gn and I mp l e m entati on ofW ireless Co mbusti ble Gas Detecti on Syste m
WANG K ai 1
,WANG Ya gang 1
,S HAO H ui he
2
(1.Un i versity of Shanghai f or Science and T echnology ,Shanghai 200093,Ch i na ; 2.Shangh ai J i ao Tong Un i versity ,Shangha i200030,C hina)
Abstrac t :Combusti b l e gas de tector i s i m portant fo r safety in produc ti on .Butm ost of t hese i nstruments is w i red .Co m pared w ith w ire less i nstru m ent ,it is not easy to be m ounted ,and li m ited to be used .Based on introduc i ng and ana l y zi ng t he industr i a lw ire l ess techno l
ogy s uch as Z i gBee ,HART 7andW I A PA,th i s t hesis des i gns a w i re l ess co m busti b le gas detecti on syste m based on Z igBee .N o w,t h is syste m can m easure and display the i nfor m a tion o f combusti b l e gas .A cco rd i ng to the charac teristic of chem i ca l plant and app licati on of w ire less techno l ogy ,th i s thesi s br i ngs up so m e v i ewpo i nt about w i re l ess techno l y .K ey word s :Z i gBee ;w ire less senso r ;
combusti b l e gas detec ti on
1 概 述
甲烷、一氧化碳、硫化氢等可燃、易爆气体是造成煤炭、石油天然气的勘探开采和化工等生产领
域中重大安全事故的来源之一[1]。

因此,这些行业对此类可燃气体的检测是安全生产中的一个非常重要的环节。

而我国经济处于高速增长期,国家对安全及环保也越来越重视,相关政策和法规陆续出台,极大地刺激了可燃气体检测仪器仪表行业市场容量的迅速扩大。

然而,在现有的可燃气体泄漏检测仪器仪表中,绝大部分是常规有线仪表,只有少数采用无线技术。

有线仪表由于安装使用时必须需要考虑信号电缆的铺设,这就限制了可燃气体泄漏检测器的使用范围,在一些难于铺设电缆的地点或铺设电缆成本太高的场合,就无法安装固定式可燃气体检测器,只能通过人工使用便携式可燃气体检测器进行定时巡检的方式进行检测,这就无法及时发现泄漏点,提高了事故发生的概率。

而采用无线式的可燃
气体检测器就避免了以上弊端,提高了安全性。

但是目前采用无线技术的可燃气体检测器要么使用点对点的通信方式,要么使用自行编写的网络协议,势必带来稳定性和兼容性的问题,且现有无线可燃气体检测器没有形成网络概念,仍为沿袭传统仪表概念,未能充分利用无线网络优势,发挥无线通信技术的优势。

因此未见无线式可燃气体检测器在工业界规模使用。

本文设计的无线可燃气体检测系统则充分利用标准的、开发的、适用于工业现场的无线技术,适合工业用户规模使用。

1)工业无线技术简介 自从2005年Z i g Bee 联盟推出Zi g B ee 技术,并在工业界得到使用以来,工业界对无线通信技术越来越重视,不断有研究机构和公司对工业无线技术进行研究。

迄今为止,有正式规范文本和相应产品公布、影响巨大的有Zig Bee 技术、无线HART(HART 第七版规范)和W I A PA 标准。

以下做简要介绍:
ZigBee 技术 ZigBee 技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通
信技术,可以使用频段有868MH z 、915MH z 和2 4GH z ,可以嵌入各种设备中,同时支持地理定位功能。

ZigBee 技术具有省电、可靠、低成本、时延短、安全等优点。

Zi g B ee 技术模型如图1
所示。

字母C 表示网络协调器(PAN Coord i nator),R 表示路由节点(Router),
E 表示Z i gBee 终端设备(End D ev ice)。

图1 Z ig B ee 技术网络拓扑
Fig 1T he topology models of z i gb ee n et work
网络协调器负责本Z i g Bee 网络中设备的加入和断开。

一个ZigBee 网络中必须有一个网络协调器,也只能有一个。

路由节点具有路由功能,可以转发信息包。

无线HART 无线HART 是一种专门为过程自动化应用设计的无线网格型网络通信协议[2]。

无线HART 网络采用网格型结构,网络内的任一设备都能收发和转发信息包。

一个无线HART 网络由无线HART 网络管理器、无线HART 网关、无线HART 现场设备以及无线HART 适配器构成。

其中网络管理器负责整个网络的构建、管理和维护,网关负责现场设备与其他系统/设备间的通信。

无线HART 具有以下优点:[3]
简单易学、使用方便;成本低,可利用已安装的仪表;低风险,经实际证实支持多种仪表种类;可连续地提供有价值的设备状态机诊断信息;开放的、真正的向前兼容的现场总线协议,并与已安装的设备兼容。

由于无线HART 有着上述优点,且目前应用的智能仪表中有75%采用HART 通讯技术,因此工业界普遍看好无线HART 的应用前景。

W I A PA 标准 W I A PA 标准是具有我国自主知识产权的用于工业现场的无线标准。

W I A P A 协议也是基于I E EE802 15 4的物理层和MAC 层,包含数据链路层、网络层和应用层。

W I A P A 无线网络由网络管理者、安全管理者、主控计算机、网关、簇首、W I A P A 现场设备等构成。

W I A PA 技术最大的特点是采用两层结构,网络管理者、安全管理者、主控计算机、网关和簇首构成上层的网状结构,由网络管理者负责上层网络的构建、管理和维护。

簇首和W I A P A 现场设备构成下层的星型结构,由簇首负责下层网络的构建、管理和维护。

这样的设计保证簇成员不必选择传输路径,仅一跳即
可将测量信息传送给簇首,克服了网状拓扑传送延
迟的不确定性;又能利用网状结构的节点部署的灵活性和多路径抗于扰的能力,平衡了工业自动化要
求无线传输确定性和可靠性的矛盾[4]。

此外,W I A PA 采用TDMA (时分多址)、FD MA (频分多路存取)和CS MA (载波侦听多路存取)三种多路存取机制,和三种跳频机制(自适应频率切换、自适应跳频和时隙跳频),确保了无线网络的可靠性。

且在国内已有成功应用先例,因此也是有着良好应用前景的工业无线技术。

2 无线可燃气体检测系统
1)设计总体方案 虽然工业界普遍看好无线HART 协议,目前应用的智能仪表有75%采用了HART 通讯技术,有超过3千万的设备使用了HART 通讯协议,世界各地越来越多的工厂选择优先采用HART 产品。

在安装的总量,范围和使用的有效性上,还没有其他协议能够接近HART 。

使得HART 协议占有先天性的优势地位,但由于目前尚无商用版本的HART7开发套件,也无商用版本的HART7协议栈可用,若自行开发基于HART7的无线网络,则开发时间和成本太高。

W I A P A 协议成为国际标准以来,国内虽有试点应用,但没有Zig Bee 技术应用广泛,不如ZigBee 技术的相关资源丰富。

ZigBee 技术从2005年正式公布,至今近6年,相关资源丰富,为了降低开发成本,节约开发时间,本系统采用ZigBee 无线技术。

系统结构图,如图2所示。

图2 基于Z igBee 技术的无线可燃气体检测系统Fig 2T he w i re less co mbu stib l e gas detection syste m
based on z i gbee
整个系统由网关、路由器、无线可燃气体检测器及上位机人机界面软件构成。

网关、路由器和无线可燃气体检测器构成一个Z i g Bee 无线网络。

网关与上位机之间使用RS232串口电缆连接。

无线可燃气体检测器安装在生产现场,定时进行可燃气体检测,并将气体浓度值发送至网关或由路由器转发给网关。

网关接收到数据后,转换成MODBUS 格式供上位机人机界面软件读取,人机界面将显示可
536 控 制 工 程 第18卷
燃气体监测情况。

2)射频芯片与单片机的选择及简介 由于本系统的无线网络采用ZigBee技术,因此系统节点所采用的射频芯片也必须支持Z i g Bee技术的芯片。

市场上即有单独的RF(射频)芯片,也有集成了RF
和MC U(单片机)的片上系统(SoC)。

考虑到无线可燃气体检测系统各种类型节点的计算工作量不大,为了降低成本,加快开发速度,选择片上系统。

市场上支持Z i g Bee技术的片上系统有T I公司的CC2430、CC25xx系列,Freescale公司的M C1323x系列,Ember的E M250Soc、E M300系列等等。

考虑到CC2430是第一款集成了CC2420RF 收发功能和8051内核的SoC芯片,面世近5年,已修正了不少错误,技术成熟,市场占有率较大,很多基于Z i g Bee技术的应用都采用CC2430芯片,因此本系统Z i g Bee网络节点采用CC2430芯片。

CC2430芯片外形尺寸只有7*7mm,但已整合了符合I EEE802 15 4标准的2 4GH z的无线收发模块、工业级加强版8051内核、8KB的RAM、FLASH存储器,还包括14位的模数转换器(ADC)、定时器、AES128安全协处理器、看门狗定时器、休眠模式定时器、上电复位电路、掉电检测电路和21个可编程I/O管脚,非常适合要求低功耗低成本的开发项目选用。

CC2430芯片的主要特点有:优秀的接收灵敏度和的抗干扰性;强大的D MA功能;仅需少量的外围器件就可工作;低电流供电(RX:27mA,TX:25mA,MC U运行于32MH z),在休眠模式时仅0 9 A的流耗,外部的中断或RTC能唤醒系统;在待机模式时少于0 6 A的流耗,外部的中断能唤醒系统;硬件支持CSMA/CA 功能;较宽的电压范围(2 0~3 6V);数字化的RSS I/LQ I支持和强大的DMA功能;具有电池监测和温度感测功能。

3)系统构成 无线可燃气体检测系统由网关、路由器、无线可燃气体检测器和上位机人机界面构成。

网关 网关是无线可燃气体检测系统的核心部分,又是其主要完成的功能有:承担无线可燃气体检测系统的Zi g B ee网络的网络协调器,负责系统的Z i g Bee网络组建、生成网络路由表、Z i g Bee网络内节点地址的分配、网络管理协调和维护;数据格式转换,即把无线可燃气体检测器由路由器传来的数据(ZigBee格式)转换为MODB US协议的格式,供上位计算机人机界面软件读取。

CC2430通过串口电路与RS232串口电缆连接至装有监控软件的计算机,实现PC与网关间的数据交换。

电源电路为网关供电,外界提供5V~9V 的直流电压,通过电源电路降压至3 3V为
CC2430供电,外界电源既可以是电池,也可以是输入220V AC电源适配器,简化了内部电路设计。

晶振电路为CC2430提供所需的晶振信号。

指示LED可以直观的显示出网关状态,便于操作员及时了解网关状态。

网关的结构功能图,如图3所示。

图3 网关结构功能图
F ig 3Th e func ti onal structu re of th e gate way
网关自身初始化完成,建立网络后,路由器和无线可燃气体检测器加入网络。

每个无线可燃气体检测器都有一个惟一的标号,根据此标号,网关将无线可燃气体检测器的数据包解包后存储在指定的内存空间。

上位机监控软件运行期间,定时通过RS232串口电缆将M odbus命令包发至网关,网关收到命令包后就执行相应命令,例如读取指定可燃气体检测器的检测值。

由于DCS、PLC等工厂所用的控制系统通常配有RS232或RS485通讯口,能与M odbus设备进行通信,因此网关的串口输出采用M odbus协议,便于其他系统读取数据。

路由器 路由器主要完成网络路由功能,将由无线可燃气体检测器采集来的数据接力传输发送给网关。

采用和网关一样的硬件设计。

无线可燃气体检测器 无线可燃气体检测器周期性检测可燃气体浓度,将浓度数据送至网关。

一旦浓度超过报警值后,无线检测器将通过LED显示报警。

LED还可以指示电量低、不在无线网络,以便现场人员及时处理故障。

无线可燃气体检测器的结构功能图,如图4所示。

图4 无线可燃气体检测器结构功能图Fig 4T he fun ctional structu re of the w ireless co mbu sti
b l e gas d ete
c tor
537
第4期 王 凯等:无线可燃气体检测系统设计与实现
由于委托开发的用户要求无线可燃气体检测器的体积小,因此将电路板分成传感器相关电路和CC2430相关电路。

由于可燃气体传感器需要定期检定,且一旦发生可燃气体泄漏,传感器被污染则必须更换传感器,因此电路分开设计后,便于更换传感器。

为了减少无线可燃气体检测器的体积,采用气敏半导体式传感器。

CC2430自带8~14位的ADC ,使用13位ADC 时,精度满足现场需求,因此没有使用额外的ADC 芯片。

传感器测得可燃气体浓度后,经信号放大电路后,将信号放大送至CC2430,由CC2430进行AD 转换,转换后的数据进行滤波处理,处理后的数据发送给网关。

采集可燃气体浓度的程序流程图,如图5
所示。

图5 采集可燃气体浓度程序流程图
Fig 5Th e b lock d i agra m of coll ec ti ng co mbustible gas
concen tration
上位机监控界面 上位机监控界面通过网关读取无线可燃气体检测器的浓度数据和电池电量等状态信息,并在画面上显示。

一旦可燃气体浓度超限,则产生报警信息,并能出现被测设备的档案信息,提示操作人员进行处理。

监控界面的开发,既可以采用C++等编程软件开发,也可以采用I ntouch 、组态王等人机界面软件开发。

考虑日后监控界面扩展的便利性和开发的工作量,选择使用组态王进行上位机监控界面的开发。

组态王6 5是运行于M icroso ftW i n do w s 中文平台的中文界面的人机界面软件,采用了多线程、COM +组件等新技术,实现了实时多任务,软件运行稳定可靠,在国内工业自动化领域人机界面软件市场有着不低的市场占有率。

无线可燃气体检测系统的原型系统中的监控界面包括无线可燃气体检测系统状态画面、浓度历史记录画面、报警记录画面、设备档案信息编辑画面和若干设备档案信息窗口。

3 结 语
根据现场的情况,化工厂的生产区的设备往往是区域分布,具有区域集中的特点。

从网络拓扑结构的角度而言,W I A -P A 的二层结构方式可能更适合这种区域化的特点,一个区域安装一个簇首,传感器节点向簇首发送数据,簇首汇聚后发送给网关,网络拓扑的维护更快速和灵活。

此次由于开发资源和委托时间的限制,选择了ZigBee 无线通信技术。

相信随着日后W I A -PA 无线技术日益成熟,W I A -PA 无线技术的应用日益增多,相关资源也会日益丰富。

同时,随着无线通信技术在工业现场的应用日益广泛,工业界对无线通信技术的接受程度也会随之提高。

参考文献(References):
[1] 李祖斌,姜建伟,文峰.可燃易爆有害气体报警器自动检定装
置的研制[J ].中国测试技术,2008(4):84 87.(LI Zu b i n ,JI ANG J i an w e,i W EN Feng .Devel op m en t of au to m atic ver i fi ca ti on i ns tru m en t for fl amm ab l e and exp l osive gas detecti on al ar m [J].CH I NA M easure m ent&T esti ng Techn ol ogy ,2008(4):84 87.)
[2] 刘扬,曾鹏,马连博.无线HART 协议的研究与实现[J].微
计算机信息,2010,26(3):57 58,66.(LI U Yang ,ZENG Peng ,M a L i an Bo .S t udy of realizi ng technol ogy on w ireless HART p rot o col [J].Con trol&Auto m ation ,2010,26(3):57 58,66.)[3] HCF 中国.无线HART (W ireless HARTT M )的应用[J].中国仪
器仪表,2009(4):40 43.(HCF C h i na ,Th eApp lication ofW i re less HARTT M [J].C h i na In strum entati on ,2009(4):40 43.)[4] 彭瑜.工业无线标准W I A PA 的特点分析和应用展望[J].自
动化仪表,2010,31(1):1 4,9.(PENG Yu .Anal ysis on Fea t u res of I ndu stri alW ireless Standard W I A PA and t h e App licati on i n Pros p ect[J ].Proces s Au t o m ati on I n strum entation ,2010,31(1):1 4,9.)[5] T exas Instrum en ts .CC2430Data Sheet [DB /OL ].h tt p://www.
t.i co m.2007.T I 公司,CC2430资料手册[DB /OL ].h ttp ://www.t.i co m.2007.
[6] 禹春生,王朝晖,焦斌亮.具有无线收发功能的可燃气体检测
装置[J].传感器与微系统,2010(6):118 119,127.(YU Chun s heng ,WANG Zhao hu ,i JI AO B i n li ang .C o mbu sti b le gas detec t or w it h w i rel ess transcei ver [J ].T ransducer and M i cros yste m T echnology ,2010(6):118 119,127.)
[7] 陈雪,杨萌.可燃气体报警器系统设计[J].当代化工,2009,
38(2):148 150.(CHEN Xue ,YANG M eng .Des i gn of t h e co m busti b l e gas alar m s yste m [J].C on t e m porary Che m ical Industry ,2009,38(2):148 150.)(上接第523页)参考文献(R eferenes):
[1] Zhao H W,B il C.Aerodyn a m ic Des i gn and Analys i s of a VTOL
Duct ed Fan UAV,26t h A I AA Appli ed A erodyna m i cs Conference ,18 21August 2008,H onol u l u,H a w ai.i [2] Choi S W,K i m Y S.Design and Tes t of Sm all S cale Ducted Prop
Aeri alV eh i cleA I AA 2009,1439.[3] K at hryn B H i bert ,Ger h ard Bouw er .The D es i gn of a M odel f ollo w
ing con trol s yste m for h eli copters[R].AI AA 84 1941:601 602.[4] 杨一栋,袁锁中.直升机显模型跟踪解耦控制研究[J].上海交
通大学学报,1996(3 4):1 4.(Yang yi dong ,Yuan suozhong , D es i gn of a model follo w i ng con trol syste m for heli copter Tec hno legy of helicop t er 1997,1:27 32.)
[5] 美国航空设计标准ADS 33C,军用旋翼飞行器驾驶品质要求
[S].1989,8.(A ir ForceA eronau ticalDesi gn S tandards ,U.S.A,ADS 33C ,D ri vi ng Quali ty Requ ire m en ts for M ili tary Rotor A ir craft .1989,8.)
[6] 郑峰婴,杨一栋.控制阵解耦的直升机显模型跟踪飞控系统设
计[J ].海军航空工程学院学报,2007(1):119 124.(Zheng fengy i ng ,Yang y i dong , F li gh t control syste m desi gn of expli cit m odel foll ow ing for helicop ter based on con trol d i stribu tion m atri x d ecoup le .J ou rnal of naval aeron auti cal eng i neeri ng i nstit u t e ,2007,1(22):119 124.)
538 控 制 工 程 第18卷。