基于ZigBee无线传感器网络的工业废气监控系统

发布者:心灵之窗最新更新时间:2020-03-15 来源: eefocus关键字:ZigBee  无线传感器网络  工业废气  监控系统 手机看文章 扫描二维码
随时随地手机看文章

  摘要: 结合ZigBee无线短距离通信技术,提出一种应用于工业废气监控的无线传感器网络系统架构。该方案网络节点硬件电路以ATmega128L 为控制器、CC2430为射频收发器,详细规划了网络中节点硬件设计与软件设计,并对网络中数据安全通信进行了充分考虑。该系统利用遗传聚类思想实现监测节点能量均衡消耗,具有低成本、低功耗、易扩展、安全性高等特点,能实时监测工业环境空气中废气含量,可广泛应用于工业生产领域中工业废气监控。


  0 引言

  大气污染物可分为天然污染物和人为污染物2种,而引起公害的往往是人为污染物,于燃料燃烧和大规模的工矿企业的气态污染物是大气污染的重要之一。随着我国工业化和城市化进程的不断发展,我国空气污染的情况已相当严重,是全球三大酸雨区之一。为促成可持续的低碳经济发展模式形成,对大气环境的监测与治理是一件刻不容缓的任务。但是,传统的有线监测网络只能沿着固定的线路传输数据,传输介质的架设不可避免地具有破坏建筑,存在检修困难、扩展困难、安装维护费用高的弊端;同时不能在某些恶劣环境( 不易布线场所、人不宜到达的地方、临时性场所、突发事故现场) 实现快速部署检测系统,监控方式不及时。为此,本文结合ZigBee 无线短距离通信技术的发展,设计一种应用于工业废气的无线组网监测方案,对工业排放废气进行安全、灵活、有效的实时监控,加快我国环境管理基础能力和提高环境监测能力及环境监督执法现代化水平具有重要意义。


  1 ZigBee无线监测系统总体设计方案

  基于ZigBee无线传感器网络的工业废气监测网络由现场监测节点、中继站(簇首节点和ZigBee协调器) 和监控中心三级构成,该网络可以覆盖整个工厂的所有监控环节,构成一个严密的、全方位、立体式监控体系。为提高网络的可扩展性和降低网络管理复杂度,本系统采用分簇的结构设计思想,将网络划分为若干个簇,每个簇由一个簇首节点和若干个普通节点组成,沿工厂中各监控环节部署普通监测节点,簇首节点负责管理和维护一定范围内的普通监测节点,其系统总体结构如图1所示。系统中各监测节点采集各种污染参数,每个簇选举一个簇首节点,用于接收本簇内所有节点送来的数据,实现数据融合功能,并发送到ZigBee 协调器。同时,簇首节点也可以接收ZigBee 协调器的控制命令,并发送给本簇内的所有监测节点。各簇首节点可通过ZigBee协调器定时向监测中心发送信息,平时也可将其设置为休眠状态,在收到监测中心的上报数据指令后才开始启动数据采集工作,将信息发送给监测中心,各簇首节点有数据采集,指令解析与识别,数据发送等功能。


  ZigBee协调器负责监测网络的建立、管理和维护,如为新加入的设备分配网络地址,节点的加入和离开等,并且将采集的数据上传给监控中心或者将监控中心的命令在网络中发送到ZigBee网络中的簇首节点。系统监测中心对各ZigBee协调器进行控制指挥,监测中心既是各ZigBee 协调器的指挥中心,又是监测数据的收集、处理和存储的数据中心。

图1 工业废气ZigBee无线监控网络结构图

图1 工业废气ZigBee无线监控网络结构图


  2 节点硬件设计

  无线传感器终端节点由数据采集模块、各种信号调理电路、数据处理模块、无线通信模块电源管理模块组成。


  节点硬件结构框图如图2所示。数据采集模块主要由各种气体传感器、湿度传感器与温度传感器构成,各传感器单元对工厂监测环境内各种有机废气和无机废气浓度进行采集,然后根据气体其排风量、温度、浓度及本身化学物理性质不同将气体浓度的物理量转换为相应电信号。信号调理单元电路将采集到的信号进行调理后送至数据处理模块。


  数据处理模块的微处理器采用ATmel公司的ATmega128L微控制器,它是一种低功耗、高度集成的微处理芯片,具有片内128 kB 的程序存储器( Flash )、4 kB 的数据存储器(SRAM )和4kB 的EEPROM, 有8个10位ADC 通道、2个8位和2个16位硬件定时/计数器、8个PWM 通道,具有可编程看门狗定时器和片上振荡器,片上模拟比较器,JTAG,UART, SPI, I2C总线等接口。ATm ega128L可在正常操作模式和6种不同等级的低能耗操作模式下工作,适合于低能耗的应用场合。本监控系统设计中ATm ega128L 采用7. 3728MH z晶振作为ATm ega128L 的工作时钟,以32.768 kHz晶振作为实时时钟源。

图2 无线监测节点结构图

图2 无线监测节点结构图


  无线通信模块完成与协调器节点的交互工作,负责监测数据收发和交换控制消息。无线传感器终端节点以用德州仪器的CC2430无线模块为核心,它是一种符合IEEE802. 15. 4标准的Zig B ee片上系统CMOS解决方案,其内部有2. 4GH z的RF 无线电收发机、内存和微控制器。它使用一个高性能和低功耗的8位MCU(8051),具有128 kB的可编程闪存和8 kB的RAM, 同时包含有ADC、定时器、AES?? 128协同处理器、看门狗定时器、掉电检测电路等。


  微处理器全速工作时( 32MH z),在接收和发射模式下,电流损耗约为27mA.CC2430 在休眠模式时仅0. 5uA 的流耗,外部的中断或RTC 能唤醒系统; 在待机模式时少于0. 3 uA的流耗,外部的中断能唤醒系统。另外,由于CC2430有FLASH 存储模块,具有一定的数据存储能力,因而可以减少射频的工作次数,进而降低功耗。


  工业废气监控应用往往需要长时间地进行,这就需要传感器节点具有足够的能量。为此在选择节点芯片时均使用低功耗、低电压工作的芯片。系统采用普通电池或可充电锂离子电池工作,电源管理芯片采用AD 公司的ADP3338-3.3, SOT-223封装。协调器由于一直处于收发状态,采用外部电源供电。


  为节省能量,终端监测节点大部分时间处于休眠状态,此时功耗小于1 ??A.当监测节点没有传感任务且不需要发送数据时,关闭节点通信模块和数据采集模块以节省能量。


  协调器收到数据包后,将原路返回发送确认信息至终端监测节点,与监测节点实现握手通信,如果监测节点并未收到确认消息,则继续发送数据,直到其收到确认消息。另外,考虑到在同一传感器网络,不同节点对能量的需求与消耗有所不同,从而使得有些节点能量消耗较快,成为整个网络的能量瓶颈。为均衡各节点能量消耗,本系统采用分簇网络进行数据采集与传输, 首先依据传感网节点分布密度确定最优分簇个数,并对传感器网络进行K均值聚类; 然后结合节点剩余能量,利用遗传算法的全局寻优能力为各个分簇选择合适的簇首节点。于是,簇内各监测节点将采集的数据发送给其对应的簇首节点。簇首将接收的数据经融合处理后经过单跳路由传输至ZigBee协调器,以完成数据传送。


  3 Z ig Bee无线传感器节点软件设计

  工业废气监控系统软件使用模块化程序设计,主要由终端监测节点和ZigBee 协调器节点组成。工业废气监测终端节点主要负责将传感器组采集的数据传递给簇首节点,簇首节点再发送至协调器,最后经路由器转发至监控中心服务器; 同时,它也可以接收协调器发来的命令: 如打开或关闭传感器、调整采集时间、阈值设定等。每5 s轮询一次,每50 s采集并发送一次数据,其余时间则处于休眠状态,这样可以降低功耗,延长电池使用寿命。协调器的主要工作是接收子节点发来的数据,将数据上传至监控主机,转发监控中心发来命令等。系统终端监测节点流程图与协调器节点程序流程图分别如图3、图4所示。

图3 监测节点程序流程图

图3 监测节点程序流程图

图4 Z ig Bee协调器程序流程图

图4 Z ig Bee协调器程序流程图


  无线监测系统开始工作后,终端监测节点先进行软件和硬件的初始化,然后查找是否有可加入的网络。它加入网络时,监测节点加入网络后,如果没有监测任务,则先进入休眠状态; 若遇监测任务或休眠周期结束,则产生中断,激活节点使其进入工作模式,然后监测节点开始采集、发送数据至网内簇首节点。ZigBee协调器收到终端节点的加入网络的请求时,协调器会给该节点分配网络地址。然后接收由各簇首节点发来的监测数据,并经路由器上传至监控中心服务器上,以进行数据存储与分析。同时,也可以向下转发命令。


  系统设计中将网络中的所有节点分为若干个自组织的簇。考虑到ZigBee 传输范围一般介于10~ 75m 之间,因此,设计时要相邻簇节点之间的距离在75 m 以内以便于数据传输。各簇内簇首节点用于接收本簇内所有节点送来的数据,进行数据融合,并发送到Z ig Bee协调器。同时,也负责接收ZigBee 协调器的控制命令,并转发至本簇内的各终端监测节点。系统采用遗传聚类算法对ZigBee网络进行划分,以均衡各个节点能耗,延长网络寿命。


  4 监测系统安全性考虑

  Z ig Bee 无线传感器网络的安全性直接影响到系统的可靠度,它主要包括2 个方面: 一是防止非法节点的加入,另一个是防止数据非法窃取。本系统设计中可先根据用户密钥与数据采集时间生成发送节点标识信息( 水印) , 然后将其嵌入到发送数据中,接收节点只有检测到水印信息存在才对数据进行存储与分析,从而可有效防止非法节点的加入,并识别虚假数据,提高检测精度。另外结合秘密共享与无损认证水印技术,通过将各分簇内终端节点的协作分成,将关联于各终端节点数据的水印信息,嵌入到各终端节点分存数据中,接收节点根据接收到的数据提取协作水印,并计算各关联数据之间的哈希值,通过水印信息与该哈希值的一致性来验证数据真实性与完整性。


  5 仿真实验与性能测试

  本文利用NS2 进行仿真实验,实验中建立了一个200m*200m 大小的实验场景,场景内随机分布100个节点,各监测节点每5 s轮询一次,每50 s采样一次数据,并向簇首节点传送数据。实验数据包长为40个字节,且在本地节点记录发送时间。根据大气污染综合排放标准,给定足够的精度( 如表1所示),该系统能实时给出相应告警信息。


  为测试系统稳定性与网络寿命,对实验过程中系统所收集到的数据进行了统计,图5 给出了每天无线监测系统成功收集的数据量情况,从统计数据看,系统可较快进入稳定状态,具有较低的丢包率,系统生命周期可长达134 d, 网络生存时间内共收到有效数据包约12万条,完全可满足实际应用要求。

表1 终端监测节点测量精度

表1 终端监测节点测量精度

图5 Z ig Bee无线监测系统采集数据量统计

图5 Z ig Bee无线监测系统采集数据量统计


  为实现对监测区域长时间的有效监控,系统中所部署的传感器网络节点应有足够的存活时间。实验中测试了提出ZigBee无线监测方案的节点存活性能,测试结果如图6所示。从图6可以看出: 在120 d后才有节点消亡,监测系统运行180 d后,全部节点才耗尽能量。当然全系统中消亡节点达到一定数量时就不能有效完成数据监测与传输任务,若设定节点存活率不足80%时监测无法正常工作,该系统有效生存时间为134 d, 可满足监测应用环境对长时间有效监测的需求。

图6 系统节点存活率

图6 系统节点存活率


  6 结束语

  针对在工业废气远程监控系统中,存在须无人值守的设备或监测点,及一些不适合用有线通信的应用环境,本文结合ZigBee无线通信技术,提出一种无线传感器网络系统设计方案。该方案给出了详细的传感器节点硬件设计与软件设计,结合数字水印与秘密共享思想,为ZigBee 传感器网络数据安全通信提供了一种有效解决方案。该系统结构简单、测量精度高、功耗低、成本低、实时性好、安全性高,可广泛用于电力、天然气、煤炭、石油、化工、钢铁、纺织、医药卫生等行业的工业污染源监测。


参考文献:

[1]. ATmega128L  datasheet http://www.dzsc.com/datasheet/ATmega128L+_144616.html.
[2]. CC2430 datasheet http://www.dzsc.com/datasheet/CC2430_1055132.html.

关键字:ZigBee  无线传感器网络  工业废气  监控系统 引用地址:基于ZigBee无线传感器网络的工业废气监控系统

上一篇:两足仿人机器人的设计与实现
下一篇:四轴飞行器无刷直流电机驱动控制设计的实现

推荐阅读最新更新时间:2024-11-08 09:44

视频监控系统软件现状与技术分析
一、概述 众所周知,视频监控系统的发展大致经历了三个阶段。 在2000年以前,主要是以模拟设备为主,含摄像机和磁带录像机的全模拟电视监控系统,称为第一代模拟监控系统;这一阶段监控系统中基本不使用视频监控软件。 2000年以后到现在,随着计算机处理能力的提高和视频技术的发展,人们利用计算机的高速数据处理能力进行视频的采集和压缩处理,利用显示器的高分辨率实现图像的多画面显示,从而大大提高了图像质量,由于传输依旧采用传统的模拟视频电缆,所以就叫着第二代半模拟半数字本地视频监控系统;这一阶段使用的监控软件基本上都为PC单机DVR软件。 从2004年开始,随着网络带宽的提高和成本的降低、硬盘容量的加大和中心存储成本的降低
[工业控制]
zigbee在仓库、仓储、物流智能定位信息系统中应用
  一、概述   在现有仓库管理中引入Zigbee技术,对仓库到货检验、入库、出库、调拨、移库移位、库存盘点等各个作业环节的数据进行自动化的无线数据采集,无线数据更新。保证仓库管理各个环节数据输入的速度和准确性,确保企业及时准确地掌握库存的真实数据,合理保持和控制企业库存。通过科学的编码,还可方便地对物品的批次、保质期等进行管理。利用系统的库位管理功能,更可以及时掌握所有库存物资当前所在位置,有利于提高仓库管理的工作效率。   利用本系统建立的无线传输网络,可根据仓库需要接入温度、湿度、安防等仓库信息智能设备。将各种系统完全整合在一个网络中,一次投资多重应用,避免重复投资。   二、应用介绍   1、仓库应用Zigbee系
[安防电子]
无线传感器网络路由协议研究
0 引言     传感器网络通常由覆盖一个地区的若干传感器节点组成。每个传感器节点独立进行数据收集及处理,并将得到的数据通过无线连接传送到网关节点,再由网关节点向互联网发送。对于传感器网络,路由协议设计是很具挑战性的。首先,节点没有全球唯一的标识符,传统的互联网路由协议无法应用在传感器网络中;第二,传感器网络中的所有节点都是源节点,向唯一的目的节点Sink发送数据;第三,由于在被测对象内部或附近部署了大量的节点,它们采集到的数据是相同或相近的。这就需要路由协议具有数据融合力,以节约电能,提高带宽利用率;第四,节点具备处理能力。节点的电能存储能力是很有限的,需要强大的资源管理和任务调度能力。因此,传感器网络的路由协议是与传统网络截然不
[嵌入式]
恩智浦:JenNet方案比Zigbee更适合私有网
日前,在广洲LED展上,恩智浦带来了以JenNet-IP协议搭载的无线局域网。恩智浦相关人士表示,与ZigBee相比,JenNet-IP可以随意组建私有网络而不需要授权,一方面缩短了认证时间及步骤,另外则是节约了授权认证费。 目前,恩智浦智能照明APP已经放在了APP Store上,可随时下载,无论是开发者还是用户都可以分别针对指定灯进行开关或调光控制。 此外,恩智浦还展示了DALI、DMX和KNX的有线照明和控制网络,该控制器是业界首款基于Cortex-M0的LPC1114。 同时,虽然是LED展,但恩智浦同时展出了可调光和不可调光的CFL照明驱动器解决方案以及带有驱动及智能数字控制功能的LED驱动
[电源管理]
恩智浦:JenNet方案比<font color='red'>Zigbee</font>更适合私有网
一种CAN总线的电气火灾监控系统设计与应用
  1引言   国家标准《建筑电气火灾预防要求和检测方法》有关条文中明确要求“应在电源进线端设置自动切断电源或报警的剩余电流动作保护器”。在《剩余电流动作保护装置安装和运行》有关条文中也同样明确要求“必须安装剩余电流保护装置的设备和场所”。其中就末端保护和线路保护做出了具体规则,另外,在4.6条款里,同样明确在某些场所“应安装报警式剩余电流保护装置”的具体规定。这些都是强制性的规定。   在国家标准《高层民用建筑设计防火规范》和《建筑设计防火规范》里,对是否安装电气火灾监控系统是以“宜”安装来表示的。所谓“宜”安装,按着规范里用词说明指出:表示允许也稍有选择。也就是说可以安装,也可以不安装。   在各类建筑及其它领域中广泛应
[嵌入式]
手机视频监控系统幼儿园应用方案
随着社会的高速发展,知识时代的来临,教育成为个人、甚至社会的重点关注话题之一,启蒙教育更成为了各界关注的焦点。   现代人的生活节奏随着经济的发展在不断地加速,繁忙工作的需要,让人分身乏术,甚至于一些家长不得不将很小的孩子交给幼儿园代为看管。   对于家长来说,将孩子交由幼儿园管理,必定会慎重选择。面对众多可供选择的幼儿园,家长会将各方面进行对比。教学条件,师资力量固然是各个幼儿园的竞争重点;但是环境、安全等也是不可忽视的方面。   采用久益视界远程 监控 系统作为教学管理辅助,家长在家、在办公室甚至出差在外都可随时随地观看孩子在幼儿园的情况,不仅能让家长放心地把孩子交给学校,更可让家长看到学校的管理实力。   
[安防电子]
手机视频<font color='red'>监控系统</font>幼儿园应用方案
嵌入式智能家居监控系统的设计与实现
1 引言 随着家庭网络研究的兴起,如何设计一种集家电管理、协议转换和家庭网络监控为一体的家庭网关,实现家用电器的网络化、智能化和远程控制,已成为当前研究的热点。 本文以CGI原理为基础,以嵌入式数据库为后台,用软件编程的方法实现用户、Web服务器以及网关应用程序之间的动态交互,提出了-一种新的基于SIP协议和嵌入式数据库实现家居远程监测和控制的解决方案。 2 总体方案 本系统包括信息家电、智能家庭网关和远程监控端三个主要模块。信息家电被作为SIP的智能终端接入家庭网关,以SIP消息形式向后者发送网络标识申请帧和设备描述文件,完成注册;家庭网关基于SIP网络服务器和Web服务器,一方面实现对信息家电的认证和
[单片机]
嵌入式智能家居<font color='red'>监控系统</font>的设计与实现
基于PLC的自来水远程监控系统
一、引言 城市建设的迅速发展对供水质量的要求也越来越高。供水系统实现运行、控制和管理综合自动化已势在必行。近年来由于我市地表水源日趋紧张,且受到不同程度的污染,严重影响城市的经济发展和市民的生活。于是我设计新建一座利用河水的侧渗补给开发地下水源的洗煤厂。 在水源地内,多眼井星罗棋布在水库上。为了确保供水生产的安全、可靠、连续。针对水厂制水过程的特点和控制系统的功能要求,我们采用基于西门子PLC的恒压力供水系统。 二、编程控制器概述 PLC即可编程控制器,是一种以计算机技术为基础的新型工业控制装置。国际电工委员会(IEC)对PLC曾作了如下定义:“PLC是一种数字运算操作的电子系统,专为在工业环境下应用而设计。它采用
[嵌入式]
小广播
设计资源 培训 开发板 精华推荐

最新单片机文章
何立民专栏 单片机及嵌入式宝典

北京航空航天大学教授,20余年来致力于单片机与嵌入式系统推广工作。

换一换 更多 相关热搜器件

 
EEWorld订阅号

 
EEWorld服务号

 
汽车开发圈

电子工程世界版权所有 京B2-20211791 京ICP备10001474号-1 电信业务审批[2006]字第258号函 京公网安备 11010802033920号 Copyright © 2005-2024 EEWORLD.com.cn, Inc. All rights reserved