基于ZigBee的化工厂安全监测报警系统

刘国梅

摘要：依据化工厂安全建设的实际需求，构建基于ZigBee的化工厂安全监测报警系统，通过采用多种传感器技术、ZigBee网络、以太网、嵌入式开发等多种技术，在化工厂布置多个带有多种类型传感器的监测模块，实现对化工厂全面无死角的监测和报警。监测模块加入由路由模块建立的ZigBee网络，可以及时将监测数据无线传输给路由模块，然后再由路由模块通过以太网转发给监测中心，监测模块在监测数据超过正常值时能启动声、光报警，及时定位危险地带并提醒人们迅速撤离，系统成本低、使用方便，为化工厂的安全生产提供了保障。

关键词：安全监测;化工厂;ZigBee;以太网

中图分类号：TP393.0     文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2020）35-0056-03

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

1 引言

化工企业在生产经营过程中，需要接触化工原料或产品，大多数化工原料及产品具有易燃、易爆、易中毒、高温、高压、有腐蚀性等特点，在生产、储存等过程中，火灾爆炸、中毒窒息、腐蚀灼烫等安全事故时有发生，不仅造成巨大的财产、经济损失，更会让许多原本幸福的家庭支离破碎，造成无法弥补的灾难[1]。

安全生产，预防为主，事故的预防必定是重中之重。压力、温湿度、液位、流量、各類可燃气体、有毒有害气体、氧气的浓度等参数都是化工厂的重要安全指标，如果能一直不断地监测这类参数指标，并且超过安全范围能自动报警，一定可以预防事故的发生，减少各种损失[2]。

文本提供一套基于ZigBee的监测报警方案，该方案是在化工厂的各个厂房和仓库的监测点放置加入ZigBee网络的监测模块，监测模块上的各种传感器可以对关键参数（例如压力、温湿度、液位、流量、各类可燃气体、有毒有害气体、氧气的浓度）进行监测，监测数据通过ZigBee无线网络和以太网传输到监测中心，监测数据超过正常范围后会立马报警，以达到安全生产、严防事故的目的[3]。

2 监测方案设计

基于化工厂面积大、监测点多、监测参数多种多样等特点，本文中采用ZigBee无线传感网与工业以太网相结合的监测方案[4]。本系统中一个厂房或者一个仓库组成一个ZigBee网络，一个ZigBee网络中有一个路由模块和多个监测模块，路由模块作为协调器节点，监测模块作为普通ZigBee节点。

具体监测方案如图1所示，N1为监测模块，S1为路由模块，它们之间通过ZigBee无线网络进行通信，各个厂房或仓库的路由模块则通过通信线路组成以太网。各个监测模块分别置于需要监测的监测点，通过相应传感器监测各个参数的值，并通过ZigBee 网络无线传输给路由模块，再经路由模块通过以太网转发给监测中心，如果监测值超过正常的安全范围，监测中心可以及时采取相应措施，同时N1模块也会发出声、光报警，迅速定位事发地点，提醒人们及时采取措施或者快速撤离。

3 硬件设计

3.1 模块硬件组成

本系统中有监测模块和路由模块。监测模块由MCU、各种传感器、ZigBee模块、存储器、蜂鸣器、LED灯等组成。MCU是整个模块的核心，用来指挥各个模块协同工作，ZigBee模块可以将监测的参数信息无线传输给路由模块，存储器可以根据需要暂存一些数据信息，蜂鸣器、LED灯可以在危险发生时自动发出声、光报警，提醒人们及时采取措施或者尽快撤离。监测模块根据监测的对象参数不同可以选择集成不同的传感器，例如监测温湿度的模块需要集成温湿度传感器，监测压力的模块需要集成压力传感器，监测各类可燃气体、有毒有害气体、氧气的浓度等参数的模块则需要集成各种相应气体传感器，等等，图2中（a）所示的监测模块可以监测温湿度、多种有害气体、火焰等，并能在危险时刻自动发出声光报警。

各个厂房的路由模块主要用于完成监测数据的转发，其硬件组成如图2中的（b）所示，除了基本的MCU、电源、时钟、复位等外，集成有ZigBee模块、存储器、以太网模块等。

3.2 模块硬件详细设计

监测模块MCU采用NXP公司的基于Cortex-M0内核的LPC11C14处理器，该芯片有32KB Flash、8KB的SRAM存储器，具有丰富的外围接口，工作频率为50MHZ，对于一般工业现场应用是足够了[5]。ZigBee收发模块采用的是TI公司的CC2530，温湿度传感器选用DHT11，气体传感器采用MQ-2，火焰传感器模块采用KY-026。这些外围器件通过不同的接口与LPC11C14相连接，温湿度传感器、LED灯通过普通的I/O口与LPC11C14连接，气体传感器、火焰传感器通过A/D转换与LPC11C14相连接，蜂鸣器通过PWM口与LPC11C14相连接，ZigBee模块CC2530则通过SPI口与LPC11C14之间通信。

CC2530是一款工业级SOC芯片，低电压供电，超低功耗，方便操作，CC2530结合了RF收发器、增强型8051CPU和许多其他模块的强大功能[6]。因为CC2530模块本身带有射频功能，因此只需要在模块的RF-P、RF_N管脚与天线之间加一级接口电路，即无线收发模块，就可用来放大接收和发送信息的功率，从而加大数据传输距离，CC2430 模块电路如图 3 所示。

本系统中采用的MQ-2气体传感器可用于家庭和工厂的气体泄漏监测，适宜于液化气、苯、烷、酒精、氢气、烟雾等的监测。因此，MQ-2可以说是一个多种气体传感器，其测量范围极其广泛。它的优点是灵敏度高、响应快、稳定性好、寿命长、驱动电路简单等[7]。本系统中MQ-2气体传感器电路图如图4所示。

路由模块的MCU仍采用NXP公司的LPC11C14处理器，ZigBee模块的配置也与监测模块类似，以太网控制器采用DM9000AE。LPC11C14使用16个GPIO端口与以太网控制器DM9000AE相连接，DM9000AE的读写信号IOR和IOW分别与LPC11C14的读写引脚对应连接[8]。

4 系统软件开发

4.1 ZigBee通信协议[9]

本文采用TI 公司半开源的 Zstack 协议栈 ZigBee 2007。ZigBee 2007协议栈的操作系统抽象层OSAL通过时间片轮转函数实现任务调度，并提供多任务处理机制。在使用 ZigBee 协议栈进行应用程序开发时需要添加新任务，即需要编写两个函数：新任务的初始化函数PlantApp_Init（）及事件处理函数PlantApp_ProcessEvent（），在初始化函数中注册端点描述符，配置发送模式及目的地址等，在事件处理函数中通过调用相应函数完成数据的收发。然后将新任务的初始化函数添加在 osalInitTasks（）函数的最后，将事件处理函数的地址加入tasksArr[]数组。

发送数据的流程为：1）填充并注册端点描述符;2）配置发送模式及目的地址;3）调用AF_DataRequest（）函数发送数据。接收数据的流程为：1）填充并注册端点描述符;2）处理系统事件SYS_EVENT_MSG中的AF_INCOMING_MSG_CMD消息;3）使用消息包中的无线数据。

4.2 监测模块应用软件开发[10]

监测模块应用软件流程图如图5所示，系统上电后进行初始化，包括系统定时器、GPIO口、SPI、UART、I2C、PWM等设备，然后进行ZigBee网络初始化，加入由路由模块组建的ZigBee网络，接着主程序进入循环，采集各种传感器参数，打包数据并通过ZigBee模块发送给路由模块，同时判断采集的数据有没有超过正常值，如果超过，则通过LED灯及蜂鸣器启动声光报警。

4.3 路由模块应用软件开发

路由模块应用软件流程图如图6所示，系统上电进行硬件初始化之后，通过信道扫描建立起一个ZigBee网络。ZigBee协议使用一个16位的PAN ID（个域网标识符）来标识一个网络，所以不同的路由模块使用不同的PAN ID。然后监测模块申请加入该网络，路由模块为监测模块分配一个 16 位短地址，允许其加入网络。之后，路由模块不断地接收监测模块通过ZigBee网络发送过来的监测数据，处理数据后再通过以太网将数据发送给监测中心，监测中心根据接收到的数据值进行相应的处理。

5 结束语

针对化工厂安全建设的实际需要，设计了基于ZigBee的化工厂安全监测报警系统。系统中采用多种传感器、ZigBee无线通信网络、以太网等技术实现了对化工厂全面无死角的实时监测，当监测到异常时，监测中心可以及时采取适当措施，同时监测模块也会通过其集成的LED灯、蜂鸣器启动声光报警，能及时定位危险发生地，及时提醒人们迅速撤离。另外，监测中心人员平时也可以随时查看监测数据，对数据进行分析预估，对化工厂安全进行研究。本系统能够大大提高化工厂的安全性，并且成本低，具有较高的实际应用价值。

参考文献：

[1] 陈琼枫.化工安全生产中存在的问题及其对策[J].化工管理，2019（18）：86-87.

[2] 于子平，田文德.基于Matlab的化工安全分析模块系统开发[J].上海化工， 2017，42（8）：28-31.

[3] 闫亚玲，李博，刘伟杰.基于ZigBee的实验室防火远程监控系统设计[J].实验室研究与探索，2019，38（5）：282-285.

[4] 高雪.基于MSP430的提升机钢丝绳状态在线监测系统设计[J].煤矿机械， 2019，40（7）：24-26.

[5] 杨路，辛煜，王茂林.基于ZigBee和LPC11C14的多终端仓储监控系统[J].西安石油大学学报（自然科学版）， 2019，34（4）：103-108.

[6]白宏图.基于CC2530的无线传感器网络节点设计[J].电子设计工程， 2019，27（5）：147-150，155.

[7] 毛敏.基于Arduino和LabVIEW遠程可燃气体监测系统[J].电气自动化， 2017，39（5）：28-30.

[8] 韦玮，商枝江，胡亚楠.车载多用途串口-以太网网关设计[J].新技术新工艺，2014（11）：73-77.

[9] 邵晓琳. ZStack协议栈研究及应用开发[D].北京：北方工业大学，2015.

[10] 魏玉峰.基于Zstack协议栈的无线网络终端设计[J].电子世界，2018（16）：143-144.

【通联编辑：梁书】