基于ZigBee的分布式气体监测定位系统

基于ZigBee的分布式气体监测定位系统 摘要：为了及时发现危险化工气体的泄漏与排放，实现对排放源的快速定位以及对扩散范围的预测，提高对化工气体泄漏事件的处理速度。基于此，建立一种基于ZigBee和多传感器融合的分布式气体检测平台。采用多传感器融合对环境进行实时监测，针对检测得到的数据，选择适宜的插值算法，结合具体环境信息采用Surfer软件构造气体扩散等值线，对气体的扩散范围进行预测；根据影响定位的因素和模糊控制算法，快速选择适宜的定位算法，结合参考节点位置信息实现对扩散源的定位。实验说明，系统能对化工气体浓度进行实时性在线检测，同时还能对化工气体的扩散等值线进行模拟，实现了对气体扩散范围的预测，以及对扩散的迅速处理。关键词：气体泄露；ZigBee；多传感器融合；定位；模糊控制；分布式中图分类号：TN957.52+3?34；TP212文献标识码：A文章编号：1004?373X202102?0087?04Abstract：Todiscovertheleakageandemissionofdangerouschemicalgasintime，realizefastlocationoftheemissionsourceandforecastofdiffusionrange，andimprovetheprocessingspeedofchemicalgasleakageincident，thedistributedgasdetectionplatformbasedonZigbeeandmulti?sensorfusionisadoptedforreal?timeonlinedetectionofchemicalgasconcentrationandmeanwhilemodulatethechemicalgasdiffusioncontourlines，whichrealizestheforecastofgasdiffusionrangeandquickprocessingofthediffusion.Keywords：gasleakage；ZigBee；multi?sensorfusion；location；fuzzycontrol；distribution0引言随着化学工业的迅速开展，化工厂如雨后春笋般出现，化工厂中产生的废气里含有对人们工作、生活带来不便的气体，而且有些气体还会对人们生活的环境以及人们的身体健康造成严重影响；化工厂有时候也会出现意外突发状况：化工气体泄漏事件，当突发事件发生时，如果对泄漏点迅速定位，就能迅速对泄漏事件做出反应，大大降低气体泄漏带来的影响。文献【1】介绍了一种基于无线传感器网络的气体泄漏源定位方法研究，采用高斯烟羽扩散模型和实时监测数据结合的方式实现定位，但是其受环境因素影响较大，灵活性不够强；文献【2】介绍了一种基于移动传感器网络的气体源定位系统，但是移动节点需要移动搜索定位，同时有些地点移动传感器并不能到达；文献【3】设计了一种基于MCMC方法的城区有毒气体泄漏点反演方法，但是定位方法是基于稳态下的状态，实时性不够好。针对上述情况，本文设计了一种基于ZigBee和多传感器融合的分布式气体监测定位硬件平台，实时检测环境信息。根据检测得到的数据，利用Surfer软件绘制化工废气的扩散等值线，结合具体的环境地理信息，实现对气体扩散范围的预测。结合影响定位的因素，采用模糊控制选择适宜的定位算法，将采集节点的位置信息和定位算法结合对排放源进行定位，提高定位精度和系统的灵活性。1系统方案方案系统采用无线传感网络分布式布局，节点分布广泛，能够快速检测到目标气体。多传感融合实现系统对监测区域化工气体浓度信息、风速信息的实时同步在线检测；根据检测到的实时环境信息，利用模糊方案中的检测节点包含气体传感器、风速传感器、CC2530模块。气体传感器用来检测环境中的化工气体浓度信息，风速传感器将实时在线检测监测区域内的风速信息；气体传感器检测到化工气体之后会产生一个微弱电流信号，将信号进行放大滤波电路处理后发送到CC2530内部的ADC采样端；CC2530模块的ADC采样端通过I/V转化将电流信号转化为电压信号，根据电压值计算出环境的气体浓度值。同时系统通过ZigBee网络将处理后得到的数据以及参考节点的位置信息发送至协调器节点，协调器节点对数据进行记录和整理，然后通过串口总线，将数据上传至PC机。PC机对环境化工气体的浓度值进行判断，如果浓度值未超过阈值，PC机对数据进行记录和存档；如果浓度值超过阈值，PC机将会对扩散范围进行预测，对扩散源进行定位。利用Surfer软件绘制气体扩散等值线，结合地理位置信息以及等值线信息，对化工气体的扩散范围进行预测；PC机调用模糊方案中的检测节点包含气体传感器、风速传感器、CC2530模块以及CC2591模块5?7。气体传感器用来检测环境中的气体浓度信息，风速传感器将实时在线检测监测区域的风速信息；电化学气体传感器检测到之后会产生一个微弱电流信号，将信号进行放大滤波处理发送到CC2530内部的ADC采样端；CC2530模块将电流信号转化为电压信号，同时根据电压值计算出环境的气体浓度值；随后CC2530模块通过ZigBee网络向协调器发送采集到的浓度值以及风速信息。采集节点模块如图2所示。2.1.2协调器电路协调器作为无线网络的建立节点，通过串口总线与PC机组成监测中心，主要由电源适配器、串口总线模块组成。协调器把接收到的数据实时传输到PC机进行显示记录，使系统可以根据采集到的环境实时情况分析泄漏气体的成分、实现对泄漏点的定位以及对气体扩散范围的预测，采取合理的处理措施。协调器电路如图3所示。2.2系统软件系统在初始化之后，传感器开始工作，实时在线监测环境化工气体浓度信息和风速信息，在检测到化工气体后传感器会产生一个微弱电流信号，经过放大滤波电路，电流信号传送到CC2530内部的ADC采样端，CC2530将电流信号转化为电压信号，同时根据公式将电压信号值转化为化工气体浓度值。PC机根据接收到的采集端采集到的环境化工气体浓度值以及节点位置信息，构造化工气体扩散等值线，再根据影响定位精度的因素选择适宜的定位算法，利用协调器传来的参考节点的地理位置信息，对排放源进行定位，并对扩散范围进行预测。软件流程图如图4所示。3关键技术3.1气体扩散等值线构造系统将采用等值线模型对气体的扩散进行模拟。等值线模型是把实际具体数值在已定义的区域上用图形表示的一种方法，在可视化仿真中得到广泛的应用，可用来表示各种指标如浓度、温度等的分布情况。系统方案中的检测节点包含风速传感器、气体传感器以及CC2530模块。风速传感器实现对环境风速进行实时在线监控；气体传感器对环境浓度进行实时在线监控；CC2530将传感器采集到的化工气体浓度信息转化为确切数值，得到的气体浓度值和环境实时风速值通过ZigBee网络发送到協调器节点，协调器将数据通过串口总线上传至PC机，PC机对数据进行整理。首先，将接收到的化工气体数据和参考节点位置坐标信息整理到Excel中，以文本形式输出；在Surfer中以该文本文件为根底，选择适宜的插值方法对文本中的离散数据进行网格化，得到规那么的网格文件，接着绘制气体扩散等值线8?10。气体扩散等值线具有如下规律：气体扩散等值线会在扩散源附近闭合环状线的形式向外辐射，当环境因素对气体扩散影响较小时，气体扩散等值线会以近似同心圆的形式出现；当影响较大时，等值线在风速的方向上比较稀疏，风向两侧的等值线比较密集；当环境中有影响气体扩散的障碍物，等值线在障碍物附近的等值线也比较密集；假设有两个及两个以上的排放源时，等值线会有交叉区域。