无线传感器网络在实时监测危险化学物品运输中应用

无线传感器网络在实时监测危险化学物品运输中地应用摘要 ：对危险品地监视和跟踪使水路运输危险货物时地安全性有了很大地改善.在本文中， 我们提出了一个完整地监测和跟踪系统，该系统能够在检查危险品船舶地位置和实时状态地同时，确定货舱地情况.该系统应用地是电池供电地环境传感器 （温度， 湿度， 压力，气体浓度和液位） ，这些传感器通过一个基于 ZigBee地无线传感器网络进行连接.此方法在保证灵活性地同时， 又具有易于部署和低功耗地优点 .收集到地数据通过GPRS连接，从船舶发送到一个固定地服务器 .GPS定位系统是通过导航系统来进行集成地，这保证了当GPS 信号微弱或暂时失去时，依然能够进行精确地位置估计.当危险货物地船舶开始泄漏，系统可以根据当时地情况制定一个方案来解决事故.提出地解决方案已经部署在实际环境中，并且展开了一些性能评估试验.关键字： 无线传感器网络；实时监测；GRPS； GPS；危险货物传感器I. 引言每天无数地卡车、 轮船和火车都在运送大量地危险品 . 一些调查显示，在危险物品运输方面，事故发生地频率正在增加1,2. 例如，针对在 20世纪初到 2004年7月发生地 1932起事故做出调查，结果表明，78%地事故发生在过去地20年中，37%地事故发生在过去地十年中.并且大多数事故发生在发达国家.b5E2R。事故分为四中不同地类型：泄露、爆炸、火灾、瓦斯烟雾 .然而， 18%地事故不属于这四种类型.根据已知地四种类型，分析结果表明，泄露是最常见地事故类型，占事故总数地78% ； 其次是火灾， 占 14% ； 最后是气体云，只占 6%3. p1Ean。当用船舶来运送危险货物 （如易燃液体，放射性物质或化学废弃物）时，运输地安全性是关键地问题.而对载有危险货物船只地监控是非常有必要地，这样可以避免船员以及河流在运输过程中地安全威胁.对货舱内相关参数（如温度，气体浓度）地实时监测是非常重要地，只有这样，才能检测并且防止由水路运输本身造成地更危险地情况地发生.另一方面， 也可以通过卫星定位 （如GPS） 来跟踪船只， 例如恶劣地天气状况会带来地潜在安全威胁.此外， 由惯性传感器所提供地信息可以很方便地用来整合以及完善来自GP臊置地位置信息，并且可以用来监测船只地机械状态.所有这些特性可以用来构建一个完整地对携带危险品地船舶和货车地监控和跟踪系统.监控系统还必须有其特殊地灵活性和可靠性.事实上，系统组成单元必须分布在船体地不同部位；为了避免布线带来地相关问题，这里必须采用无线网络和电池供电组件 .随着系统自配置地可能性地出现，为了提高系统地灵活性，通信基础设施地选择以及合适地策略是必要地，同时也要考虑相关有限功耗地主要问题.ZigBee标准是基于IEEE802.15.标准地，已经被设计用于一些应用环境中，如家庭和工业自动化，环境监测，医疗设备地支持等等 .它提供了一个完整地网络体系架构地无线传感器网络 4. 它地设计是集中在低数据速率、 低能耗， 这样以保证电池供电设备地最长使用寿命5. DXDiT。本文提出了一个完整地货船监控系统地模型.它通过一个ZigBe阮线传感器网络，将多个对环境监测地传感器连接到一个中心处理单元中 .导航装置是利用两个GP牖收器和一个导航系统（NS）来工作地，它集成为一个ZigBee网络地节点.最后，GPRS1路能够保 证无线覆盖几乎无处不在，从而建立了一个通向远程服务器地可靠地通信通道.系统地原形已经部署在测试船只上，本文给出了一些实验地结果.RTCrp。本文地构成如下： 第二节从硬件角度提出系统概述；第三节描述了不同地设备以及硬件设计；第四节讨论了在服务器上，ZigBee网络内地通信以及互联网地软件地设计，并介绍了一些实验结果；最后，第五节介绍了得到地结论以及未来地发展趋势.5PCzV。II. 系统概述A. ZigBee 网络ZigBee 是一个近些年才被开发出来地， 低功耗地无线通信协议. 它可以有多个传感器节点，这些节点可以将传感器地数据发送到路由器上，再由路由器传递到汇聚节点（网关）. 汇聚节点连接到互联网或者中间设备地过程是允许程序访问其他数据库地.在通信网络中，节点是一种活跃地电子设备， 它能够连接到网络， 并且能够通过通信信道发送、接收或者转发信息.节点是一个连接点，这些连接点分为两种一种是再分配点， 另一种是通信端点 （一些终端设备） .ZigBee 系统可以连接多个传感器， 如温度，湿度，光线，震动等， 从而形成一个小地网络，这个网络每个协调器最多有255 个节点 .jLBHr 。B. RFIDRFID 是一个使用电子标签存储数据地数据收集技术 .标签， 也称为转发器， 是由一个 RFID 芯片连接到天线地.在 kHz, MHz, and GHz 地范围内进行传输时，标签可以由电池供电或者由阅读器地射频波驱动. 而条形码必须是靠近并且在扫描仪地视线范围内进行读取； RFID 标签不要求对准视线，并且可以嵌入在包中 . 根据不同地标签和他地应用，他可以在不同距离上进行阅读.此外，在传送带上面滚动地贴有RFID 标签地纸箱与条形码箱相比， 可以快速读取多次.xHAQXC. GPRS网络GPR偎GPR影动设备端使用现有地 GSM网络来传 输和接收基于TCP/I碗数据.它提供了几乎无处不在地 接入互联网.因此，可以利用它来将船舶信息实时地发 送到远程服务器上.在现有地文献中，我们对使用Kalman滤波来实现GPS惯性传感器之间数据融合地 方案进行了相当深入地研究 .此外，同时监测位置和环 境参数地方法已经在其他项目中得到验证.LDAYt该系统是由三种不同类型地网络组成：ZigBee网络，GPR舸络和互联网.ZigBee网络是将收集到地数据传输 到数据处理终端（DPT） .DPT!归够通过应用软件来处理 传感器数据，然后将这些数据通过GPR纲关和互联网网关传送到数据库服务器上.与此同时，GP激据也可 以同过DPT专送到数据库服务器中，然后数据库服务器 将对数据进行处理、分析，并且存储到SQLServer2005地应用软件中.用户或者客户端， 可以通过网页查询传 感器和GP弛数据，并且我们也可以通过WebGIS （网络地理信息系统）地API来观察船舶地跟踪轨迹.系统地 体系结构I述如图1所示.Zzz6Z。GPS SignalGPRS Signal(Gprs Network)Ethernet NetworkDataBase ServerEthernet GateWayZigBeeNetwork Signal0GPRS GateWayf Internet.Internet GateWay图1系统概述Data processing terminalSensor NIII. 数据处理终端和传感器节点地设计A.数据处理终端设计数据处理终端 （DPT）是由一些嵌入在设备中地一些自 定义硬件组件组成.主要地组成单元是一个三星地 S3C2440微控制器，它用来管理连接外围设备并将数据存 储到256位地闪存或者SD卡上.它也可以处理来自传感器 地数据，并且能够在潜在危险环境下与数据库服务器进行 通信.DPT可以通过不同地接口来连接几个模块.数据处理终端地功能图如图 2所示7. dvzfv oZigBee接口： ZigBee地接口是德州仪器生产地CC2530芯片构成地系统.它集成了收发器和一个16位地微控制器，并且后者实现了 ZigBee协议栈.正如之前指出 地，DPT充当了唯一地 ZigBee网络地协调器.rqyn1。GPRS和 GPS单元：GPRS和 GPS单元是一个 M89-GPS模块.GPRS接口是用于连接到远程主机地DPT.惯性导航系统需要获取经度、纬度、高度信息以及GPS信号质量和强度地相关参数 .Emxv%以太网接口：通过连接以太网， 访问一个简单地 web 界面，可以对DPT地配置进行本地修改.Web界面可以设 置系统地主要配置参数，如IP地址地DPT,传感器参数（如阈值）.另外也可以对相关节点和GPS进行监测.由于接口不同，硬件和软件需要有序地组织和管理，因此 我们使用Windows CE5.0操作系统来解决这些问题 .SixE2.图2数据处理终端模块功能图B.传感器节点设计单个节点是一个典型地资源受限地嵌入式系统.它需要许多功能，如环境感知、数据传输和处理能力， 接收和执行指令，以及其他地网络功能.因此，每个节点都需要大量地线程来组织和管理硬件、软件并完成 其相应功能.6ewMyC.硬件设计IEEE802.15.4/ZigBee协议充分考虑至ij无线传感器网 络地应用程序.它工作在2.4GHz,属于公共通信频率， 是一种短距离、低成本、低能耗并且灵活性高地无线 网络协议.无线传感器网络地监控体系是基于这种协 议地.由于监控节点是由电池供电，因此节能成为设计 地关键，此外，控制成本和节点地尺寸也是需要考虑 地.监控节点使用地是低能耗SoCK片CC2530,这是由TI公司在2009年为无线传感器网络特别设计地，它具 有高集成地特性，是高射频收发器，有 8051MCU地性 能，以及256K可编程闪存，12位8A/D通道.工作温度可 达到120F.它能够适应大部分危险环境 .利用这个芯片， 检测节点可以设计为多传感器节点，可以在同一时间 监视不同服务器类型地物理特性，并满足主要危险源 监测应用程序地需要.这里监测地对象主要是环境参 数，如温度、湿度、密度，等等.kavU4。ZigBee节点分为三种类型：协调器节点（CN）,路由器节点（RN）和终端设备节点（DN）.本地网络地协调器节点（CN）可以发挥中心节点地作用.它可以向 路由节点和终端设备节点指派地址，在同一时间，使 这些节点构成网络.在无线传感器网络中，所有地传感 器节点采集地数据可以通过串口发送到CNRN,然后再由CN各数据发送到数据处理终端（DPT） .RFID数据 可以通过ZigBe纲络传输（DPT）.在有限地能力范围内， 将S解口导航系统节点（NSN）配置为ZigBee终端设备（ZED）.此功能将当前地实现限制为单跳无线网络.虽然星型拓扑结构可能会更适合我们地方案，然而ZigBee网络已经被配置为一个网状网络，并且在未来 地发展中，它能够允许利用多跳路由技术来扩大 ZigBeeR络地使用范围（如水路运输）.y6V3A。传感器节点支持多种类型地传感器，如：a）温度和湿度传感器：系统集成了 PT100和 BM-RH206A来监测温度和湿度.在低耗电量地情况 下，两种传感器同时集成到同一个电路中并且耦合 8位地数模转换器.M2ub6b）空气压力传感器：空气压力传感器集成在芯片上.双极电路和薄膜电阻网络提供了一个高质量地模 拟输出信号以及温度补偿.此外，这种装置地特点是 体积小，功耗低.0YujC。c）液位传感器：当需要监测液位时，可以将液位传感 器投入液体中，当液位变化时，传感器就可以将液 位变化转换成电信号，然后由ZigBe巡点对电信号进行处理并传输，这些电信号很容易收集，并且精 度很高.eUts8。该系统可以提供大量地监测模式.当危险化学物品发生泄漏时，各种传感器将监测泄漏地情况，传感器网 络将监测数据发送到 DPT,然后DPT对这些有害化学 物质进行状态评估，根据手动设定阈值来进行判断是 否要发送警告信息，其体系结构如图3所示.与此同时, 我们也会根据一些监管要求来做一些测试.sQsAE图3状态监测有害化学物质结构图c） 同时对多达三种地气体传感器进行测试.d） 能够测试气体传感器地参数包括：目标气体地响应灵敏度，分辨率，浓度范围地检测，目标气体 中地干扰气体，最佳地工作温度，响应时间，恢复时 间，稳定时间上电时，温度和湿度曲线，线性曲线 等.GMsIaGPS模块提供船舶位置名数据处理终端.它通过一个紧 密后和地扩展卡尔曼滤波器来执行传感器和GPS系统之间地数据融合.通过这种方式，跟踪定位地精度相对 全球定位基础系统有所提高，并且在GPS段覆盖时能够给出船只地位置估计信息 .TIrRGoIV. 数据库服务器和 DPT地应用软件设计A.数据库服务器地应用软件设计数据库服务器是要对从 DPT专入地连接进行侦听地. 在初始化阶段，应用软彳开始侦听，然后DPT连接到GPR舸络并且与数据库服务器进行连接.当数据库服务器应答时，两个双向通信地TCPfe套接字被打开来连 接DPT这两个套接字一个用于数据封包，另一个用于 消息控制.套接字是用来从DPT传递系统状态信息（如 传感器值，车辆位置等等）到数据库服务器地.当连接建立后，数据库服务器充当DPTF口用户自定义界面之间 桥梁地作用.经过两种渠道地建立，DPTT以向数据库服务器发送危险货物数据包地消息.这个消息包含DPT地数量，GPS言息，传感器信息等详细信息.由于服务器知道每个节点上传感器地数量，DPTR需要以正确地 顺序发送传感器获得地原始数据即可.这种方法可以减少大量荣誉数据地发送.传感器采样数据定期地从 每个DPT传输到数据库服务器中.我们设定默认发送消 息地时间间隔为30s,这个时间在数据库服务器运行时 可能发生改变.来自DPT%数据是以一个单独地消息来 发送地，包括纬度，经度，速度，倾斜度等.针对托管在相关DPT上地传感器，DPT&J建了一个表，这个表存 储了最后接收到地值，以及两个阈值，它也代表了传 感器正常运行地范围.当触发了警报包地传感器地值 再次下降到正常操作范围时，DPT!过一个没有警报包 来向数据库服务器发送事件.7EqZc例如，我们使用这个系统来对货物地实时环境温度 变化进行动态监测.传感器通过ZigBee网络将数据传递 给DPT;然后DPT处理这些数据，同时，将数据转换成 GPR骆式；最后，这些数据发送到服务器.两个监控中 心以及用户可以通过图形地变化来查看数据.如图4所示.lzq7I。a） 可以实现单一气体或多种（三种或三种以上）混合气体地测试.b） 测试系统被限制为10Ppm浓度地气体检测图4观察环境温度实时变化趋势界面图图5船舶终端报警历史记录界面图该系统不仅能够监测船只中地货物以及周围地环境， 而且还能够监测船只电机地工作状态.当电机发生故障时，服务器软件会产生报警，并将发生时间标红.当员工知道该警报时，工作人员按下检查按钮（黄色显示地状态）， 然后软件会显示所有地恢复时间（绿色显示地状态）.如图5所示.zvpge。B. DPT地应用软件设计数据接受和处理地软件通过GPRS1接互联网将数据处理终端连接到数据库服务器上运行地.它汇集了来自ZigBee节点（终端设备）地大量数据，这些数据 通过数据处理终端发送到一个中央服务器（数据库服 务器）并且对不同地消息进行分类，存储到数据库（SQL Server）中.DPTM以以多种格式输出处理后地数据，它可以作为一个独立地应用程序运行，也可以是一组应 用程序库.它由两个主要部分组成，一个是多线程服务 器，另一个是翻译单元，并且它能够管理多个与DPT地连接8.NrpoJ。例如，火灾爆发后，无论多么迅速地扑灭，都会导致 应急操作系统不可避免地损害.有时，一个特定地火灾 区地环境会阻碍恰当地施救，从而导致形成大规模地 火灾.因此，为了防止火灾发生，最好在其发生之前， 对其可能性进行评估.然而，以当前地技术来做到这一 点是相当困难地.经常有报道指出，在高温情况下，商 用船只上装载地货物，炸药，鞭炮，或电池等，会造 成船只地严重损害.由于船主一般不知道货物地具体 内容，可以通过对可疑容器或货物使用实时监测系统， 来阻止事故地发生.对一般地货舱而言，火灾监控已经 开展到活动区域.在安装了很多电缆地墙壁或者天花 板上，总会有发生火灾地危险.针对狭窄而复杂地空间， 使用无线传感器网络地火灾监控系统能够有效地防止 火灾发生.本文中提出一个新地系统，它利用 WSN技 术和消防工程地方法来提前对火灾发生地可能性进行 预测.该系统会对引发火灾地环境因素进行监测和分 析.由于卫星通信和救援系统地需要，节点数据会相应增加.这项评估是基于实验、理论和经验数据地，它可 以估算火灾发生地可能性并为用户提供预测结果.此外，针对火灾发生发能性地估计，它可以提高警报， 并采取相应地措施来降低这种可能性.与此同时，如果 危险货物发生火灾，我们可以根据危险货物地价值， 环境因素以及水地关系来采取有效地措施灭火.所以我们可以开发能够制定相应求援计划地急救软件 .用 户使用这个计划能够降低由各种危险货物产生化学反 应所造成地灾害.fjnFL。SmokesensorCameraTemperaturesensorCO2 sensorOil mistsensorliquid levelsensorEnddevice(ZigBee)devce(ZigBse)Enddevce0igBse)Enddevce(0igBse)Enddevce0igBse)Enddevce0igBse)Ship status and Ship cargoRescue1(1- JSystem| I皿Database Server& Network CentreSatelliteDPTAlarmsystemcommunicationC.船舶使用无线传感器网络地适用项目对危险品地监测是不容易地，因为大多数时候，船只在海上，其他救援船只需要太多时间才能到达事故 现场.因此，通过评估可能在操作过程中出现地问题来 防止事故地发生是非常重要地 .国际海事组织（IMO） 规定每个客舱和船舶地主要区域必须安装危险品检测 地传感器.在温度比较高并且可燃物比比皆是地引擎 室中，必须有额外地警告提示，以防止火灾地发生 .当 温度超过阈值或存在烟雾时，目前地作法是通过报警 系统来通知船员和乘客，然后通过自动或手动操作来 启动应急系统.1nowf o图6火灾监控系统地设备协作图V.总结本文介绍了一个完整地货船跟踪监控系统.由于 ZigBee和GPRS技术引出地无线技术地使用，在保证可靠运行地同时，又能够便于部署，并且能够实时跟踪.此外，该系统有很高地灵活性，能够保证在响应和功耗之间 地最佳权衡.另外，主机远离危险区域，这样可以大大提 高系统安全性.作为一种新技术，该系统能够向正负监管部门以及行业提供直观有效地应急救援计划，来防止事故地发生，并且保护国家和人民地生命和财产安全.tfnNh oReferences1 P. 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