基于GPRS與無線傳感器的石化泄漏源定位方法研究

苑苓苓，鄭勇峰，李紅升

（天津渤海職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津 300402）

基于GPRS與無線傳感器的石化泄漏源定位方法研究

苑苓苓，鄭勇峰，李紅升

（天津渤海職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津 300402）

為了及時發(fā)現(xiàn)石化泄漏源，本文采取了基于GPRS與無線傳感器的石化泄漏源定位系統(tǒng)，系統(tǒng)主要由監(jiān)控中心、遠程控制終端和無線傳感器節(jié)點組成。無線傳感模塊具有采集、收發(fā)信息數(shù)據(jù)等功能，并在一定范圍內(nèi)組成本地網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)傳送給遠程控制端。監(jiān)控中心與各個遠程監(jiān)控終端之間的通過GPRS進行通信。通過簡單軟件設(shè)置，可實現(xiàn)實時、多級控制等不同模式，達到及時監(jiān)控氣體、液體泄露，快速處理泄露事故。

GPRS；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；泄漏源

一、引言

化工企業(yè)是高危行業(yè)，危險化學(xué)品在生產(chǎn)、運輸、存儲保管等過程中均易發(fā)生泄漏事故，一旦發(fā)生劇毒化學(xué)品、危險品、易燃品等出現(xiàn)泄漏等事故，造成后果將不堪設(shè)想，不僅嚴重危害國家和人民生命和財產(chǎn)安全，而且對生態(tài)環(huán)境造成了長期破壞[1]。

為了檢測化學(xué)危險品的泄漏，國內(nèi)外對氣敏傳感器進行了深入研究，并研制成功了可以檢測多達100余種化學(xué)危險品的商品化傳感器，主要類型有半導(dǎo)體傳感器、固體電解質(zhì)傳感器、高分子傳感器、接觸燃燒式傳感器等。目前在國內(nèi)，其主要應(yīng)用在以下三個方面：（1）、監(jiān)測報警：安裝在化學(xué)危險品的生產(chǎn)、儲運、使用等場所中，及時檢測危險品的含量，并進行報警。（2）、化學(xué)危險品的種類或特性檢測：采用具有不同敏感特性的傳感元件組成傳感矩陣，對泄漏的化學(xué)危險品的種類和濃度進行識別和監(jiān)測，其工作過程為：進入事故現(xiàn)場、吸附樣品、傳感元件產(chǎn)生信號、計算機信號識別、性質(zhì)、輸出氣體種類、毒性及處置方案。主要用于確定警戒區(qū)域，搶救中毒人員等。（3）、尋找泄漏點：采用智能傳感器，利用計算機處理傳感元件的信號變化，檢測其濃度變化，從而找到泄漏點。也有采用傳感器與圖像識別技術(shù)相結(jié)合，利用遙控技術(shù)進入事故現(xiàn)場，查找泄漏點的位置[2][3]。

針對傳統(tǒng)危險氣體泄漏源檢測定位方法的不足，以及化工設(shè)備泄露點比較多，輸油管道較長的特點，本課題擬研究借助分布的無線傳感器自主地進行危險氣體泄漏源定位，并利用高效的搜尋算法，迅速、準(zhǔn)確的找到氣體泄漏源。并把檢測到的泄露情況通過GPRS發(fā)送到監(jiān)控計算機或者手機上。并能對泄露情況進行自動處理。

二、系統(tǒng)理論依據(jù)

通用無線分組業(yè)務(wù)（英文譯作-General Packet Radio Service）也就是通常大家常說的GPRS，它是在2G移動網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)基礎(chǔ)上的無線的分組交換的技術(shù)，提供廣范區(qū)域的、點到點的通過無線網(wǎng)絡(luò)互連協(xié)議的連接。也就是，GPRS是廣泛數(shù)據(jù)處理的、高速度傳輸?shù)募夹g(shù)，具體方法是通過將信息劃分成不同的組別同時將信息資料快速通過無線網(wǎng)絡(luò)傳送到客戶端上。GPRS是現(xiàn)有2G移動網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)提升為新一代移動通信技術(shù)的過渡技術(shù)，雖然將被替代但是其明顯的優(yōu)勢在眾多方面表現(xiàn)非常好。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)難度較高、所需知識的密集度也較高，是一項具有計算機技術(shù)、電氣自動化、儀表自動化、通信技術(shù)、軟件技術(shù)、無線傳輸技術(shù)、現(xiàn)場總線技術(shù)、傳感器技術(shù)、信息處理技術(shù)等眾多學(xué)科高度融合的領(lǐng)域。它能夠把物體感知、實時監(jiān)測、采集監(jiān)控測量信息通過大量不同的集成化的微型、小型傳感器，以自組織、多地址網(wǎng)絡(luò)，并利用無線方式傳送至用戶的終端。這種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)目前備受國內(nèi)國外關(guān)注。

此網(wǎng)絡(luò)的工作方式是在監(jiān)控需要的不同地方，布置好各種不同功能的傳感器，已形成多個單元節(jié)點，所有的節(jié)點通過自組織的方式以最短時間迅速形成一個無線網(wǎng)絡(luò)。各節(jié)點包含的各種硬件設(shè)備比如傳感器、通訊模塊等，他們在內(nèi)置的各種不同功能的傳感器的幫助下，負責(zé)采集所探測地方的各種信號，探測諸如聲、光、噪、氣、壓力、濕度、溫度、酸堿度、含氧量、有毒氣體等的情況、分布、危害程度等所需的事情。

在這個無線網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)中的節(jié)點是具有采集所需信息的作用，同時還得將采集的信息共享上傳到其他節(jié)點或上位，除此之外節(jié)點還具有上傳下達的作用也就是路由的功能，它將采集的數(shù)據(jù)通過多地址路由到網(wǎng)關(guān)，然后再路由到監(jiān)控指揮中心。

該網(wǎng)絡(luò)由于優(yōu)點突出，能夠達到傳輸網(wǎng)絡(luò)廣覆蓋、容錯性高、冗余量大以及自組織、測量精度高等優(yōu)良性能，以及其建成網(wǎng)絡(luò)成本較低、搭建網(wǎng)絡(luò)可靠、靈活方便等的特點，所以其在工業(yè)控制領(lǐng)域、計算機應(yīng)用及通訊領(lǐng)域以及一些民用設(shè)施領(lǐng)域應(yīng)用前景非常廣闊。

基于通用無線分組業(yè)務(wù)（GPRS）與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位方法檢測定位石化泄漏源，具有非常重要的實際意義。它可以將傳感器節(jié)點在不同監(jiān)控區(qū)域測量出的節(jié)點自身位置所在地放的信息，通過將各種傳感器信息的整合，用以增強應(yīng)變能力，降低事故的發(fā)生。

三、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于GPRS與無線傳感器的石化泄漏源定位系統(tǒng)，主要由監(jiān)控中心、無線傳感器節(jié)點、遠程控制終端、基站構(gòu)成。如圖1是本系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，對于化工設(shè)備的關(guān)鍵部位如接頭、閥門、機械密封、墊片、密封填料、玻璃觀測窗、檢查口、計量儀表等處安裝傳感器節(jié)點負責(zé)檢測氣體、液體、閥門的運行，通過接收無線傳感器發(fā)送來的指令，來確定泄漏源的位置，執(zhí)行開、關(guān)閥門的操作，快速處理泄漏事故。由于傳感器節(jié)點受電源的限制，電源如果為交流電則需進行現(xiàn)場布線，那么將對系統(tǒng)的成本造成很大的上升；如果電源為直流電，供電時間較短，因此一定范圍內(nèi)的無線傳感器作為一個節(jié)點，節(jié)點與節(jié)點之間采用多跳通信協(xié)議相互通信。同一范圍內(nèi)的傳感器節(jié)點形成一個本地網(wǎng)絡(luò)，遠程監(jiān)控終端對管道內(nèi)流動液體的狀態(tài)進行檢測、控制，并在本地網(wǎng)絡(luò)中起中間節(jié)點的作用，其目的是負責(zé)向監(jiān)控中心傳輸本地網(wǎng)絡(luò)的傳感器的參數(shù)數(shù)據(jù)等。同時無線傳感器也能夠獨立于主監(jiān)中心工作，主監(jiān)控中心的硬件由電腦、不間斷電源和打印機等設(shè)備組成。軟件部分由SQL Server數(shù)據(jù)庫、泄漏源定位管理軟件組成，系統(tǒng)支持Internet 網(wǎng)絡(luò)的發(fā)布功能，方便用戶在異地對化工設(shè)備泄漏源進行定位和處理。

四、系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)的軟件采用VC++和IFIX相結(jié)合的方式。IFIX是具有現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、過程監(jiān)控和過程可視化的工業(yè)自動化控制系統(tǒng)，在自動化控制領(lǐng)域廣泛應(yīng)用于石油行業(yè)、化工行業(yè)、電力、機械、醫(yī)藥等眾多行業(yè)的過程控制。在開發(fā)過程中，如何從自動化軟件中進行實時數(shù)據(jù)的讀取是重難點，本軟件設(shè)計使用VC++調(diào)用IFIX的庫文件，并對同步傳輸?shù)姆謴S數(shù)據(jù)進行讀取的方法完成監(jiān)控。

IFIX應(yīng)用了微軟的系列工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，是全球領(lǐng)先的自動化監(jiān)控組態(tài)軟件，IFIX的分布式、客戶/服務(wù)器結(jié)構(gòu)具有可靈活構(gòu)造的服務(wù)器（SCADA Server）和客戶端。IFIX是一個集成的完整系統(tǒng)，每臺計算機有自己的名字，每個數(shù)據(jù)項都有自己的名字。IFIX網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)的讀取都通過標(biāo)識數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)。

IFIX包含了各種功能專家、動態(tài)對象工具、圖形工具。為方便開發(fā)畫面，用戶可以根據(jù)需要調(diào)整工具欄大小及放置常用工具按鈕。

IFIX還支持動態(tài)數(shù)據(jù)交換、OPC服務(wù)器協(xié)議、開放式數(shù)據(jù)庫、COM和分布式COM、VBA等技術(shù)，具有強大的開放性。其中動態(tài)數(shù)據(jù)交換是基于Windows應(yīng)用程序與交換數(shù)據(jù)之間的一種協(xié)議，可以從一個應(yīng)用程序到另一個用用程序傳遞數(shù)據(jù)，其傳送者是動態(tài)數(shù)據(jù)交換服務(wù)器，接受者是動態(tài)數(shù)據(jù)交換服務(wù)器客戶端。由于IFIX提供了動態(tài)數(shù)據(jù)交換服務(wù)，所以只需開發(fā)動態(tài)數(shù)據(jù)交換的客戶端程序就能從IFIX中讀取實時數(shù)據(jù)，非常簡單、安全。

VC++又提供了動態(tài)數(shù)據(jù)交換（DDE）的管理庫，本身就是為DDE設(shè)計的一個應(yīng)用程序編程接口。在VC++中首先定義一個全局數(shù)據(jù)組，用于保存實時數(shù)據(jù)，然后再用有關(guān)函數(shù)初始化DDE，再由系統(tǒng)調(diào)用DDE自定義的回調(diào)函數(shù)，用來通知各種時間的發(fā)生，最后用相關(guān)函數(shù)啟動與服務(wù)器的聯(lián)系，然后再用函數(shù)與服務(wù)器建立熱鏈接捕獲消息，該消息中的一個數(shù)據(jù)項的值變化時通知客戶端并用相關(guān)函數(shù)取得數(shù)據(jù)，保存到定義好的實時數(shù)據(jù)組中。至此，也就實現(xiàn)了從IFIX讀取實時數(shù)據(jù)的功能。

動態(tài)數(shù)據(jù)讀取后，編制控制中心的軟件后，就可以顯示化工設(shè)備的運行情況，當(dāng)發(fā)生氣體或者液體泄漏時，能夠快速確定泄漏源并對泄漏源進行處理。

主監(jiān)控中心軟件的功能流程框圖，如圖2所示首先對無線傳感器采集發(fā)送來的數(shù)據(jù)進行分析、歸整，然后通過上位機的動態(tài)顯示界面，向用戶實時顯示當(dāng)前無線傳感器的運行狀況和相關(guān)信息，同時具有存儲、查詢和打印分析這些信息的功能，當(dāng)檢測到有故障發(fā)生時，會及時在動態(tài)監(jiān)視屏幕上出現(xiàn)報警信息及警告聲音，提醒工作人員對發(fā)生的泄漏信息進行及時處理，工作人員若不在，自動啟動事故處理應(yīng)急方案，自動關(guān)閉掉相關(guān)閥門，并給工作人員發(fā)送短消息。工作人員得到短消息后，登陸化工設(shè)備泄露監(jiān)控系統(tǒng)也可對泄漏進行相關(guān)處理。

圖1 系統(tǒng)框圖

圖2 主監(jiān)控中心軟件功能流程圖

五、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)功能

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（簡稱：WSN）中網(wǎng)關(guān)作為關(guān)鍵，它負責(zé)網(wǎng)絡(luò)間協(xié)議的轉(zhuǎn)換、網(wǎng)絡(luò)路由和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理等重要任務(wù)，是網(wǎng)絡(luò)間連接的紐帶。所以設(shè)計出好的網(wǎng)關(guān)節(jié)點是整個WSN中的重要部分。

“WSN”的網(wǎng)關(guān)節(jié)點要達到計算能力強、數(shù)據(jù)吞吐量大、存儲能力高的特點，而且傳輸范圍還要比傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點大得多，這樣才能保證大量的數(shù)據(jù)傳輸?shù)酵饩W(wǎng)的監(jiān)控指揮中心，也才可以作為整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的輸出端口使用。

另外，網(wǎng)關(guān)節(jié)點的GPRS通信模塊，通過標(biāo)準(zhǔn)“RS-232”串行接口，，使用調(diào)制解調(diào)器命令完成對模塊的操作，完成GPRS的無線撥號與互聯(lián)網(wǎng)相連接，長期時刻在線、登陸迅速、按流量大小計費等不可比擬的優(yōu)勢。

因此，它應(yīng)主要承擔(dān)以下作用：

對從各傳感器節(jié)點接收的數(shù)據(jù)自適應(yīng)地啟動數(shù)據(jù)融合算法，降低數(shù)據(jù)冗余度；

完成不同網(wǎng)絡(luò)之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換；

處理來自監(jiān)控中心的命令；

完成數(shù)據(jù)傳輸功能，在不同網(wǎng)絡(luò)之間建立路由。

因此WSN網(wǎng)關(guān)要具備以下功能：

能匯聚接收來自無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中傳感器終端節(jié)點采集的數(shù)據(jù)；

能通過以太網(wǎng)將收集的傳感器數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)竭h程監(jiān)控中心；

能通過無線傳輸?shù)姆绞綄R聚的傳感器節(jié)點信息傳輸?shù)奖O(jiān)控中心；

能以短信的形式提示定期發(fā)送無線傳感器網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前狀態(tài)；

具備網(wǎng)關(guān)實時顯示當(dāng)前系統(tǒng)所處的狀態(tài)（即狀態(tài)顯示功能）；

能負責(zé)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建與維護；

能接收監(jiān)控中心的采集命令，將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前信息發(fā)送到遠程監(jiān)控中心；

能顯示接收節(jié)點的編號和能量狀態(tài)信息；

軟件需求上選用便于移植、可修改的嵌入式操作系統(tǒng)，支持TCP/IP協(xié)議棧，應(yīng)用層支持WSN數(shù)據(jù)的接收、協(xié)議轉(zhuǎn)換、轉(zhuǎn)發(fā)等功能。

六、結(jié)束語

本文設(shè)計和實現(xiàn)了一個基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的化工設(shè)備泄漏源定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)設(shè)計方案組網(wǎng)成本低，網(wǎng)絡(luò)易維護，將其用于化工設(shè)備泄漏檢測系統(tǒng)可以實現(xiàn)智能化管理，可對泄漏事故及時進行處理，具有良好經(jīng)濟效益。同時可為工廠數(shù)字化管理提供一種嶄新的通訊平臺，具有廣闊的應(yīng)用前景以及社會效益。

[1]任豐源,黃海寧,林闖.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[J].軟件學(xué)報,2003，（12）.

[2]黃志強,韓月霞,周茂.基于GPRS-Internet 的城市路燈遠程監(jiān)控實現(xiàn)[J]．微計算機信息，2007,（01）.

[3]李露曦,鄢楚平.基于TinyOS 的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)平臺的實現(xiàn)[J]．微計算機信息，2008,（03）.

Research on Identification of Petrochemical Leakage Source Based on GPRS and Wireless Sensors

YUAN Ling-ling, ZHENG Yong-feng, LI Hong-sheng

（TianjinBohaiVocationalTechnicalCollege,Tianjin, 300402）

To identify the source of petrochemical leakage timely, this paper adopts the identification system of petrochemical leakage source based on GPRS and wireless sensors. This system is composed of monitor center, remote control terminal, and wireless sensor nodes. The wireless sensor module can collect, receive and send information data, and form the local network within a certain range to transmit data to the remote control terminal. The monitor center communicates with each remote control terminal through GPRS. Through simple software configuration, real time control and multiple-level control can be achieved to monitor the gas and liquid leakage and deal with leakage accidents immediately.

GPRS; wireless sensor network; source of leakage

2015-04-03

苑苓苓，女，天津市人，天津渤海職業(yè)技術(shù)學(xué)院機械工程系主任，副教授、高級工程師，研究方向：機電一體化、自動化、計算機科學(xué)；鄭永峰，男，河北省，天津渤海職業(yè)技術(shù)學(xué)院機械工程系副主任，副教授、高級工程師，研究方向：機電一體化、機械制造與自動化；李紅升，男，天津市人，天津渤海職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師，研究方向：計算機、機電、自動化、儀表等成套系統(tǒng)的研發(fā)、教學(xué)等工作。

TP393

A

1673-582X（2015）05-0099-04