高集成度無(wú)線(xiàn)氣體傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

1、高集成度無(wú)線(xiàn)氣體傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì) 3李競(jìng) ,冀錚 ,李 群(中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)研究院 ,北京 100029 )摘 要 :近年來(lái) ,由于高含硫氣田井噴 、壓力容器泄漏和沼氣池維護(hù)不當(dāng)?shù)仍虬l(fā)生的有毒有害氣體傷害事故發(fā)生較頻繁 ,亟需集成無(wú)線(xiàn)傳輸功能 、易于快速部署 、具有一定防護(hù)功能的有毒有害氣 體監(jiān)測(cè)設(shè)備 。針對(duì)這種需求 ,本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種針對(duì)油氣田等復(fù)雜環(huán)境現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和采集的需求 ,集成氣體濃度 、溫度 、GPS信息等多種數(shù)據(jù)采集功能 ; 通過(guò)自組織的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸 ;集成電池模塊 ,易于快速部署 ;具有一定防護(hù)功能的高集成度無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn) 。該節(jié)點(diǎn)已通過(guò) 了“中國(guó)計(jì)量院 ”的氣體采

2、集精度測(cè)試 ,已通過(guò)“電子工業(yè)安全與電磁兼容兼容監(jiān)測(cè)中心 ”的外殼 防護(hù)等級(jí)測(cè)試 。并且已經(jīng)成功在中國(guó)石油西南分公司試點(diǎn)應(yīng)用 。關(guān)鍵詞 :數(shù)據(jù)采集 ;有害氣體 ;設(shè)備 ;無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中圖分類(lèi)號(hào) : X92413文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 : AD e s ign of a h igh ly in tegra ted w ire le ss ga s sen sor n odeL I J ing, J I Zheng, L I Q un( Ch ina A cadem y of Safe ty Sc ience and Techno logy, B e ijing 100029, Ch ina)A b str

3、a c t: In recen t yea rs, due to the h igh2su lfu r ga s we ll b lowou t and the leakage of p re ssu re ve sse ls and o the r im 2p rop e r m a in tenance of m e thane2gene ra ting p its, the occu rrence of po isonou s ga s acc iden t in ju rie s have becom e mo re frequen tly. A toxic ga s mon ito

4、ring equ ipm en t in tegra ted w ith w ire le ss fea tu re, ea sy to dep loy qu ick ly, Dw ing a p ro2 tec tive func tion wa s in u rgen t need. In re spon se to th is dem and, a w ire le ss ga s co llec tion equ ipm en t wa s de signed and imp lem en ted fo r a comp lex environm en t, such a s o il

5、 and ga s fie ld s on2site mon ito ring and da ta co llec tion need s. The h igh ly in tegra ted w ire le ss sen so r node wa s in tegra ted w ith ga s, temp e ra tu re, GPS info rm a tion and o the r da ta co llec tion func tion, w ith se lf2o rgan izing w ire le ss ne two rk fo r da ta tran sm iss

6、ion, in tegra ted w ith ba tte ry modu le s, ea sy to dep loyqu ick ly, w ith a p ro tec tive she ll. The node ha s p a ssed ga s m ea su rem en t accu racy te st by“N a tiona l In stitu te of M e tro l2ogy P. R. Ch ina”, ha s p a ssed she ll p ro tec tion leve l te st by“Safe ty and EMC Te sting Ce

7、n te r of E lec tron ic Indu stry( SEC) ”. A nd it ha s been u sed succe ssfu lly in the sou th2we st b ranch of Ch ina N a tiona l Pe tro leum Co rpo ra tion.Key word s: da ta co llec tion; ha rm fu l ga s; equ ipm en t; w ire le ss sen so r ne two rk1背景收稿日期 : 2008 210219作者簡(jiǎn)介 :李競(jìng) ,男 ,碩士 。3 基金項(xiàng)目 :國(guó)家

8、“十一五 ”科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目資助 (編號(hào) :2006BA K04B04 202202 ) ; 安 科 基 金 項(xiàng) 目 (編 號(hào) :近年來(lái) ,有 毒 有害 氣體 傷 害事 故 發(fā) 生 較 頻 繁 。比如 , 2003 年 12 月 23 日 , 位于重慶開(kāi)縣的川東北 氣礦一個(gè) 所 屬 氣 井 發(fā) 生 天 然 氣“井 噴 ”, 死 亡 上 百人 ;重慶天原化工總廠(chǎng) 2004 年 4 月 15 日晚發(fā)生氯A K2007 201 ) ; 國(guó) 家2007AA04 Z250)863 項(xiàng) 目 資 助 ( 編 號(hào) :·50·中 國(guó) 安 全 生 產(chǎn) 科 學(xué) 技 術(shù)第 4卷氣泄漏 ,并引發(fā)爆炸

9、 ,事故造成多名人員傷亡 ,更有十五萬(wàn)人被疏散撤離 ; 2008 年 6 月 26 日密云縣開(kāi) 發(fā)區(qū)內(nèi)的北京銅牛瑞藍(lán)制衣公司 ,接連發(fā)生沼氣中 毒事故 ,造成工人 3死 8傷 。缺乏便攜 、易用和適應(yīng) 于惡劣環(huán)境的有害氣體監(jiān)測(cè)設(shè)備是造成上述嚴(yán)重事 故后果的重要原因 ,亟需研發(fā)一種具有無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳 輸功能和有害氣體采集功能 ,適應(yīng)于惡劣環(huán)境的有 害氣體監(jiān)測(cè)設(shè)備 。模塊 ,以及傳感器防護(hù)外殼 。其中溫度采集模塊 、氣體濃度采集模塊 、GPS模塊完成數(shù)據(jù)采集功能 ,進(jìn)行 現(xiàn)場(chǎng)溫度 、氣體濃度和 GPS信息的采集 。無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù) 傳輸模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā) 、轉(zhuǎn)發(fā)功能 。計(jì)時(shí)器 、電源 管理模塊實(shí)現(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)的

10、功耗控制功能 。微處理 器模塊對(duì)其他功 能 模塊 進(jìn)行 讀 寫(xiě)和 狀態(tài) 控制 。見(jiàn) 圖 2。2 無(wú)線(xiàn)氣體傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)目標(biāo)與模塊劃分2 11 設(shè)計(jì)目標(biāo)針對(duì)有害氣體傷害事故發(fā)生頻繁 ,缺乏事故現(xiàn) 場(chǎng)有害氣體高效采集方法的問(wèn)題 ,本文設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn) 了一種高集成度的無(wú)線(xiàn)傳感器采集節(jié)點(diǎn) ,下文簡(jiǎn)稱(chēng) 傳感器節(jié)點(diǎn) ,圖 1 是該無(wú)線(xiàn)氣體傳感器節(jié)點(diǎn)的實(shí)物 圖 。該節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)目標(biāo)如下 。圖 2 傳感器節(jié)點(diǎn)模塊劃分圖 1 無(wú)線(xiàn)氣體傳感器節(jié)點(diǎn)實(shí)物圖3 關(guān)鍵模塊和關(guān)鍵技術(shù)( 1 )電池供電 ,便于快速部署 ,通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信方式遠(yuǎn)程采集現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù) 。( 2 )外殼滿(mǎn)足國(guó)標(biāo) IP65 級(jí)的防護(hù)要求 ,適用于 野外環(huán)境和陰

11、雨天氣 。( 3 )可 采 集 有 害 氣 體 濃 度 、GPS 位 置 、溫 度 等 信息 。2 12 節(jié)點(diǎn)模塊劃分根據(jù)傳感器節(jié)點(diǎn)的整體設(shè)計(jì)目標(biāo) ,傳感器節(jié)點(diǎn) 可以劃分為 9個(gè)功能模塊 :無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸模塊 、溫度 采集模塊 、氣體濃度采集模塊 、GPS模塊 、微處理器 模塊 、電源管理模塊 、計(jì)時(shí)器模塊 、電源管理和電池311 無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸模塊目前商用短距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)主要包括 :紅外 、 藍(lán)牙 、W lan、Zigbee。表 1 對(duì)四種通信技術(shù)的傳輸距 離 、功耗 、成本 、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議支持和網(wǎng)絡(luò)帶寬等指標(biāo)進(jìn) 行了比較 。 Zigbee 技術(shù)滿(mǎn)足溫度 、氣體濃度和 GPS 信息采集和傳輸對(duì)網(wǎng)絡(luò)

12、帶寬的要求 ,同時(shí)又具有功 耗和成本較低 ,網(wǎng)絡(luò)協(xié)議支持較好的特點(diǎn) ,因此本文 設(shè)計(jì)的傳感器節(jié)點(diǎn)采用了 Zigbee 無(wú)線(xiàn)通信 技術(shù) 進(jìn) 行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸 。第 6期中 國(guó) 安 全 生 產(chǎn) 科 學(xué) 技 術(shù)·51·表 1商用短距離無(wú)線(xiàn)傳輸協(xié)議比較表傳輸距離功耗成本網(wǎng)絡(luò)協(xié)議支持網(wǎng)絡(luò)帶寬紅外藍(lán)牙WLANzigbee幾十米幾十米 幾百米 ,可網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展幾百米或幾千米 ,可網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展較低較低 較高 較低較低較低 較高 較低本身不支持本身不支持 支持 ,實(shí)現(xiàn)成本高 支持 ,有成熟模塊一般小于 1M b it1M 20M b it115M 100M b it256kb it3 12 氣體濃度采

13、集模塊氣體采集模塊一般由傳感器探頭和模擬 /數(shù)字 轉(zhuǎn)換模塊組成 。傳感器探頭的功能是將氣體濃度等物理量轉(zhuǎn)換為電流 、電壓等易于進(jìn)一步處理的電子信號(hào) 。模擬 /數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊的功能是把電流 、電壓等 模擬電子信號(hào)去躁 、放大 、數(shù)字化 ,轉(zhuǎn)換為易于壓縮 、 傳輸?shù)臄?shù)字信號(hào) 。傳感器探頭按照工作原理可分為電化學(xué)式 、半導(dǎo)體式 、光譜分析式等多類(lèi) 。可以根據(jù) 需要 ,按照需求對(duì)成本 ,精度 ,和靈敏度的要求進(jìn)行 選擇 。本文設(shè)計(jì)的采集節(jié)點(diǎn)采用了電化學(xué)式的傳感 器探頭 。氣體采集模塊相對(duì)比較獨(dú)立 ,本文重點(diǎn)考慮了 設(shè)計(jì)一個(gè)預(yù)定義的接口 ,定義 : ( 1 ) 電壓 、電流等電 氣特性 ; ( 2 )接口

14、讀寫(xiě)協(xié)議 ; ( 3 )引腳順序定義 ,機(jī)械 連接方式 。凡是符合該接口的探頭都可以與本文設(shè) 計(jì)的節(jié)點(diǎn)連接使用 。3 13 微控制器模塊微處理器模塊的主要功能包括對(duì)無(wú)線(xiàn)氣體傳感 器節(jié)點(diǎn)的各個(gè)功能模塊進(jìn)行開(kāi)關(guān) 、讀寫(xiě)控制 ;對(duì)節(jié)點(diǎn)本身的睡眠 、喚醒等狀態(tài)切換進(jìn)行控制 ;處理數(shù)據(jù)發(fā) 送 、接收 、轉(zhuǎn)發(fā)等網(wǎng)絡(luò)協(xié)議 。微處理器與溫度采集模塊 、GPS模塊 、氣體濃度采集模塊 、無(wú)線(xiàn)模塊 、上位機(jī) 間采用串口的方式進(jìn)行通信 ,微處理器模塊通過(guò)使用串口復(fù)用芯片擴(kuò)展微處理器串口的數(shù)量 。3 14 電源管理模塊由于本文設(shè)計(jì)的傳感器節(jié)點(diǎn)采用電池方式供 電 ,所以高效的對(duì)功耗進(jìn)行控制 ,是延長(zhǎng)傳感器節(jié)點(diǎn) 工作時(shí)間

15、的重要手段 。本文采用了兩種技術(shù)降低傳感器節(jié)點(diǎn)的整體功耗 。( 1 )睡眠計(jì)時(shí)喚醒根據(jù)不同的應(yīng)用 ,對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采樣頻 率要求也不盡相同 。對(duì)于數(shù)據(jù)采樣頻率要求較低的 情況 ,可以通過(guò)將傳感器節(jié)點(diǎn)定時(shí)轉(zhuǎn)換到睡眠狀態(tài) , 關(guān)閉大部分模塊的電源 ,然后再將傳感器節(jié)點(diǎn)定時(shí)喚醒來(lái)降低傳感器節(jié)點(diǎn)的功耗 ,增加傳感器節(jié)點(diǎn)的使用時(shí)間 。本文設(shè)計(jì)的傳感器節(jié)點(diǎn)包括一個(gè)獨(dú)立供 電的時(shí)鐘電路 ,定時(shí)對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行睡眠和喚醒控制 。( 2 ) 根 據(jù) 需 要 對(duì) 各 個(gè) 模 塊 進(jìn) 行 細(xì) 粒 度 的 開(kāi) 關(guān) 控制即使在傳感器節(jié)點(diǎn)處于正常工作狀態(tài)時(shí) ,節(jié)點(diǎn) 的各個(gè)功能模塊也無(wú)需全部同時(shí)工作 ,因此可以在 不影

16、響傳感器節(jié)點(diǎn)正常功能的前提下 ,盡可能多的 關(guān)閉各功能模塊 ,達(dá)到降低傳感器節(jié)點(diǎn)整體功耗的目的 。本文設(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)使用場(chǎng)效應(yīng)管對(duì)各個(gè)功能模塊的電源進(jìn)行控制 ,對(duì)模塊的訪(fǎng)問(wèn)采用 : 打開(kāi)模塊 電源 ; 模塊初始化完成后訪(fǎng)問(wèn)模塊 ; 關(guān)閉模塊電 源 。只在模塊需要工作時(shí)才打開(kāi)該模塊的電源 ,最 大限度的降低了功耗 。315 其他模塊與功能本文設(shè)計(jì)的傳感器節(jié)點(diǎn)還集成了 GPS定位功 能和現(xiàn)場(chǎng)溫度采集功能 。 GPS信息便于對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行共享和增值功能開(kāi)發(fā) 。通過(guò)集成的 GPS模塊 ,傳感器節(jié)點(diǎn)可以實(shí)時(shí)上報(bào)數(shù)據(jù)采集位 置的經(jīng)度 、緯度和高程數(shù)據(jù) ,使氣體濃度 、溫度等信 息與地理位置對(duì)應(yīng)起來(lái)

17、 。4針對(duì)油氣田等復(fù)雜環(huán)境的考慮411 外殼防護(hù)作為應(yīng)用于易爆危險(xiǎn)區(qū)或者惡劣環(huán)境的儀表 ,國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其外殼的保護(hù)等級(jí)作出了規(guī)定 ,賦予一 定的代碼 , 即 IP 等 級(jí) 號(hào) 。 IEC144 規(guī) 定 的殼 體保 護(hù) 等級(jí)由一個(gè)對(duì)應(yīng)其抗外界物體沖擊與穿刺能力及防 水能力的代碼表示 。例如 : 本安型儀表測(cè)量電路板 不應(yīng)從其殼體中取出 ,否則會(huì)違反 IP40 所提出的最 低要求 。保護(hù)等級(jí)由兩位數(shù)字組成 ,在其前加上 IP 字樣 。·52·中 國(guó) 安 全 生 產(chǎn) 科 學(xué) 技 術(shù)第 4卷表 2 IP防護(hù)等級(jí)數(shù)據(jù)意義表5 功能測(cè)試第一位數(shù)字第二位數(shù)字抗外界物體沖刺能力( 0 )無(wú)抗

18、沖穿能力( 1 )外界物體尺寸大于 50mm(特大 )( 2 )外界物體尺寸大于 120mm(中 )( 3 )外界物體尺寸大于 215mm(小 )( 4 )顆粒狀外界物體 ,粒度大于1mm( 5 )危險(xiǎn)性塵埃( 6 )穿透性塵埃 (僅適用于特 殊殼體 )防水能力( 0 )無(wú)防水穿能力511 氣體采集精度測(cè)試本文設(shè)計(jì)的傳感器節(jié)點(diǎn)在“中國(guó)計(jì)量院 ”針對(duì)H2 S和 SO2 兩種氣體作了氣體濃度采集精度測(cè)試 。 通過(guò)使用標(biāo)準(zhǔn)氣體 、標(biāo)準(zhǔn)氣體稀釋裝置測(cè)試 ,傳感器 節(jié)點(diǎn)的氣體采集誤差在 ±5 %以?xún)?nèi) 。512 外殼防護(hù)等級(jí)測(cè)試本文設(shè)計(jì)的傳感器節(jié)點(diǎn)在“電子工業(yè)安全與電 磁兼容檢測(cè)中心 ”做了外殼

19、防護(hù)定級(jí)測(cè)試 。通過(guò)使 用防塵箱測(cè)試粉塵進(jìn)入情況 ,進(jìn)行防塵實(shí)驗(yàn) ;通過(guò)使 用標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)噴嘴在多個(gè)方向上進(jìn)行噴水實(shí)驗(yàn) ,本文 開(kāi)發(fā)的傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)了國(guó)標(biāo) IP65等級(jí)的測(cè)試 。513 傳感器節(jié)點(diǎn)氣井現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地測(cè)試通過(guò)在中國(guó)石油西南分公司川東北氣礦宣漢作業(yè) 區(qū)天然氣井試氣現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn) ,本文開(kāi)發(fā)的無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)的無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸功能 ,自組網(wǎng)功能 , GPS采集功能 ,溫度采集功能工作正常。在試氣過(guò)程中出現(xiàn)了下雨的情 況 ,進(jìn)行了防護(hù)外殼設(shè)計(jì)的無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)工作正常。( 1 )水自落下滴( 2 )水滴入角度為+ - 15°( 3 )水以 60°角度噴射( 4 )從各方面噴射( 5 )

20、 50L /m in的水束( 6 ) 100L /m in 的 水束( 7 )以 1m /m in的速 度浸入水中( 8 ) 以 預(yù) 先 商 定 的 方式浸入水中本文設(shè)計(jì)的傳感器節(jié)點(diǎn)在進(jìn)行外殼防護(hù)設(shè)計(jì)時(shí) ,考慮了 下 列 問(wèn) 題 : ( 1 ) 采 用 較 高 強(qiáng) 度 的 外 殼 材 料 ,增強(qiáng)了外殼的保護(hù)功能 ; ( 2 )內(nèi)部進(jìn)行了加固和 緩沖處理 ,適合在運(yùn)動(dòng)環(huán)境下使用 ; ( 3 )防護(hù)外殼可 以通過(guò)防水接線(xiàn)端子 ,防水開(kāi)關(guān)擴(kuò)展外部接口 ,便于 增加外置的傳感器探頭和無(wú)線(xiàn)天線(xiàn) 。設(shè)備整體符合國(guó)標(biāo) IP65級(jí)別的防護(hù)要求 ,通過(guò) 了權(quán)威機(jī)構(gòu)的認(rèn)證 。4 12 自組網(wǎng)和故障恢復(fù)( 1 )自組網(wǎng) 在需要進(jìn)行有害氣體濃度監(jiān)測(cè)的現(xiàn)場(chǎng) ,一般要求快速部署監(jiān)測(cè)設(shè)備 ,并且監(jiān)測(cè)設(shè)備的部署地點(diǎn)和 部署數(shù)量由現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況而定 ,因此要求設(shè)備能夠自主配置 ,迅速投入使用 。本文設(shè)計(jì)的傳感器節(jié) 點(diǎn)支持對(duì)相鄰傳感器節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā) ,傳感器節(jié)點(diǎn)之間可以自主形成樹(shù)狀網(wǎng)絡(luò) ,對(duì)數(shù)據(jù)采集 現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)測(cè) 。( 2 )故障恢