摘要
随着传感器技术、无线传输技术和软件工程技术的飞速发展，危险化学品监测的信息化水平迅速提高。由于无线传感器网络具有自组织、分布式、低成本、低功耗等特点，利用无线传感器网络对危险化学品进行准确、及时、连续的监测越来越受到重视。根据实际生产需要，设计了基于无线传感器网络的氯气安全监测系统，用于氯气安全监测，采集各监测区域的氯气浓度、湿度、温度等数据。由于环境温度的变化对氯气传感器的输出信号影响很大，采用软件补偿的方法提高了氯气监测的精度，有效地避免了误报的发生。该系统由一个中心节点、几个终端节点和一个计算机监控中心组成。系统的核心控制芯片采用MSP430F149，设计了中心节点和终端节点的硬件电路、基于星型拓扑的无线传输协议和计算机监控中心的监控软件。系统启动后，各节点通过基于星型拓扑的无线传输协议，快速、自动地组成一个独立的网络。信息通过USB接口在中心节点和计算机之间传输。每个终端节点接收计算机发送的信息并作出响应。同时，中心节点通过无线通信模块获取监控数据。计算机监控中心监控软件实现了监控数据的实时显示和动态曲线绘制。监测区域内氯浓度报警功能超过设定阈值。实际测试表明，该系统能满足氯气安全监测的技术指标，部署灵活，抗干扰能力强，运行可靠，易于扩展。本课题对危险化学品监测技术的发展具有重要意义。
关键词：无线传感器网络， 通信协议，氯气环境多参数监测，星型拓扑
Abstract
With the rapid development of sensor technology, wireless transmission technology and software engineering technology, the information level of hazardous chemicals monitoring is rapidly improved. Due to the characteristics of self-organization, distribution, low-cost and low-power consumption of wireless sensor networks, more and more attention has been paid to the accurate, timely and continuous monitoring of hazardous chemicals by using wireless sensor networks. According to the actual production needs, a chlorine safety monitoring system based on wireless sensor network is designed for chlorine safety monitoring, and the data of chlorine concentration, humidity and temperature in each monitoring area are collected. Because the change of environmental temperature has great influence on the output signal of chlorine sensor, the software compensation method is used to improve the accuracy of chlorine monitoring and effectively avoid the occurrence of false alarm. The system consists of a central node, several terminal nodes and a computer monitoring center. The core control chip of the system is MSP430F149. The hardware circuits of central node and terminal node, wireless transmission protocol based on star topology and monitoring software of computer monitoring center are designed. After the system is started, each node forms an independent network quickly and automatically through the wireless transmission protocol based on star topology. The information is transmitted between the central node and the computer through the USB interface. Each terminal node receives and responds to the information sent by the computer. At the same time, the central node obtains the monitoring data through the wireless communication module. The monitoring software of computer monitoring center realizes the real-time display of monitoring data and dynamic curve drawing. The chlorine concentration alarm function in the monitoring area exceeds the set threshold. The actual test shows that the system can meet the technical indicators of chlorine gas safety monitoring, flexible deployment, strong anti-interference ability, reliable operation and easy expansion. This project is of great significance to the development of hazardous chemicals monitoring technology.
1绪论
1.1研究背景与意义
随着我国化学工业的飞速发展，各种有毒气体在化工生产中的应用越来越普遍，有毒有害气体的泄漏事故在气体生产，储存，运输和使用过程中时有发生。据统计，氯是中国化学工业中利用率最高，事故率最高的危险化学品之一，严重威胁着国家和人民的生命财产安全。
氯气是1774年瑞典化学家舍勒首先发现的。氯元素英文“chlorine”，有“绿色的”意思。我国学者徐寿早年的译文将氯气称为“绿气”，后改为氯气。Cl2是一种有毒的气体，吸入少量会使鼻和喉头的粘膜受到刺激而引起咳嗽，吸入过量的Cl2会使人窒息，甚至矢之。Cl2的毒性在战争中首被用作为杀伤性的武器。第一次世界大战中，德军与英、法两军在比利时的伊普尔激战了几天几夜，不相上下。这时德国的化学家哈伯（被人誉为“魔鬼与天使”），当时德军重要的高级参谋，他让士兵沿线铺设氯气罐，致使英、法联军死伤惨重，结束了这次战斗。这也使哈伯后来荣获1918年诺贝尔化学奖，引起了世界人民巨大的抗议。尽管氯本身不可燃，但具有助燃特性。 它属于压缩气体和液化气的类别。 它的沸点低，蒸气压高，易蒸发，并且具有很大的爆炸和泄漏危险。 近年来，中国发生了许多严重的氯泄漏事故[4]。 仅在过去的一年中，发生了几次安全生产重大事故，由于氯的泄漏造成数百人伤亡。 这种事故通常具有危害大，危害范围广，突发性强的特点，对国家和人民的生命财产造成损害和损失，尤其是对生态环境的不可逆转的损害。
因此，要认真总结分析此类事故，吸取教训，通过严格管理、规范操作，特别是建立快速有效的监测体系，加强对氯气从生产到使用的监管。泄漏源的预警和处理。然而，鉴于被监测对象的危险特性，在许多情况下需要大面积监测。此时，监测人员难以进行现场监测作业。
另一方面，监控点离现场越近，收集到的数据越准确，可靠，有利于进一步的研究。 它不仅可以有效地监控区域，而且可以保护人员。 远程监视有两种通信模式，即有线通信和无线通信。 与传统的有线通信方式相比，布线困难，维护成本高。 与传统的有线通信模式相比，无线通信技术已成为非常好的选择。
本文设计的氯气环境多参数监测系统综合应用了检测技术和无线通信技术并采用数据融合技术，对氯气环境中的多个参数进行实时监测，既满足了工业生产的需要，又改善了传统监测方法使用带来的诸多不足。
1.2氯气环境监测现状分析
早期氯气安全监测系统的监测信息基本上是通过有线网络传输的设计复杂，监控区域有限，系统移植困难，可移植性差，人力财力投入大。目前流行的无线监控解决方案大多由于功耗和通信问题而没有得到市场的认可。
氯气使用情况的多样性决定了需要根据不同场合选择氯气监测，例如，氯气被广泛用于工业生产和日常生活中。对于浓度低于20ppm的氯气，这种传感器的典型代表是电化学传感器。电化学氯气传感器通常用于低浓度氯气环境中，工作状态稳定，检测精度高，复杂时间较长，对检测环境的适应性有一定的缺陷。另外，该传感器是通过氧化还原反应，输出电流信号，由于国内同类产品的工艺和性能。与国外产品有一定的差距，导致这类传感器的市场基本上是国外产品。例如德国的阿尔法公司拥有超过70％的市场份额，导致价格偏差。高，单个传感器要数百元，而传输电路板每个也需要300多元。从经济上讲，这也限制了该应用程序的进一步发展。
氯是一种有毒有害气体，也是一种爆炸性产品。它通常是通过填充来储存的。在运输过程中，仅检测储气罐附近环境中的氯含量是不够的。一旦发生井喷，附近的氯气浓度会瞬间达到很高的值，大大超出了低浓度传感器的检测范围并可能导致传感器故障。此时，有必要引入高浓度检测传感器。实验室在检测高浓度氯气方面取得了良好进展，并开发了一种
500ppm半导体型氯气传感器，反映被测气体浓度的变化对敏感电阻的影响值发生变化，信号变化由后端电路处理进行采样和检测。然而，半导体型氯气传感器最大的缺点是温度漂移比较严重，需要在后端进行温度测量补偿。实验室已形成一套完整的高浓度氯气泄漏监测系统该方案对氯气安全综合检测起到了一定的促进作用。
总的来说，氯在工业生产中的重要性，氯泄漏事故的频繁发生和破坏氯的环境安全监测非常重要。用更先进的技术实现氯气在环境中自动监测多参数是前提，并保证降低事故发生的可能性环境安全监测方法存在缺陷，应用范围有限，因此有必要引入新的监测方法补充或优化现有的监视方法。 可以看出，在多参数校正的前提下，没有任何帮助通过线传感器网络实时监测氯环境是氯安全监测的发展趋势
1.3无线传感器网络发展现状及特点
1.3.1 WSN 简介
近年来，随着微电子技术的进步，低功率多功能传感器的快速发展得到了促进。随着通信技术和传感器技术的发展，传感器节点的功能越来越丰富小型包装中的传感器节点可以同时集成信息获取设置，数据处理和无线通讯等功能[8]。无线传感器网络（WSN）是一种无线传感器网络在线路通信方式中，分布在检测区域中的大量智能传感器节点是自组织的大量传感器节点协同工作以收集和处理覆盖的网络将要监视区域中的感知对象的信息发送到监视器。传感器节点，感测对象而监控器构成了无线传感器网络的三个要素在监视器之间建立通信路径，以收集，处理和发布监视信息。无线传感器网络技术融合了微电子技术，传感器技术，通信技术和嵌入式技术它们共同构成了一种新的信息获取和后端处理技术。
WSN是近年来新兴的物联网技术，形成于20世纪后期，最初是无线传感器网络使用具有简单信息收集功能的传统传感器进行点对点数据传输现在。随着传感器技术的进步，到20世纪末它逐渐发展成为多时钟的应用。具有采集功能的传感器构成了一个简单的智能传感器网络。当今的无线传感器网络该网络使用大量具有多种功能和信息收集功能的新型传感器，并采用自组织它还可以根据需要连接到Internet，以解决更复杂的应用程序需求问题。
1.3.2 无线传感器网络主要特点
当前，主流无线通信技术分为不同的FM FM广播技术，2G / 3G移动通信技术，无线传感器网络技术和在更高的频段用于军事通信技术，例如海底通信和卫星通信。 无线传感器网络技术的工作频段通常是用于科研和实验的空闲频段，节省了开发成本。另外，这种网络还具有以下主要特点：容量大、安全性高、动态性强、待机时间有限。
1.4本文主要研究内容
分析了国内外无线传感器网络的发展现状及氯气安全监测。在此基础上，设计了一种能适应不同浓度的氯气安全监测系统，并对具体实现技术进行了阐述。研究不同浓度下的信号调理和自开关技术线路传感器网络硬件节点，建立相关模型分析传感器节点模块的功耗性能，适用于小型自组织网络的WSN协议相关技术研究，中低耗电模式监测的网络布局优化策略研究，友好的人机交互界面，包括实时曲线绘制和数据库历史数据查询等最终建立。基于无线传感器网络技术的氯气环境多参数监测系统，并进行了实验验证系统的实用性为有毒有害气体监测部门提供了强大的监测工具，研究和实际应用奠定了良好的基础。
2本论文总体设计
2.1系统硬件设计方案
2.1.1布局结构
根据氯环境多参数监测系统的特点和复杂性，采用了分布式的多点检测结构。 如图2-1所示，该系统由一个中央节点，几个传感器节点和一个计算机监控中心组成。 系统的核心控制芯片是MSP430F149。 设计了中心节点和终端节点的硬件电路，基于星形拓扑的无线传输协议以及计算机监控中心的监控软件。 氯气环境多参数监测系统具有部署灵活，抗干扰性强，运行稳定，易于扩展的优点。 一方面，这种布局可以增加检测范围并扩大检测范围。 另一方面，它可以从不同的节点获取更准确的信息，并进行类比分析以提高获取信息的可信度。
图2-1布局结构
每个传感器节点设备随机分布在监控区域的不同位置，以检查待测参数测试中，中心节点设备与传感器节点设备进行无线通信，控制传感器节点设备的工作状态，采集传感器节点发回的数据，并通过串行通信将采集到的信息上传到监控中心。监控中心实时显示中心节点设备上传的数据信息等操作。
2.1.2传感器节点设计
传感器节点位于系统的前端，负责数据采集和环境参数处理以及已处理数据的传输。 它主要由以下五个功能模块组成：传感器模块，A / D采集和数据处理模块，无线通信模块，电源管理模块和显示警报模块。 结构框图如图2-2所示。
图2-2传感器节点结构框图
2.2传感器模块设计
该传感器模块包括用于高浓度氯泄漏监测的半导体氯传感器和调节电路，用于低浓度检测的电化学氯传感器和调节电路以及温度和湿度传感器模块。 根据监控情况的变化，可以切换不同的工作模式，从而扩大了系统的监控范围和能力。
2.2.1 半导体型氯气传感器模块选型
通过待测气体浓度的变化反应到敏感电阻阻值的变化上来，后端电路对阻值信号处理实现对信号变化的采样与检测。检测原理如图2-3 所示。
图2-3半导体型氯气传感器基本测量电路
上电后需要对传感器进行预加热，以保证传感器的工作状态稳定，该操作通过对传感器背部大功率电阻加热丝(Rh)进行加热来实现，大量实验数据表明该传感器在 300℃时工作状态稳定，为了减小预加热时间，选取阻值为2Ω的加热丝电阻，加热丝两端电压 =0.3hV V 左右，提供给加热丝的电流约为 150mA。此时传感器通过三分钟左右的时间即可完成预加热进入工作状态。图 2-3 中 Rg为气敏电阻，在洁净空气中阻值比较稳定(几 k 到十几 k 欧姆)，而在氯气环境下该值随气体浓度的变化而改变。外加恒流源 Is 即可实现从阻值到对应电压的转换。
2.2.2 电化学型氯气传感器模块设计
本文采用三电极电化学氯气传感器，通过传感器内部电解液的氧化还原反应程度来反映外部气体浓度的变化。也就是说，在传感器的工作电极上输出与气体浓度相对应的负电流。为了保证传感器的稳定工作状态，需要在对电极和参比电极之间施加恒定的电位。调节电路如图2-4所示
图 2-4 电化学型氯气传感器调理电路
该调理电路为负电流信号检测电路，供电方式采用单电源供电。为了消除负电流引起的负电压，设计中采用了 2.5V 基准源模拟零电位，对电极与参比电极之间的恒电位通过超低温漂、高输入阻抗的运算放大器 MAX4238与基准源实现。工作时，传感器产生的负电流经采样电阻 R1后，相应电压值被 A1、R5、C2等电路进行一级放大。放大后的电压信号经 A3，A4，A5组成的增益可调差动输入运算放大器进行二级放大，输出电压范围在 1~3V 的待采样电压。电路后稳压二极管 D2 起过压保护作用，防止输出电压过大毁坏 AD 采集端口。
2.3无线通信模块设计
2.3.1无线通信概述
近年来，由于对无线接入技术的需求不断增长，无线通信和无线网络正呈现出指数增长的趋势。这有效地促进了无线通信向高速通信的发展。但是，工业，农业，车辆电子系统，家庭网络，医疗传感器和伺服执行器都是尚未或刚刚开始发展无线通信的领域。与现有标准相比，这些区域具有较低的数据吞吐量要求和较低的功耗。另外，为了促进简单易用的无线设备的普及，未来个人空间将需要大量的无线接入点，因此低廉的价格将起关键作用。为了降低这些设备的批量生产的零件成本，有必要开发一种标准解决方案。该标准要解决的问题是设计一种通信链路，以最小化无线收发器的通信量和复杂性。要考虑的核心问题是低功耗和低价格设计。这就要求该标准应提供低带宽和低数据传输速率的应用。
本论文中无线通信模块应用于无线传感器监测网络的短距离数据传输，同时需具有功耗小、成本低、无线传输协议简单以及组网灵活的特点，无线通信方式选用 RF 技术。系统选用 TI 的 CC1101 射频集成芯片作为无线通信模块的控制芯片，该芯片是一种单片可编程 UHF 收发芯片，具有低成本、低功耗、无需申请频点、传输可靠等优点。工作频段，可以通过编程灵活的设定在 315MHz、433MHz、868MHz 和 915MHz 的 ISM (工业、科学和医疗)和 SRD 频段。数据传输速率最大支持 500kBaud。CC1101 接口分为数字接口部分和模拟接口部分，数字接口部分作为下载程序的模块，工作参数通过 SPI 接口编程操作进行设置。模拟部分实现信号的选频、放大、滤波、混频处理等。
2.3.1 CC1101与MSP430F149接口电路
CC1101 与单片机 MSP430 之间采用 SPI 方式通信，可以充分发挥 SPI接口高效传输的优势。SPI 接口由 CSn，SI，SO 和 SCLK 四个引脚组成。MSP430通过SPI接口访问 CC1101 内部寄存器与存储器。
2.4 电源电路设计
5V电压由电压转化电路转换为3.3V电压为整个电路板供电，电压转换电路采用AMS1117 3.3V电压转换芯片，其中C3为输入旁路电容，C4为输出旁路电容。
3系统软件设计
3.1传感器节点设计
图 3-1 传感器节点流程图
传感器节点设备开始工作后，将初始化诸如定时器和变送器之类的基础模块传感器模块，通信接口模块等开始向AP发送加入网络消息并等待加入。成功加入网络后，传感器节点将根据AP返回的同步信息进入睡眠状态，通过计时器中断，唤醒CPU进入工作状态并开始收集信号,等待成功发送数据后,数据将发送到AP等待AP同步命令再次进入睡眠状态。
CPU对数据进行处理后，根据设定的阈值判断采集到的浓度或其他信号是否达到报警点，到达预设报警点后，进一步判断是否需要切换到高浓度检测模式，必要时退出休眠机制，传感器节点处于连续监测状态，直到浓度降至高浓度阈值以下，监控切换到低浓度检测模式。同时，对于超过报警点的状态，就地驱动声光报警，液晶显示模块由现场按钮引入的外部中断引起。
3.2中心接入点设计
3.2.1 AP 整体软件设计
中央访问点是整个无线传感器系统的信息聚集和控制的中心。 其设备类型设置为access_ POINT。工作流程为：协议栈和串口初始化后，打开串口，建立监控中心与AP之间的连接，创建Star网络并等待ed加入。如果接收到ED加入信息并成功加入网络，则中央节点向ED发送响应信号并分配端口信息。如果确定接收到的信息的发送者是已加入网络的设备，则中央节点判断该信息是否有效，并通过串行端口将有效信息发送给计算机。
3.2.2 串行通信协议设计
中央接入点和上位机采集的数据通过串行通信进行传输。一串串行端口（串行端口）和串行接口（串行接口）包括串行接口（串行接口）。处理器与监控中心之间采用异步串行接口（UART），微处理器与收发芯片之间采用SPI进行数据传输。本节介绍的通信程序流程是指处理器模块与监控中心之间通过异步串行接口（UART）进行通信。UART支持全双工通信方式，数据传输速率可达20kbps/s，满足一般条件下的应用要求。中心接入点设备与监测中心之间通信程序流程图如图 3-2 所示。
图 3-2 USART 通信程序流程图
3.3氯气浓度采集子程序设计
浓度采集子程序流程图如图 3-3 所示。
图 3-3 氯气浓度采集程序流程图
采集信号到达后，启动A/D采集浓度信号，将ADC初始化为单通道多采样模式，连续采集10次浓度值，并对采样数据进行中值滤波处理，即连续采集的10个浓度值存储在阵列中。气泡排序法首先按降序排序，去掉最大值和最小值，然后取其余8个值的平均值。该方法消除了信号突变引起的检测误差。
4总结
基于无线传感器网络技术的优势和氯环境多参数监测的特点，将WSN技术引入氯安全监测中，研究无线传感器网络技术在氯安全监测中的基本应用问题，例如系统 构建，通信协议选择，节点开发，低功耗协议优化等，
1结合氯气安全监测应用需求的特点，研究了基于WSN的无线传感器基于装置网络技术的氯气环境多参数监测系统，给出了软硬件设计方案。该方案可以弥补传统氯气安全监测方法的一些不足。
2针对系统的低功耗，优化了简单通信协议并设计了同步睡眠机.系统性能和待机时间得到改善。根据实验数据，给出了系统模块的功耗.该分析为将来的系统优化和升级提供了实验支持。
3设计了传感器节点和中心节点的底层驱动程序、中心接入点和上位机的串口通信接口程序等。
本文虽然对无线传感网下的氯气环境多参数监测系统一些应用基础性问题进行了研究和设计，并取得了一定的成果。然而系统还有一些环节需要进一步优化，主要体现在以下几个方面：
1、为了延长系统寿命，一方面需要进一步优化软件层的开发，另一方面可以选择太阳能等新能源供电，解决能耗问题。
2、组网类型比较单一，不利于设备的扩展，需要进一步完善无线传输协议，开发树状和网状拓扑结构。
总之，本文的研究成果和结论是基于无线传感器网络的后续氯气环境多参数监测系统的实际应用，为推进我国氯气安全监测的信息化、自动化、智能化提供了一个有效的新思路。
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