CN107545707A - 基于ZigeBee的工业环境危险气体泄漏检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明型公开了一种基于ZigeBee的工业环境危险气体泄漏检测系统。本发明主要可分为传感器节点构成的无线传感器网络、ARM平台的数据处理中心和基于云服务器的数据存储及监控中心三部分。为了提高系统的安装灵活性和检测的效率，降低部署成本和功耗，采用ZigBee技术搭建无线传感器网络，并在传感器节点中添加基于德州仪器的单电池管理芯片的太阳能充电功能。数据处理中心以ARM处理器为控制核心，实现数据接收、泄漏判定、数据上传云服务器、预警短信发送、数据显示同步进行，并结合同质传感器数据融合算法和片段异常检测算法，实现了对工业环境危险气体泄漏的快速、准确报警。

Description

基于ZigeBee的工业环境危险气体泄漏检测系统

技术领域

本发明属于无线传感器网络监测领域，具体涉及一种基于ZigeBee的工业环境危险气体泄漏检测系统。

背景技术

在全球范围内，燃气、石油、化工、冶金等行业每年有大量的可燃气体、毒性气体和苯、醛等有机蒸汽大量产生，这些危险气体的泄漏每年造成大量的事故，造成巨大的人员伤亡、经济损失和环境污染。随着国家安监总局对化工、危化品加工安全要求的不断严格，化工、危化品加工领域气体检测仪器仪表的用量逐年增加。

目前的泄漏检测系统大致可分为移动式和固定式两大类，其中分为移动式又有人工手持设备和移动机器人两类，固定式依据传输方式分为有线与无线两种。在大范围工业生产环境中获取危险气体的实时监测信息是一线员工安全的保障。目前市场上使用数量和种类最多的是手持设备，不同的厂家针对不同的气体和应用场景生产了各种手持气体泄漏检测设备，检测精度高，定位准确，但是需要巡检人员到易发生泄漏的区域进行检测，不能保证工作人员的安全以及实时检测。

移动机器人系统，可以通过监测区域内不断移动，达到替代人工实现检测的目的，该方案在环境复杂、有较大监测区域的工业生产环境中推广困难，不能对区域连续监测。传统的监测系统是由高分辨率的传感器和控制中心组成，通过大量电缆传输数据，成本高，部署不灵活，对原有环境改变较大，不适合大面积部署。近年来，无线传感器网络的发展迅速，具有成本低、部署灵活、可实时连续检测等优势。该系统典型的由多个传感器节点、数据处理器模块和后端显示构成，无线传输常采用ZigBee、WirelessHART、MiWi等规范。ZigBee技术是一种基于IEEE802.15.4协议标准的一种无线通信技术，具有短距离，低速率，低复杂度，低功耗和低成本的特点，在自动控制和远程数据采集领域得到广泛应用。

与常见的检测气体浓度完成泄漏检测的方式不同，近几年红外检测法和超声波检测法发展迅速。红外检测应用热成像和红外图像处理对泄漏进行检测，而超声波检测通过分析泄露出产生的超声波完成检测。在实际的应用环境中，上述两种设备往往需要安装在高塔上以便监测更大的区域，对环境中的遮挡、泄漏气压不足或有热源干扰的泄漏有一定的检测难度。

在气体泄漏的检测算法方面，传统的气体泄漏检测方法是设定一个固定的阈值(一般设置在目标气体爆炸下限的10％-25％范围)，当传感器检测到的目标气体浓度超过该阈值就发出报警信息。实际的工业环境范围较大，存在较多的阀门，甚至老化的管道，气体泄漏往往从小的泄漏开始发生。依靠单个传感器依据单一阈值在复杂的工业环境中易忽略一些小泄漏情况。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供了一种基于ZigeBee的工业环境危险气体泄漏检测系统。

本发明所采用的技术方案是：

本发明是基于ZigBee协议搭建无线传感器网络，运用基于同质传感器自适应加权数据融合算法和基于片段自相关函数邻近度的异常检测算法，实现对工业环境危险气体泄漏高效准确的实时在线检测，本系统由基于ZigBee技术的无线气体传感器子系统、基于ARM微处理器的智能监控平台和基于云服务器远程终端数据显示平台三个部分构成。

所述的无线气体传感器子系统放置在容易发生泄漏的位置，以便在发生泄漏后第一时间采集到泄漏气体的浓度信息。无线气体传感器子系统由多个无线传感器数据采集节点组成，每个无线传感器数据采集节点包括传感器模块、无线收发控制模块、数据处理模块和供电模块。传感器模块根据检测气体不同选择相应高精度的传感器。无线收发控制模块采用高度集成ZigBee无线收发控制的CC2530F256芯片和宽带阻抗匹配网络组成。数据处理模块是增强工业标准的80C51处理器，负责接收智能监控平台的控制命令以及发送实时监测数据到智能检测控制平台。电源模块由锂电池、太阳能充电控制模块和稳压电路组成，太阳能充电控制模块由单输入单节锂离子太阳能电池充电芯片bq24210相应外围电路构成，负责为单节锂电池充电。

所述的智能监控平台以三星集团的S3C2440作为主处理芯片，平台系统由以ARM为核心的控制模块、ZigBee协调器模块、GSM/GPRS信息发送模块、网络数据上传模块、LCD触摸显示模块以及电源模块组成。无线传感器节点采集的数据通过无线传感器网络传送到ZigBee协调器模块，经由串口发送到控制模块，控制中心运行数据融合算法将多传感器数据做筛选和融合，融合算法的输出作为泄漏检测算法的输入进行分段和特征提取，经过算法分析判定得出是否泄漏的判定结果。网络数据上传模块负责将实时检测的数据以HTTP协议发送到云服务器的数据库。当系统判定发生泄漏时，GSM/GPRS模块发送泄漏发生警报信息到维修人员和工厂工作人员的手机上，提醒工作人员尽快疏散以及维修人员处理事故，以减少人员和经济损失。

所述的云服务器远程终端数据显示平台由Web服务器和网页前端显示构成。WEB服务器负责存储ARM智能控制平台发送的实时浓度数据，并提供给网页前端显示。

本发明的有益效果：该系统数据测量稳定性好，测量精度高，传输性能可靠，系统可行。

附图说明

图1为工业环境危险气体泄漏无线监测系统结构；

图2为无线气体传感器节点硬件结构示意图；

图3为传感器节点软件运行流程图；

图4为监控中心结构图；

图5为泄漏检测过程中判定流程图；

图6为余弦相似度示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明。

将ZigBee无线传感器节点根据监测环境确定性的部署到易发生泄漏的位置，传感器节点部署完毕会组建无线传感器网络进行浓度的采集工作。节点将监测区域目标气体的浓度经过滤波后实时的发送到智能监控中心的ZigBee协调模块。协调模块通过串口将数据整理发送至智能监控中心完成数据融合和异常检测，并将实时数据发送至远程云服务器。当发生泄漏时，智能监控中心会发送警报信息到员工手机，保障生命财产安全。工业环境危险气体泄漏无线监测系统结构如图1所示。

单个无线气体传感器节点包括传感器模块、无线收发控制模块、数据处理模块和供电模块。硬件结构示意图如图2所示。无线传感器节点数据处理模块采用的是高度集成的CC2530F256芯片，它集成了业界领先的RF收发器、增强工业标准的8051MCU，可编程Flash存储器等强大功能，是一个真正的用于IEEE802.15.4，ZigBee和RF4CE应用的片上系统解决方案。结合德州仪器联盟业内高水平的ZigBee协议栈(Z-Stack^TM)，CC2530F256提供了一个强大完整的ZigBee解决方案。ZigBee协议基于任务轮询调度机制，将任务按优先级分配ID，并放入任务数组中存储。传感器节点软件运行流程如图3所示。本设计的传感器节点考虑到传感器的更换以及多传感器情况采用可插拔接口形式，所以后期不需要更换节点。采用10000mAh的锂电池供电，并配有德州仪器的bq24210单节锂电池太阳能充电模块。节点的数据处理模块通过自带的ADC转换功能将气体传感器采集到的反映环境气体浓度的电压量转换为浓度值(单位PPM)，在对浓度进行初步判定后将超过初设阈值的数据由ZigBee发送给协调器，由检测系统的智能监控中心完成最后气体数据融合和泄漏检测的判定。

智能监控平台以三星集团的S3C2440作为主处理芯片，平台系统包含以ARM为核心的控制模块、ZigBee协调器模块、GSM/GPRS信息发送模块、网络数据上传模块、LCD触摸显示模块以及电源模块组成。无线传感器节点采集的数据通过无线传感器网络传送到ZigBee协调器模块，经由串口发送到控制模块，控制中心运行数据融合算法将多传感器数据做筛选和融合，融合算法的输出作为泄漏检测算法的输入进行分段和特征提取，经过算法分析判定得出是否泄漏的判定结果。网络数据上传模块负责将实时检测的数据以HTTP协议发送到云服务器的数据库。当系统判定发生泄漏时，GSM/GPRS模块发送泄漏发生警报信息到维修人员和工厂工作人员的手机上，提醒工作人员尽快疏散以及维修人员处理事故，以减少人员和经济损失。监控中心结构如图4所示。

无线传感器网络中存在一定数量的传感器，考虑到运行过程存在个别传感器数据异常或出错问题，以及泄漏发生后，距离泄漏源距离以及检测到异常数据的时间差不同，各个传感器的数据不能分配固定权重进行融合，需要根据实际情况实时筛选掉不需要的数据，对距离泄漏远近且异常变动早的节点赋予较大权重。首先，计算不同节点数据之间的支持度，计算公式为：

d_ij(t)＝exp(-a(x_i(t)-x_j(t))²)

上式计算的支持度d_ij(t)在0-1之间，避免了非0即1的绝对性。在非泄漏状态下，多数传感器节点的数值接近，均为环境中的稳定无泄漏状态浓度。所以计算每一个传感器与其他所有传感器的支持度的均值作为自身的支持度，支持度越高权重越高。计算公式如下：

式中，s表示共有s个传感器，r_i(t)表示t时刻第i个传感器的平均支持度，c_i(t)表示t时刻第i个传感器的权重。

在发生泄漏后，距离泄漏源近或者较早检测到泄漏数据的传感器应该在泄漏判定中起更大作用，权重分配应该较高。一般情况下将最先发生数据波动的传感器作为基准数据，计算其他路传感器对基准数据的支持度。赋予支持度均值高，且变化波动稳定的传感器较高的权重，即与支持度变化均值成正比，与其方差成反比。计算公式如下；

式中，σ_i(t)，表示t时刻第i个传感器的支持度累计均值和方差。

最后每一路的传感器数据与各自的权重乘积并相加得到数据融合的数据。

在泄漏检测过程中，避免单个时刻数据异常导致误判，以时间序列作为检测单位，对数据融合的结果进行分段判定，将未泄漏状态下的数据作为参考序列，分段计算各自的自相关序列，并基于余弦角计算彼此的相似度。根据未泄漏状态下的相似度分布规律确定检测阈值。通过对比待检测序列与未泄漏状态的相似度与阈值的关系判断是否发生泄漏。判定流程如图5所示。

余弦相似度是表征两个向量的相似度，此处我们用来表征两个片段特征的相似度，余弦值越接近1，相似度越高。余弦相似度如图6所示。计算公式如下：

如此经过数据融合和片段异常检测算法后，系统可以判定当前检测区域是否发生气体泄漏事件。一旦系统判定发生泄漏，控制中心通过GPRS模块发送报警信息到指定工作人员手机，第一事件做出反应，避免造成巨大的人员和经济损失。智能监控平台运行嵌入式Linux系统，界面程序采用QT开发，串口通信、数据处理、数据上传多线程运行，执行效率高。

在实际的系统安装过程中，传感器节点的安装位置对检测效果至关重要。使用Fluent对气体扩散进行仿真模拟，为传感器节点的安装提供指导。Fluent是目前国际上比较流行的商用CFD软件包，与流体、热传递和化学反应相关工业，航空航天、汽车设计、石油天然气等领域使用广泛。经过Fluent对天然气泄漏仿真模拟得到目标气体空间分布云图。泄漏气体受风向影响在下风向堆积，传感器距离同一泄漏源相同距离，放置在泄漏口上风向的传感器节点无法检测或延时检测到浓度数据。因此在检测比空气重的气体时，传感器放置在下风向的泄漏源偏下方。泄漏源附近存在障碍物时，泄漏的气体沿障碍物绕行在障碍物前后分别形成较高浓度的区域，因此传感器应该布置在气体堆积的区域更易检测到泄漏。综上，在传感器布置阶段，应充分考虑风向、障碍物、泄漏气体密度等因素。

Claims (1)

1.基于ZigeBee的工业环境危险气体泄漏检测系统，其特征在于：基于ZigBee协议搭建无线传感器网络，运用基于同质传感器自适应加权数据融合算法和基于片段自相关函数邻近度的异常检测算法，实现对工业环境危险气体泄漏高效准确的实时在线检测，该系统由基于ZigBee技术的无线气体传感器子系统、基于ARM微处理器的智能监控平台和基于云服务器远程终端数据显示平台三个部分构成；

所述的无线气体传感器子系统放置在容易发生泄漏的位置，以便在发生泄漏后第一时间采集到泄漏气体的浓度信息；无线气体传感器子系统由多个无线传感器数据采集节点组成，每个无线传感器数据采集节点包括传感器模块、无线收发控制模块、数据处理模块和供电模块；传感器模块根据检测气体不同选择相应高精度的传感器；无线收发控制模块采用高度集成ZigBee无线收发控制的CC2530F256芯片和宽带阻抗匹配网络组成；数据处理模块是增强工业标准的80C51处理器，负责接收智能监控平台的控制命令以及发送实时监测数据到智能检测控制平台；电源模块由锂电池、太阳能充电控制模块和稳压电路组成，太阳能充电控制模块由单输入单节锂离子太阳能电池充电芯片bq24210相应外围电路构成，负责为单节锂电池充电；

所述的智能监控平台以三星集团的S3C2440作为主处理芯片，平台系统由以ARM为核心的控制模块、ZigBee协调器模块、GSM/GPRS信息发送模块、网络数据上传模块、LCD触摸显示模块以及电源模块组成；无线传感器节点采集的数据通过无线传感器网络传送到ZigBee协调器模块，经由串口发送到控制模块，控制中心运行数据融合算法将多传感器数据做筛选和融合，融合算法的输出作为泄漏检测算法的输入进行分段和特征提取，经过算法分析判定得出是否泄漏的判定结果；网络数据上传模块负责将实时检测的数据以HTTP协议发送到云服务器的数据库；当系统判定发生泄漏时，GSM/GPRS模块发送泄漏发生警报信息到维修人员和工厂工作人员的手机上，提醒工作人员尽快疏散以及维修人员处理事故，以减少人员和经济损失；

所述的云服务器远程终端数据显示平台由Web服务器和网页前端显示构成；WEB服务器负责存储ARM智能控制平台发送的实时浓度数据，并提供给网页前端显示。