近年来，在石化和煤炭行业频繁发生事故，而大部分煤炭或化工行业对危险源的监控采用有线系统，维护困难，布线不便，二次开发成本高。针对现状，分析危险源监控系统需求，提出一种基于ZigBee技术的危险源监控系统方案。以无线数据采集和传输代替传统有线数据采集和传输，改善并提高传统有线监控局限性，为后续子系统提供方便可靠的数据传输链路。设计并给出了适合无线监控系统的拓扑结构，采集网络，传感器选择及上位机需求。

危险源监控系统方案设计
1引言
随着计算机技术，通信技术与网络技术的飞速发展和普及，特别是嵌入式计算机技术和传感器技术的广泛应用，具有感知能力、计算机能力和通信能力的微型传感器开始在世界范围内出现。无线传感器网络系统综合了传感器技术、嵌入式技术、计算机技术、分布式信息处理技术和通信技术，能够协作的实时地监测、感知和采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的信息，并对这些信息进行处理，获得详尽而准确的信息，传送到需要这些信息的用户，是当今前沿性的热点研究方向之一，有着巨大的科学意义和应用前景。工业领域在现代化进程中通过引入各种先进技术，实现了劳动生产率的提高和生产成本的下降。特别是数字电子技术和通信技术的发展和应用，工业自动化系统水平获得了很大的进步。许多大型企业，例如石油化工企业，生产地域分散，业务分工复杂，生产环境恶劣，甚至气体污染，易燃易爆十分危险等，这些环境只有采用无线通信方式才是解决问题的优化方案。这样，可以使得控制中心的安装，维护管理更为简单，生产控制系统更为稳定，从而达到提高石油化工产品的生产效率和安全性。
2 需求分析
本系统主要面向石化行业中存在易燃，易爆，腐蚀性，有毒气体的生产车间或环境进行监控系统软硬件设计。在系统开发前,综合分析实际应用特点,利用有利条件,回避不利因素。需要对本系统提出以下需求：
(1)监测关键的环境参数，包括温度、湿度、一氧化碳、氧气、甲烷、烟雾等；
(2)监测机电设备的运行状态，包括工作电流、工作电压等参数；监测车间区域变电所电网电压、负荷电流、功率、电度等电量参数；
(3)预警与报警,如瓦斯、温度、一氧化碳超限、电流超限等进行报警；报警信息的显示与提示，如报警值、地点、报警时间、声音提示等；
(4)根据警情，联动控制，保证最短时间内排除警源；并对相关部门发布数据，实现远程监控。
3 设计原则
针对上述需求，考虑到危险源区的复杂环境，从系统的构建到采集数据的精确性，实时性，可靠性，安全性，先进性及易用性和可维护性提出一定要求：
(1)精确性 采集的数据应尽可能精确，反映各种气体状态随环境变化而变化的过程；
(2)实时性 实时的反映机电设备运行状态与危险源气体变化的走势，是每个监控系统的必然要求，保证以最快速度发现问题和解决问题。
(3)可靠性 可靠性是衡量系统质量的重要指标。包括系统的软硬件，数据的真实性，当然，可靠性的验证是在一定条件下，一定时间内完成的。
(4)易用性和可维护性
系统建立在应用场合中，应达到便于安装，便于使用和便于管理的目的。只有使用起来方便简单，推广才更有价值。在危险源一般的环境中，作业难度都比较高，对于系统的维护提出了更高的要求，要经济，短时，可靠的对系统进行必要的维护。
(5)安全性
安全性是指系统在正常工作或发生故障的情况下，不会对系统本身以及外界事物带来危险或灾难性的后果。在系统设计中，要充分考虑怎么能将整个系统运行于危险源环境之中。
(6)灵活性和可扩展性
灵活配置的能力和与其它系统兼容的能力是现代系统设计必要考虑。能够对系统的规模、功能及处理能力进行升级并且能够有标准的模块接口作为后续研究和开放式的配合效果，则更能充分的展现和壮大系统。
(7)先进性
系统的先进性是对系统以上指标的综合评价，需要先进的软硬件环境、先进的设计技术、完善的设计和分析理论来保障。
4 框架设计
在目前的安监系统中,采用的基本上是以光纤为骨干的有线网络。这种有线网络具有传输稳定,在区域布线方便等优点。但对于一些特殊区域,如腐蚀严重的或正在采煤或掘进的工作面区域等,这种传输方式还是很不方便。然而这些区域却往往隐藏了大量的潜在危险源。事实上,当车间发生事故后,有线网络很容易受到致命破坏,不利于车间环境探测与人员搜救。以ZigBee网络为基础的随机部署、自动组网的无线传输方式可以很好地解决车间内通信的问题。车间外系统采用有线网络,保证传输质量和速度。将这两种网络结合起来,发挥各自的优势,可满足实际生产车间的安全监控需要。系统采取统一监测、综合分析的方法，实现对车间生产过程的监测与预警。通过ZigBee 智能无线传感网络，对生产过程、设备与开采环境等数据实现自动采集。包括温度、湿度、一氧化碳、氧气、甲烷、烟雾等对车间安全生产具有重要影响的环境参数的采集；车间各种运行设备状况数据的采集；人员、矿车行动轨迹数据的采集。实时灵活的无线传感网络确保整个监控区域的各种信息的数字化，采集到的各种数据通过网关上传送到地面数据库，对数据进行统一分析，利用专家系统和BP 神经网络算法以及一些规则库对可能存在的安全隐患和灾害进行判断与预测，实时地指导生产过程；对可能存在的安全隐患和灾害做出及时的补救，并做出相应的告警，确保矿井高效安全生产。整个系统的工作示意图如图1 所示。

图1系统框图
5 系统组成
在应用研究中，系统参考自下而上的方法，确定现场实际需求的ZigBee采集网络，将数据通过网关传输至存储器，利用各种库的信息提供给分析者，通过上位机和远程监控完成管理控制，整个系统涉及无线传感器，电子信息，计算机技术等多学科，并涉及各种数据处理与融合理论，结构复杂，整个系统如下：
(1)采集区域： 由ZigBee 无线传感网络覆盖整个危险源所在生产区域，包括固定数据采集节点和移动数据采集节点,这些节点分别被部署在车间各个需要监测的点位上， 保证生产过程和生产环境状态实时信息的数字化，为本系统提供可靠一手数据。
(2)传输部分： 利用zigbee网关与上位机相接，将采集到的数据实时准确的传输到上位机数据库，为上位机专家库，BP识别等提供采集数据，事实上，传输部分即为无线和有线数据通路的接口部分。
(3)存储部分：对监控区域采集到的数据进行存储和更新，并有事先存储的各项指标参数信息、事故信息、预警信息等，通过专家系统，数据库等存储，为分析控制区提供信息。
(4)分析控制层：利用存储层提供的采集数据和各种库、规则、模型分析当前的实际的生产情况，对各种险情进行报警，各种隐患进行预警，并根据警情对实际生产过程进行联动控制，及时地排除险情和隐患。本层并提供事故分析和评价的功能。实现了生产的监测与监测、事故的识别与分析、隐患的分析与报告、警情的预警与防范、信息反馈和事故评价。
(5)用户交互层：良好的上位机界面,实时监控和处理各种信息，可以通过Internet 上传各种信息和下达各种命令，方便管理者监视监控区域的安全状况，并进行远程监测。整个系统的组成如图2。

图2系统组成图
6 采集网络
ZigBee 网络支持两类物理设备,即全功能设备(FFD)和精简功能设备(RFD) 。一般来说, FFD 支持任何拓扑结构, 可以充当网络协调器, 能与任何设备通信; 而RFD 只适用于星型网络拓扑结构, 不能充当网络协调器, 只能与FFD 通信。在任何ZigBee 网络中必然存在网络协调功能设备和精简功能设备, 前者可与任何设备通信, 用于协调建立网络; 后者因其内部功能结构简单, 上层应用少, 某些仅仅包含IEEE 标准的协议。基于ZigBee 的系统网络包含含传感器的终端节点，路由器节点和网关节点。
结合实际，ZigBee所支持的三种网络当中选择网状网拓扑结构。
若网络节点总数不大，可采用图3所示网络，在协调器内集成协议转换模块形成网关，直接和上位机相连。

图3车间内部危险源监测图
对于一个监控网络，要想尽可能监控到多的点的状态，需要在很大的覆盖区域内构建无线传感器网络，此时网络节点数目就可能会很庞大。虽然在ZigBee规范中，一个协调器可以控制65536个节点，但是，当网络节点数很多时会导致各个节点发送数据的时间相差很长，耗能相差悬殊。如果为500米的传输距离，而每两个相邻节点接传输距离最远为50米，从网关到终端就需要10跳的过程，如果网关周围的支路很多，最终由最远终端经过10跳而到达网关时，靠近网关的路由器始终在高能工作，能耗很大，且加上其它近跳的传输，这些路由承担的中继任务很重，时间就会很长，最终会因负担过重而造成节点能耗衰竭，对于要求稳定的网络系统中，这种结果不被希望出现。如果将ZigBee无线传感网络使用在一些室外恶劣环境中，或是障碍物多的环境中，那一跳之间的距离更短，从终端到网关的路程更长，跳数更多，数据传输时间更长，临近网关的路由承担中继次数和数据量更大，容易造成数据丢失或延迟等带来丢包率上升，实时性降低的结果。另外，因为使用竞争接入CSMA/CA机制，加上数据重传，相同的帧在接入过程中会多次挤占信道，效率下降，也造成数据传输时延。
为解决上述问题，提出如下思想：
将节点很多的一个网络分成数个信道不同的子网络，各个相邻的子网络通信信道不同，不相邻子网络的信道可相同，每个小网络内使用同一个信道，每个网络由一个协调器来管理，各个网络之间通过协调器通信，协调器通信使用同一信道。协调器和网关之间使用另外一条信道通信。
具体做法：
在一个网络中，将相邻路由的通信信道设置成不同频率，使用不同信道，尽可能充分利用 IEEE.802.15.4 中通信信道，在频率2.4GHz时,速率250k/s，有16个信道，可将信道设置在2.4GHz所在的3-16信道。与路由较近的终端设置成与路由相同的信道，以便路由和终端通信，根据需要，可将几个路由都设置成同一信道，然后配置一个协调器管理同一信道的路由和终端，形成一个子网。子网与子网之间通信通过协调器通信，采用信道2。协调器与网关之间通信采用信道1。
这样，传输数据时找到相同信道的通信线路才能传输，而相邻信道不同，分化了同一个路由承担多路中继的任务，很大程度上减轻了单个路由的负担，解决了因同信道而竞争接入效率下降的结果，也提高了数据传输的实时性。
图4为不同信道示意图。

图4不同信道信息采集图
7 传感器的选择
本系统针对危险源中最易发生问题的各种信号进行数据采集，包括温度、湿度、一氧化碳、甲烷、烟雾等，相应的传感器选择为能够处理这些信号的硬件传感器。对于其它信号的采集，可以利用CC2430芯片内的ADC外接传感器，通过命令，将传感器数据采集并上传。
8核心处理器和协议的选择
考虑系统采集方案，需要短距离，低成本，大容量，高反应速度的采集芯片，经过比较与调研，选择由TI公司生产的CC2430芯片作为核心处理器，应用ZigBee 协议。
CC2430芯片以强大的集成开发环境作为支持，内部线路的交互式调试以遵从IDE的IAR工业标准为支持，得到嵌入式机构很高的认可。它结合Chipcon公司全球先进的ZigBee协议栈、工具包和参考设计，展示了领先的ZigBee解决方案。其产品广泛应用于汽车、工控系统和无线感应网络等领域，同时也适用于ZigBee之外2.4 GHz频率的其他设备。
8.1 CC2430芯片的主要特点
CC2430芯片延用了以往CC2420芯片的架构，在单个芯片上整合了ZigBee 射频(RF)前端、内存和微控制器。它使用1个8位MCU（8051），具有128 KB可编程闪存和8 KB的RAM，还包含模拟数字转换器(ADC)、几个定时器（Timer）、AES128协同处理器、看门狗定时器（Watchdogtimer）、32 kHz晶振的休眠模式定时器、上电复位电路(Power On Reset)、掉电检测电路(Brown out detection)，以及21个可编程I/O引脚。
CC2430芯片采用0.18 μm CMOS工艺生产，工作时的电流损耗为27 mA；在接收和发射模式下，电流损耗分别低于27 mA或25 mA。CC2430的休眠模式和转换到主动模式的超短时间的特性，特别适合那些要求电池寿命非常长的应用。
8.2 ZigBee 协议
ZigBee采用IEEE802.15.4标准，利用全球共用的公共频率2.4 GHz，应用于监视、控制网络时，其具有非常显著的低成本、低耗电、网络节点多、传输距离远等优势，目前被视为替代有线监视和控制网络领域最有前景的技术之一。
9 上位机功能设计
按照系统需求，上位机应能完成对下位机的命令发送，数据收集，并能从收集的数据中分离多种采集数据，并将数据存储于本地数据库中，实时显示必要的监控波形，实时根据数据变化情况利用数据模型，专家库组织产生决策值，即时发布联动控制命令，实时了解采集网络中各个节点的运行情况，实时监测网络的拓扑结构。
考虑以上因素，对上位机的设计选用VC++6.0 做开发平台，ACCESS 2000做数据库支持。

第十二届“挑战杯”作品 三等奖
1.甘肃省第八届挑战杯获奖
2.应用于甘肃省长征煤矿，并获得兰州市2010年度科学技术进步二等奖