高集成度无线气体传感器节点设计

1、高集成度无线气体传感器节点设计 3李竞 ,冀铮 ,李 群(中国安全生产科学研究院 ,北京 100029 )摘 要 :近年来 ,由于高含硫气田井喷 、压力容器泄漏和沼气池维护不当等原因发生的有毒有害气体伤害事故发生较频繁 ,亟需集成无线传输功能 、易于快速部署 、具有一定防护功能的有毒有害气 体监测设备 。针对这种需求 ,本文设计并实现了一种针对油气田等复杂环境现场数据监测和采集的需求 ,集成气体浓度 、温度 、GPS信息等多种数据采集功能 ; 通过自组织的无线网络进行数据传输 ;集成电池模块 ,易于快速部署 ;具有一定防护功能的高集成度无线传感器节点 。该节点已通过 了“中国计量院 ”的气体采

2、集精度测试 ,已通过“电子工业安全与电磁兼容兼容监测中心 ”的外壳 防护等级测试 。并且已经成功在中国石油西南分公司试点应用 。关键词 :数据采集 ;有害气体 ;设备 ;无线传感器网络中图分类号 : X92413文献标识码 : 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作者简介 :李竞 ,男 ,硕士 。3 基金项目 :国家

8、“十一五 ”科技支撑计划项目资助 (编号 :2006BA K04B04 202202 ) ; 安 科 基 金 项 目 (编 号 :近年来 ,有 毒 有害 气体 伤 害事 故 发 生 较 频 繁 。比如 , 2003 年 12 月 23 日 , 位于重庆开县的川东北 气矿一个 所 属 气 井 发 生 天 然 气“井 喷 ”, 死 亡 上 百人 ;重庆天原化工总厂 2004 年 4 月 15 日晚发生氯A K2007 201 ) ; 国 家2007AA04 Z250)863 项 目 资 助 ( 编 号 :·50·中 国 安 全 生 产 科 学 技 术第 4卷气泄漏 ,并引发爆炸

9、 ,事故造成多名人员伤亡 ,更有十五万人被疏散撤离 ; 2008 年 6 月 26 日密云县开 发区内的北京铜牛瑞蓝制衣公司 ,接连发生沼气中 毒事故 ,造成工人 3死 8伤 。缺乏便携 、易用和适应 于恶劣环境的有害气体监测设备是造成上述严重事 故后果的重要原因 ,亟需研发一种具有无线数据传 输功能和有害气体采集功能 ,适应于恶劣环境的有 害气体监测设备 。模块 ,以及传感器防护外壳 。其中温度采集模块 、气体浓度采集模块 、GPS模块完成数据采集功能 ,进行 现场温度 、气体浓度和 GPS信息的采集 。无线数据 传输模块实现数据的收发 、转发功能 。计时器 、电源 管理模块实现传感器节点的

10、功耗控制功能 。微处理 器模块对其他功 能 模块 进行 读 写和 状态 控制 。见 图 2。2 无线气体传感器节点设计目标与模块划分2 11 设计目标针对有害气体伤害事故发生频繁 ,缺乏事故现 场有害气体高效采集方法的问题 ,本文设计和实现 了一种高集成度的无线传感器采集节点 ,下文简称 传感器节点 ,图 1 是该无线气体传感器节点的实物 图 。该节点的设计目标如下 。图 2 传感器节点模块划分图 1 无线气体传感器节点实物图3 关键模块和关键技术( 1 )电池供电 ,便于快速部署 ,通过无线通信方式远程采集现场监测数据 。( 2 )外壳满足国标 IP65 级的防护要求 ,适用于 野外环境和阴

11、雨天气 。( 3 )可 采 集 有 害 气 体 浓 度 、GPS 位 置 、温 度 等 信息 。2 12 节点模块划分根据传感器节点的整体设计目标 ,传感器节点 可以划分为 9个功能模块 :无线数据传输模块 、温度 采集模块 、气体浓度采集模块 、GPS模块 、微处理器 模块 、电源管理模块 、计时器模块 、电源管理和电池311 无线数据传输模块目前商用短距离无线通信技术主要包括 :红外 、 蓝牙 、W lan、Zigbee。表 1 对四种通信技术的传输距 离 、功耗 、成本 、网络协议支持和网络带宽等指标进 行了比较 。 Zigbee 技术满足温度 、气体浓度和 GPS 信息采集和传输对网络

12、带宽的要求 ,同时又具有功 耗和成本较低 ,网络协议支持较好的特点 ,因此本文 设计的传感器节点采用了 Zigbee 无线通信 技术 进 行远程数据传输 。第 6期中 国 安 全 生 产 科 学 技 术·51·表 1商用短距离无线传输协议比较表传输距离功耗成本网络协议支持网络带宽红外蓝牙WLANzigbee几十米几十米 几百米 ,可网络扩展几百米或几千米 ,可网络扩展较低较低 较高 较低较低较低 较高 较低本身不支持本身不支持 支持 ,实现成本高 支持 ,有成熟模块一般小于 1M b it1M 20M b it115M 100M b it256kb it3 12 气体浓度采

13、集模块气体采集模块一般由传感器探头和模拟 /数字 转换模块组成 。传感器探头的功能是将气体浓度等物理量转换为电流 、电压等易于进一步处理的电子信号 。模拟 /数字转换模块的功能是把电流 、电压等 模拟电子信号去躁 、放大 、数字化 ,转换为易于压缩 、 传输的数字信号 。传感器探头按照工作原理可分为电化学式 、半导体式 、光谱分析式等多类 。可以根据 需要 ,按照需求对成本 ,精度 ,和灵敏度的要求进行 选择 。本文设计的采集节点采用了电化学式的传感 器探头 。气体采集模块相对比较独立 ,本文重点考虑了 设计一个预定义的接口 ,定义 : ( 1 ) 电压 、电流等电 气特性 ; ( 2 )接口

14、读写协议 ; ( 3 )引脚顺序定义 ,机械 连接方式 。凡是符合该接口的探头都可以与本文设 计的节点连接使用 。3 13 微控制器模块微处理器模块的主要功能包括对无线气体传感 器节点的各个功能模块进行开关 、读写控制 ;对节点本身的睡眠 、唤醒等状态切换进行控制 ;处理数据发 送 、接收 、转发等网络协议 。微处理器与温度采集模块 、GPS模块 、气体浓度采集模块 、无线模块 、上位机 间采用串口的方式进行通信 ,微处理器模块通过使用串口复用芯片扩展微处理器串口的数量 。3 14 电源管理模块由于本文设计的传感器节点采用电池方式供 电 ,所以高效的对功耗进行控制 ,是延长传感器节点 工作时间

15、的重要手段 。本文采用了两种技术降低传感器节点的整体功耗 。( 1 )睡眠计时唤醒根据不同的应用 ,对传感器节点的数据采样频 率要求也不尽相同 。对于数据采样频率要求较低的 情况 ,可以通过将传感器节点定时转换到睡眠状态 , 关闭大部分模块的电源 ,然后再将传感器节点定时唤醒来降低传感器节点的功耗 ,增加传感器节点的使用时间 。本文设计的传感器节点包括一个独立供 电的时钟电路 ,定时对传感器节点进行睡眠和唤醒控制 。( 2 ) 根 据 需 要 对 各 个 模 块 进 行 细 粒 度 的 开 关 控制即使在传感器节点处于正常工作状态时 ,节点 的各个功能模块也无需全部同时工作 ,因此可以在 不影

16、响传感器节点正常功能的前提下 ,尽可能多的 关闭各功能模块 ,达到降低传感器节点整体功耗的目的 。本文设计的节点使用场效应管对各个功能模块的电源进行控制 ,对模块的访问采用 : 打开模块 电源 ; 模块初始化完成后访问模块 ; 关闭模块电 源 。只在模块需要工作时才打开该模块的电源 ,最 大限度的降低了功耗 。315 其他模块与功能本文设计的传感器节点还集成了 GPS定位功 能和现场温度采集功能 。 GPS信息便于对传感器节点采集的数据进行共享和增值功能开发 。通过集成的 GPS模块 ,传感器节点可以实时上报数据采集位 置的经度 、纬度和高程数据 ,使气体浓度 、温度等信 息与地理位置对应起来

17、 。4针对油气田等复杂环境的考虑411 外壳防护作为应用于易爆危险区或者恶劣环境的仪表 ,国际标准对其外壳的保护等级作出了规定 ,赋予一 定的代码 , 即 IP 等 级 号 。 IEC144 规 定 的壳 体保 护 等级由一个对应其抗外界物体冲击与穿刺能力及防 水能力的代码表示 。例如 : 本安型仪表测量电路板 不应从其壳体中取出 ,否则会违反 IP40 所提出的最 低要求 。保护等级由两位数字组成 ,在其前加上 IP 字样 。·52·中 国 安 全 生 产 科 学 技 术第 4卷表 2 IP防护等级数据意义表5 功能测试第一位数字第二位数字抗外界物体冲刺能力( 0 )无抗

18、冲穿能力( 1 )外界物体尺寸大于 50mm(特大 )( 2 )外界物体尺寸大于 120mm(中 )( 3 )外界物体尺寸大于 215mm(小 )( 4 )颗粒状外界物体 ,粒度大于1mm( 5 )危险性尘埃( 6 )穿透性尘埃 (仅适用于特 殊壳体 )防水能力( 0 )无防水穿能力511 气体采集精度测试本文设计的传感器节点在“中国计量院 ”针对H2 S和 SO2 两种气体作了气体浓度采集精度测试 。 通过使用标准气体 、标准气体稀释装置测试 ,传感器 节点的气体采集误差在 ±5 %以内 。512 外壳防护等级测试本文设计的传感器节点在“电子工业安全与电 磁兼容检测中心 ”做了外壳

19、防护定级测试 。通过使 用防尘箱测试粉尘进入情况 ,进行防尘实验 ;通过使 用标准实验喷嘴在多个方向上进行喷水实验 ,本文 开发的传感器节点通过了国标 IP65等级的测试 。513 传感器节点气井现场实地测试通过在中国石油西南分公司川东北气矿宣汉作业 区天然气井试气现场进行实验 ,本文开发的无线传感器节点的无线数据传输功能 ,自组网功能 , GPS采集功能 ,温度采集功能工作正常。在试气过程中出现了下雨的情 况 ,进行了防护外壳设计的无线传感器节点工作正常。( 1 )水自落下滴( 2 )水滴入角度为+ - 15°( 3 )水以 60°角度喷射( 4 )从各方面喷射( 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 预 先 商 定 的 方式浸入水中本文设计的传感器节点在进行外壳防护设计时 ,考虑了 下 列 问 题 : ( 1 ) 采 用 较 高 强 度 的 外 壳 材 料 ,增强了外壳的保护功能 ; ( 2 )内部进行了加固和 缓冲处理 ,适合在运动环境下使用 ; ( 3 )防护外壳可 以通过防水接线端子 ,防水开关扩展外部接口 ,便于 增加外置的传感器探头和无线天线 。设备整体符合国标 IP65级别的防护要求 ,通过 了权威机构的认证 。4 12 自组网和故障恢复( 1 )自组网 在需要进行有害气体浓度监测的现场 ,一般要求快速部署监测设备 ,并且监测设备的部署地点和 部署数量由现场的实际情况而定 ,因此要求设备能够自主配置 ,迅速投入使用 。本文设计的传感器节 点支持对相邻传感器节点采集的数据进行转发 ,传感器节点之间可以自主形成树状网络 ,对数据采集 现场进行网络化监测 。( 2 )故障恢