探讨自燃物料危险性监测系统的开发

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一、系统硬件设计

1.设计协调器节点ZigBee协调器节点主要由CC2430系统芯片、射频天线、电源、晶振电路和串行接口组成。根据工业应用的实际需要，系统芯片接入的晶振电路能支持二至三种频率，并且具有定时、计数、复位等功能，在一定程度上减轻了控制器的工作量，提高了传送效率及准确性。串口通信采用同步串行通信方式，接口标准采用RS-422四线接口，其高输入阻抗及强大的驱动能力，满足了本系统连接多个节点的要求，实现了双向通信的预期目标。

2.设计路由器节点路由器节点设计的主要功能就是将转发传感器和其他路由器的数据，发送至协调器，作为传感器和协调器之间相互连接的枢纽。路由器控制端口与计算机相连接，实现了用户终端与路由器相互通信，并对路由器进行配置。

3.设计传感器节点传感器节点利用无线通信技术将采集到的温度数据进行融合和转发至处理中心，其基本组成有该节点由CC2430芯片、射频天线、通信模块和电源模块组成。电源用来为节点提供能量，是传感器节点的基础。因CC2430系统芯片内置有温度传感器，故可便捷、快速地转发监测到的温度值，降低了传播时间，但其不能实现系统所需低功耗、高精度的要求，可以新增一个温度传感器。对各模块功能及设计思路做如下简要介绍：

(1)数据采集模块：即传感器节点，安装在自然散堆物料内部多个监测点，通过ZigBee无线通信技术构建一个无线传感器网络（WSN），采用树形网络拓扑结构，对加入该网络的传感器节点进行温度数据采集和分析，并记录放的时间、地点，最终利用ZigBee无线传感器网络传至协调器处理中心。

(2)数据处理终端：即协调器节点，安装在控制室内，主要利用计算机系统将采集模块传送到的数据进行处理，与计算机数据库中的标准数据参数进行比较，从而定性提交监测结果，划分出危险等级，一旦发现危险源，并能够精准地确定出危险源的坐标，其基本信息直观地展示给用户，为用户决策提供依据。

(3)数据库更新模块：为了能够实现该系统在不同监测节点，不同自燃散堆物料类型的环境中的实际应用，可以将电脑数据库中的标准参数进行定时按需要更新，就基本满足了在不同监测位置、不同物料状态下、可以有对应的相关参数供用户选取。

二、系统程序设计

1.搜索和绑定

建立好基于ZigBee技术的无线传感器网络，将数据采集模块加入到该网络协议下，传感器会自动地搜索和绑定第一个建立通信的数据处理中心，如若未能发现处理终端，传感器将一直搜寻直至建立绑定。用zb_HandleOsalEvent()函数处理一个时间事件，该事件部分设置代码：该代码是为用户应用于未能搜索到协调器节点情况下的处理函数。可以发现，若未能建立绑定，那么数据采集设备将往复不断地的搜索和发送绑定请求。对于处理终端，当连接绑定成功后，协调器及上位机设备必须接受绑定，系统才能对传感器发送的绑定请求进行处理操作。

2.数据包的发送和接收

网络连接及建立绑定后，数据采集模块将依据用户设定的时间间隔采集温度传感器报送的数据，并对此通过函数zb_SendDataConfirm()函数作出应答指示。如若采集模块未能接受到其中一个传感器报送数据，那么采集模块将解除与其绑定，并再次进行搜索和连接绑定。通过函数zb_SendDataConfirm()函数完成用户定义的事件。

三、温度监测系统

自燃散堆物料温度监测系统是以物料区域为监测中心，结合温度传感器和基于ZigBee无线通信技术可靠的无线传感器网络，对加入该网络的自燃散堆物料区域的温度以及不同节点位置的温差等数据进行采集、分析和监测,同时绘出温度、气体浓度变化的折线图，反映温度、气体浓度变化的趋势，实现实时监测自燃散堆物料温度的细微变化,从而避免了有线网络的布线问题和成本问题，并最终构成操作简单、直观形象、快捷高效的自燃散堆热危险性监测预报系统。该系统能随时掌握自燃散堆物料热安全性状况，将收集的数据信息及时传送给监控中心进行分析研究,对温度异常变化及时预警和定位,以便使管理者做出合理决策并采取相应的指导措施，系统设计的整体构成。

四、系统测试

1.系统测试步骤

1）检查开发板电源、串口线以及外扩设备连接是否正常；

2）下载协调器代码到开发系统的表演板；

3）下载传感器节点代码到电池板；

4）用串口调试助手观察协议栈运行是否正常；

5）测试上位机软件，PC端能否正常接收数据以及能否将数据存到数据库中，可否正常画出曲线。

2.系统测试结果

1）系统的硬件测试系统的硬件测试包括对开发平台的电源、内存、按键、LED灯、串口，以及配套电路进行测试。下载各模块的程序后，系统各硬件均能正常工作。

2）协议栈的测试下载协调器模块到表演板、节点模块到电池板后，程序运行正确，从串口能正确接收到节点的地址以及所采集到的温度。

五、结论

经测试，该监测系统软硬件均能工作正常，可以精确地测量温度的变化，基本解决了现阶段自燃散堆物料成本高和不能实时监测等问题。该系统能实时掌握自燃散堆物料热安全性状况，将收集的数据信息及时传送至监控中心进行分析研究，对温度变化及时预警和定位，有利于管理者做出合理决策并采取相应的指导措施。

作者：刘纪稳尚泰单位：中南大学资源与安全工程学院