基于以太网和无线通讯技术的环境监测系统.pdf

基于以太网和无线通讯技术的环境监测系统 李 伟 陈 明 西北工业大学自动化学院, 陕西 西安 710072 摘要 针对油田、矿井和天然气井等能源开采现场复杂的地理环境, 对现场环境监测系统的安装、布局有严格的要求, 而且对环境参数的检测要具有很高的实时性。 结合无线通讯及以太网技术设计的环境监控系统, 以 MSP430F149为平 台设计的数据采集终端, 以基于 ARM9技术的 AT91SAM9261 为平台设计的现场控制器, 很好地解决了能源工业现场布 线困 难、移 动不便及远程监控困难的 缺点, 介 绍了系统的工作原理、组成、方案设计以 及现场控制器的软 件 设计。 关键词 ARM9 以太网 无线通讯 0 引言 在能源采集和加工现场对安全控制有很高的要 求,其生产环境要求安装各种毒气和可燃气等传感 器,以便在出现危险情况时能及时报警 , 并进行实时 现场控制和远程监控 。传统的现场控制系统通过现 场总线采集气体检测探头数据或直接采集模拟量 ,并 通过现场总线与远程控制单元交换数据和控制信息, 其存在布线困难 、 移动不便、 数据处理能力差 、 实时性 差和远程控制难度大等缺点。 随着无线通讯技术的迅速发展 ,在计算机技术领 域,微处理器技术得到了长足发展, 特别是在嵌入式 领域,ARM,MIPS 等处理器的发展使兼具低功耗和高 效执行速度的嵌入式系统成为可能。在数据通讯领 域,不受地域限制的以太网技术取得了迅猛发展, 特 别是无线上网的普及 ,使分布比较分散而且偏僻的能 源采集工业现场的异地监控成为可能 。根据这些技 术,设计了基于以太网和无线通讯的环境监测系统 。 1 方案设计 1. 1 数据采集终端的设计 用无线的数据传输方式可以解决传统 RS232、 RS485数字或 4～ 20 mA模拟通讯现场布线和移动困 难的缺点 。在无线通讯的频段上, 由于能源采集现场 环境中障碍物比较多 ,而433 MHz频段相比2. 4 GHz频 段,具有更好的绕射能力 , 所以在无线通讯上采用 433 MHz频段的无线通讯模块。 在无线数据采集终端, 由于采用电池供电, 能量 的有限性使设计必须考虑低功耗设计 。在微处理器 的选择上 ,IT 公司的MSP430F149 系列单片机具有很 低的功耗, 而且自带 12 位的 AD 采样接口。以微处 理器设计终端数据采集可以很好地简化电路 ,并且功 率消耗很少 。图 1 为数据采集终端原理示意图 。 图 1 数据采集终端原理示意 1. 2 现场控制器的设计 现场控制器除了能和多个数据终端进行无线通 讯外 ,还须具有如下几个方面的功能 1要能长时间对现场数据进行存储, 并建立数 据库 ; 2能够通过民用有线或GPRS 无线网络和远程 监控中心实现与以太网的链接 ,使远程控制中心能随 时监控现场情况 ; 3能根据现场情况实时报警 ; 4操作员能通过简单易懂的操作界面了解现 场情况,并采取相应的措施。 针对现场控制器实现的功能, 必须具有强大的运 算功能 的处理器。微处理器选 择 ATMEL 公司的 AT91RM9261芯片,它是一款基于 ARM9 的处理器。当 工作时钟频率为180MHz时, 其指令执行速度高达 200 MIPS,能满足系统低功耗设计的需要。大规模的 数据存储采用通用的 IDE 硬盘,容量为100G, 在现场 可以根据需要 ,更换为功耗更低、 启动速度更快的固态 硬盘。可以通过两种方式与以太网连接 一种是通过 GPRS无线方式; 另一种是有线方式。人机接口采用 3. 5寸触摸式 LCD。图2 为现场控制器原理示意图。 60 环 境 工 程 2008年 8 月第26 卷第4 期 图 2 现场控制器原理示意 2 系统功能的软件设计 现场控制器使用的AT91RM9261 自带MMU 存储 器管理单元 , 支持 Window CE 、Palm OS、Symbian OS 和Linux 操作系统等, 并具有统一的数据 cache 和指 令 cache 。考虑用户的使用习惯 ,软件开发采用和计 算机操作系统 Windows 界面相近的 Win CE 操作系 统。根据系统功能的需要将软件设计分为 3大块 1 数据采集终端的数据收集、 处理和显示,并根 据数据控制开关量; 2 数据库的维护 ; 3 远程监控中心可通过 Web 服务请求监控现 场情况,并能随时调用历史数据。 图3 为控制器收集数据及处理的软件流程图。 控制器定时检查 1 s 各个数据采集终端传输过来的 数据; 如果没有收到相应通道的数据, 则表明对应数 据采集终端已经发生故障, 将打开对应的故障开关; 如果控制器没有收到所有终端的数据, 则不进行数据 “危险”分析 , 直接打开所有故障开关报警并显示状 态; 如果收到的终端检测数据表明现场已经出现危险 状况 ,将会打开相应的“危险”开关并报警。最后将数 据检测终端的数据和状态显示出来 。 图 3 控制器数据收集及处理软件流程 图4 是数据库维护的软件流程图。控制器在每 次定时检查接收的数据时 ,如果接收数据的数值超出 一定的范围 可设定 ,就将新的数据信息加入到数据 库中 ,反之不加入数据库以节省存储空间。 图 4 数据库维护的软件流程 图 5是远程 Web 服务请求的软件流程图 。系统 接收到远程 Web 服务的请求 ; 对请求服务方进行身 份验证; 如果用户不合法, 系统结束 Web 服务请求; 如果请求方身份合法 ,将在网页上实时显示现场的测 量数据 ; 如果在服务中接收到历史数据下载服务请 求,则根据用户提交的参数 ,上传相应时间段的历史 数据。如果在服务中接收到中断 Web 服务的请求, 则退出Web 服务终端。 图 5 远程Web 服务请求的软件流程 3 实验分析 在石油钻井的应用中 , 该系统配备 16 个数据采 集终端 ,由于山地环境的限制 ,通过 GPRS 无线连接 以太网。在应用中, 控制器能稳定的在3 s内接收数 据采集终端的数据 ; 并且能迅速打开相应的开关, 延 迟不超过1 s。在远程监控中心通过网页观察数据 时,在网络通畅的情况下, 延迟时间不超过5 s。在系 统的安装调试过程中, 各个数据采集终端能很好布 局,所用的安装调试时间为传统现场监测系统的 1 3, 而且不影响原生产仪器的布局 , 拆卸过程也比原来 简单 。 4 结束语 实验证明该能源生产现场环境监测系统, 运行稳 下转第 64 页 61 环 境 工 程 2008年 8 月第26 卷第4 期 高,所对应的室内综合指数也高 。一般情况下 ,综合 指数比甲醛分指数小 。这是因为对室内环境 ,空气中 某一污染物偏大或偏小, 可能会引起室内空气质量综 合评价指数相应的变化, 所以尽管空气甲醛质量分指 数均为超标值, 但其他项目空气质量分指数偏小, 所 以室内空气质量综合指数值并不很大 。甲醛分指 数≤ 1, 综合指数均 1。也有个别情况, 甲醛分指数 与综合指数数值接近或略小, 主要原因是室内其他指 标相对较高,如 NH3分指数值高 。 装修年代久 ,室内空气质量综合指数相对较低, 其甲醛分指数一般也在 0. 5左右。 1甲醛分指数; 2综合指数。 图 3 综合指数与甲醛分指数的比较分析 将所采集样本计算的室内空气质量综合指数与 甲醛分指数的关系绘图进行比较 ,由图 4 可见 ,它们 之间呈线性关系 。 y 0. 4663x0. 3497; r0. 998 图 4 综合指数与甲醛分指数的关系 3 结论 采用最高分指数与平均分指数兼顾的空气质量 指数法的评价方法对室内环境质量进行评价表明 ,相 同类型、 相同装修时间的居室 ,其装修程度不同,室内 污染程度可能不同。随着装修年限的延长,综合指数 在逐渐减小 ,甲醛分指数也逐渐减少; 室内空气中综 合指数与甲醛分指数的曲线变化几乎一致,它们之间 呈线性关系 。 参考文献 [ 1] 国家环境保护总局, 中国环境科学学会. 室内环境与健康. 北 京 中国环境科学出版社, 2002 [ 2] 高红武, 梁红, 何咏梅. 居室环境污染调查研究. 昆明冶金高等 专科学校学报, 2002 3 30 -33 [ 3] 中国室内装饰协会室内环境监测中心, 中国标准出版社第二编 辑室. 室内环境质量及监测标准汇编. 北京 中国标准出版社, 2003 [ 4] 梁红. 环境监测. 武汉 武汉理工大学出版社, 2003 [ 5] 黄燕娣, 胡玢, 王栋, 等. 国内外室内空气污染研究进展. 中国环 保产业, 2002 12 47 -48 [ 6] 张虎. 改善室内空气品质的对策与措施. 住宅科技, 2003 11 44 -46 [ 7] 林善. 福州市室内环境污染情况调查和对策. 能源与环境, 2004 1 41 -42 [ 8] 白郁华, 陈旦华. 室内环境质量调查. 北京 原子能出版社, 1998 [ 9] 周中平, 赵寿堂 朱立, 等. 室内污染检测与控制. 北京 化学工 业出版社, 2002 作者通信处 高红武 650033 云南省昆明市 昆明冶金高等专科 学校 2007- 11-21 收稿 上接第 61页 定可靠,并解决了传统系统安装困难、 移动不便和远程 监测不便的缺点,并且能很好地访问、 存储和下载历史 数据,这为对历史事故数据的分析提供了很好的条件。 但是系统还存在两点不足 1 在网络不通畅的 情况下,远程监控数据更新延迟比较严重; 2 数据采 集终端由于采用电池供电 ,最差情况会不到 1 个月就 要换电池 。但是相比传统检测系统 ,可维护性有较好 的提高。该系统为环境监测的设计提供较好的参考。 参考文献 [ 1] 杜春雷. 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Keywords CAPS pyrolysis refuse incineration PRIMARY RESEARCH INTO DENSITY OF IMMOBILIZED MICROORGANISM PARTICLES Qin Yuntie Zhang Xiaoping Wang Xiu 51 Abstract It was discussed that several factors influencing the density of immobilized beads. The results showed increasing the proportion of sludge, changing the concentration of calcium chloride and reducing the diameter of particles, all could increase the density of immobilized parti- cles; altering barium chloride as immobile solution, adding materials such as sand or activated carbon etc. could effectively increase the density of immobilized particles. Keywords immobilization density floating fluidization wastewater treatment SAFETY OF MSWI FLY ASH AS A COMPONENT OF COMPOSITE CEMENTITIOUS MATERI- ALSShi Huisheng Kan Lili 53 Abstract Safety uation of MSWI fly ash used as a component of composite cementitious material was done from points of chemical s, surface leaching toxicity and leaching ratio of heavy metals. Results showedthat the heavy metals like Zn、Pb、Cr、Cd and Cu etc. Leached by water were rich in it. After being used as a component of composite cementitious material, mechanical properties met the usage demand and steady ratios of heavy metals inMSWI fly ash-cementmatriceswere increased. The capacity of hardened pastes resistance to long -term sur - face leaching wasbetter. The mineraladditives benefited the heavy metals immobilization. It can be postulatedthat MSWI fly ashwas a safe addit - ive used in cement matrix. Keywords MSWI fly ash heavy metals leaching mineral additives CALCULATION OF SOLVENT RUNAWAY IN VACUUM EVAPORATORANDCOLD TRAP APPLI- CATIONSong Zhiying Guan Shaoquan Wang Zhisheng 57 Abstract Mother liquid concentration is an indispensable process operation in pharmaceutical industry , and the measure for protecting the safety of heat sensitive matter was depressing itsboiling point invacuum operation system. Itwas demonstratedby engineering practice that the run - away solvent inmother liquidwas increasedwith anincrease in vacuum. Based on vacuum engineering theory , the runaway solventwasreduced ob - viously by looking for the reason and adding cold trap set in the original system. Keywords vacuum evaporation condenser amount of runaway cold trap THE ENVIRONMENT DETECTING SYSTEM USED IN THE ENERGY INDUSTRY BASED ON ETHERNET AND WIRELESS COMMUNICATION TECHNOLOGYLi Wei Chen Ming 60 Abstract For the complicated environment in the oil field, mine and gas well, the field environment detecting system must be strict with the installation, layout and the real -time for the environment detecting.It is shown the environment detecting system based on ethernet andwire - less communication technology , which uses the MSP430F149 to design the data -detecting terminal and AT91SAM9261 to design the controller. The system overcomes the disadvantages for the difficult wirings remote monitoring and inconvenient movement in the field of the energy indus - try. It was described in detail the schematic, structure and software design for the field controller. Keywords AR M9 ethernet wireless communication THE SYNTHETICAL UATION AND COMPARED STUDY ON INDOOR AQI Gao Hongwu 62 Abstract By monitoring the samples of indoor air, the data were obtained and analyzed. Then using the of maximum and average exponent, at the same time considering the exponent of air quality, the comprehensive exponent of indoor air quality and the partial expo - nent of aldehyde were uated. The relation of the comprehensive exponent and the partial exponent of aldehyde in the monitoring sam- ples was also analyzed. The results show that the comprehensive exponent and the partial exponent of aldehyde decrease gradually along with the increasing of fitment years, the variational curve of the comprehensive exponent and the partial exponent of aldehyde in indoor is almost same. The comprehensive exponent is linear with the partial exponent of aldehyde. Keywords indoor air pollution quality monitoring uation THE EXISTING PROBLEMS OF PRIMARY DEDUSTING SYSTEMS FOR CONVERTERS OF PANZHIHUA IRON AND STEEL COMPANY AND IMPROVEMENT MEASURES Huang Weiguo 65 4 ENVIRONMENTAL ENGINEERING Vol. 26, No. 4,August, 2008