基于GPRS与无线传感器的石化泄漏源定位方法研究

苑苓苓，郑勇峰，李红升

（天津渤海职业技术学院，天津 300402）

基于GPRS与无线传感器的石化泄漏源定位方法研究

苑苓苓，郑勇峰，李红升

（天津渤海职业技术学院，天津 300402）

为了及时发现石化泄漏源，本文采取了基于GPRS与无线传感器的石化泄漏源定位系统，系统主要由监控中心、远程控制终端和无线传感器节点组成。无线传感模块具有采集、收发信息数据等功能，并在一定范围内组成本地网络，数据传送给远程控制端。监控中心与各个远程监控终端之间的通过GPRS进行通信。通过简单软件设置，可实现实时、多级控制等不同模式，达到及时监控气体、液体泄露，快速处理泄露事故。

GPRS；无线传感器网络；泄漏源

一、引言

化工企业是高危行业，危险化学品在生产、运输、存储保管等过程中均易发生泄漏事故，一旦发生剧毒化学品、危险品、易燃品等出现泄漏等事故，造成后果将不堪设想，不仅严重危害国家和人民生命和财产安全，而且对生态环境造成了长期破坏[1]。

为了检测化学危险品的泄漏，国内外对气敏传感器进行了深入研究，并研制成功了可以检测多达100余种化学危险品的商品化传感器，主要类型有半导体传感器、固体电解质传感器、高分子传感器、接触燃烧式传感器等。目前在国内，其主要应用在以下三个方面：（1）、监测报警：安装在化学危险品的生产、储运、使用等场所中，及时检测危险品的含量，并进行报警。（2）、化学危险品的种类或特性检测：采用具有不同敏感特性的传感元件组成传感矩阵，对泄漏的化学危险品的种类和浓度进行识别和监测，其工作过程为：进入事故现场、吸附样品、传感元件产生信号、计算机信号识别、性质、输出气体种类、毒性及处置方案。主要用于确定警戒区域，抢救中毒人员等。（3）、寻找泄漏点：采用智能传感器，利用计算机处理传感元件的信号变化，检测其浓度变化，从而找到泄漏点。也有采用传感器与图像识别技术相结合，利用遥控技术进入事故现场，查找泄漏点的位置[2][3]。

针对传统危险气体泄漏源检测定位方法的不足，以及化工设备泄露点比较多，输油管道较长的特点，本课题拟研究借助分布的无线传感器自主地进行危险气体泄漏源定位，并利用高效的搜寻算法，迅速、准确的找到气体泄漏源。并把检测到的泄露情况通过GPRS发送到监控计算机或者手机上。并能对泄露情况进行自动处理。

二、系统理论依据

通用无线分组业务（英文译作-General Packet Radio Service）也就是通常大家常说的GPRS，它是在2G移动网络系统基础上的无线的分组交换的技术，提供广范区域的、点到点的通过无线网络互连协议的连接。也就是，GPRS是广泛数据处理的、高速度传输的技术，具体方法是通过将信息划分成不同的组别同时将信息资料快速通过无线网络传送到客户端上。GPRS是现有2G移动网络系统提升为新一代移动通信技术的过渡技术，虽然将被替代但是其明显的优势在众多方面表现非常好。

无线传感器网络的技术难度较高、所需知识的密集度也较高，是一项具有计算机技术、电气自动化、仪表自动化、通信技术、软件技术、无线传输技术、现场总线技术、传感器技术、信息处理技术等众多学科高度融合的领域。它能够把物体感知、实时监测、采集监控测量信息通过大量不同的集成化的微型、小型传感器，以自组织、多地址网络，并利用无线方式传送至用户的终端。这种无线传感器网络技术目前备受国内国外关注。

此网络的工作方式是在监控需要的不同地方，布置好各种不同功能的传感器，已形成多个单元节点，所有的节点通过自组织的方式以最短时间迅速形成一个无线网络。各节点包含的各种硬件设备比如传感器、通讯模块等，他们在内置的各种不同功能的传感器的帮助下，负责采集所探测地方的各种信号，探测诸如声、光、噪、气、压力、湿度、温度、酸碱度、含氧量、有毒气体等的情况、分布、危害程度等所需的事情。

在这个无线网络中，当中的节点是具有采集所需信息的作用，同时还得将采集的信息共享上传到其他节点或上位，除此之外节点还具有上传下达的作用也就是路由的功能，它将采集的数据通过多地址路由到网关，然后再路由到监控指挥中心。

该网络由于优点突出，能够达到传输网络广覆盖、容错性高、冗余量大以及自组织、测量精度高等优良性能，以及其建成网络成本较低、搭建网络可靠、灵活方便等的特点，所以其在工业控制领域、计算机应用及通讯领域以及一些民用设施领域应用前景非常广阔。

基于通用无线分组业务（GPRS）与无线传感器网络的定位方法检测定位石化泄漏源，具有非常重要的实际意义。它可以将传感器节点在不同监控区域测量出的节点自身位置所在地放的信息，通过将各种传感器信息的整合，用以增强应变能力，降低事故的发生。

三、系统结构

基于GPRS与无线传感器的石化泄漏源定位系统，主要由监控中心、无线传感器节点、远程控制终端、基站构成。如图1是本系统的结构框图，对于化工设备的关键部位如接头、阀门、机械密封、垫片、密封填料、玻璃观测窗、检查口、计量仪表等处安装传感器节点负责检测气体、液体、阀门的运行，通过接收无线传感器发送来的指令，来确定泄漏源的位置，执行开、关阀门的操作，快速处理泄漏事故。由于传感器节点受电源的限制，电源如果为交流电则需进行现场布线，那么将对系统的成本造成很大的上升；如果电源为直流电，供电时间较短，因此一定范围内的无线传感器作为一个节点，节点与节点之间采用多跳通信协议相互通信。同一范围内的传感器节点形成一个本地网络，远程监控终端对管道内流动液体的状态进行检测、控制，并在本地网络中起中间节点的作用，其目的是负责向监控中心传输本地网络的传感器的参数数据等。同时无线传感器也能够独立于主监中心工作，主监控中心的硬件由电脑、不间断电源和打印机等设备组成。软件部分由SQL Server数据库、泄漏源定位管理软件组成，系统支持Internet 网络的发布功能，方便用户在异地对化工设备泄漏源进行定位和处理。

四、系统软件设计

系统的软件采用VC++和IFIX相结合的方式。IFIX是具有现场数据采集、过程监控和过程可视化的工业自动化控制系统，在自动化控制领域广泛应用于石油行业、化工行业、电力、机械、医药等众多行业的过程控制。在开发过程中，如何从自动化软件中进行实时数据的读取是重难点，本软件设计使用VC++调用IFIX的库文件，并对同步传输的分厂数据进行读取的方法完成监控。

IFIX应用了微软的系列工业标准，是全球领先的自动化监控组态软件，IFIX的分布式、客户/服务器结构具有可灵活构造的服务器（SCADA Server）和客户端。IFIX是一个集成的完整系统，每台计算机有自己的名字，每个数据项都有自己的名字。IFIX网络中数据的读取都通过标识数据采集与监视控制系统。

IFIX包含了各种功能专家、动态对象工具、图形工具。为方便开发画面，用户可以根据需要调整工具栏大小及放置常用工具按钮。

IFIX还支持动态数据交换、OPC服务器协议、开放式数据库、COM和分布式COM、VBA等技术，具有强大的开放性。其中动态数据交换是基于Windows应用程序与交换数据之间的一种协议，可以从一个应用程序到另一个用用程序传递数据，其传送者是动态数据交换服务器，接受者是动态数据交换服务器客户端。由于IFIX提供了动态数据交换服务，所以只需开发动态数据交换的客户端程序就能从IFIX中读取实时数据，非常简单、安全。

VC++又提供了动态数据交换（DDE）的管理库，本身就是为DDE设计的一个应用程序编程接口。在VC++中首先定义一个全局数据组，用于保存实时数据，然后再用有关函数初始化DDE，再由系统调用DDE自定义的回调函数，用来通知各种时间的发生，最后用相关函数启动与服务器的联系，然后再用函数与服务器建立热链接捕获消息，该消息中的一个数据项的值变化时通知客户端并用相关函数取得数据，保存到定义好的实时数据组中。至此，也就实现了从IFIX读取实时数据的功能。

动态数据读取后，编制控制中心的软件后，就可以显示化工设备的运行情况，当发生气体或者液体泄漏时，能够快速确定泄漏源并对泄漏源进行处理。

主监控中心软件的功能流程框图，如图2所示首先对无线传感器采集发送来的数据进行分析、归整，然后通过上位机的动态显示界面，向用户实时显示当前无线传感器的运行状况和相关信息，同时具有存储、查询和打印分析这些信息的功能，当检测到有故障发生时，会及时在动态监视屏幕上出现报警信息及警告声音，提醒工作人员对发生的泄漏信息进行及时处理，工作人员若不在，自动启动事故处理应急方案，自动关闭掉相关阀门，并给工作人员发送短消息。工作人员得到短消息后，登陆化工设备泄露监控系统也可对泄漏进行相关处理。

图1 系统框图

图2 主监控中心软件功能流程图

五、无线传感器网络的网关功能

无线传感器网络（简称：WSN）中网关作为关键，它负责网络间协议的转换、网络路由和网络数据处理等重要任务，是网络间连接的纽带。所以设计出好的网关节点是整个WSN中的重要部分。

“WSN”的网关节点要达到计算能力强、数据吞吐量大、存储能力高的特点，而且传输范围还要比传感器网络的节点大得多，这样才能保证大量的数据传输到外网的监控指挥中心，也才可以作为整个无线传感器网络数据的输出端口使用。

另外，网关节点的GPRS通信模块，通过标准“RS-232”串行接口，，使用调制解调器命令完成对模块的操作，完成GPRS的无线拨号与互联网相连接，长期时刻在线、登陆迅速、按流量大小计费等不可比拟的优势。

因此，它应主要承担以下作用：

对从各传感器节点接收的数据自适应地启动数据融合算法，降低数据冗余度；

完成不同网络之间的协议转换；

处理来自监控中心的命令；

完成数据传输功能，在不同网络之间建立路由。

因此WSN网关要具备以下功能：

能汇聚接收来自无线传感器网络中传感器终端节点采集的数据；

能通过以太网将收集的传感器数据信息传输到远程监控中心；

能通过无线传输的方式将汇聚的传感器节点信息传输到监控中心；

能以短信的形式提示定期发送无线传感器网络当前状态；

具备网关实时显示当前系统所处的状态（即状态显示功能）；

能负责无线传感器网络的构建与维护；

能接收监控中心的采集命令，将无线传感器网络当前信息发送到远程监控中心；

能显示接收节点的编号和能量状态信息；

软件需求上选用便于移植、可修改的嵌入式操作系统，支持TCP/IP协议栈，应用层支持WSN数据的接收、协议转换、转发等功能。

六、结束语

本文设计和实现了一个基于无线传感器网络的化工设备泄漏源定位系统，该系统设计方案组网成本低，网络易维护，将其用于化工设备泄漏检测系统可以实现智能化管理，可对泄漏事故及时进行处理，具有良好经济效益。同时可为工厂数字化管理提供一种崭新的通讯平台，具有广阔的应用前景以及社会效益。

[1]任丰源,黄海宁,林闯.无线传感器网络[J].软件学报,2003，（12）.

[2]黄志强,韩月霞,周茂.基于GPRS-Internet 的城市路灯远程监控实现[J]．微计算机信息，2007,（01）.

[3]李露曦,鄢楚平.基于TinyOS 的无线传感器网络平台的实现[J]．微计算机信息，2008,（03）.

Research on Identification of Petrochemical Leakage Source Based on GPRS and Wireless Sensors

YUAN Ling-ling, ZHENG Yong-feng, LI Hong-sheng

（TianjinBohaiVocationalTechnicalCollege,Tianjin, 300402）

To identify the source of petrochemical leakage timely, this paper adopts the identification system of petrochemical leakage source based on GPRS and wireless sensors. This system is composed of monitor center, remote control terminal, and wireless sensor nodes. The wireless sensor module can collect, receive and send information data, and form the local network within a certain range to transmit data to the remote control terminal. The monitor center communicates with each remote control terminal through GPRS. Through simple software configuration, real time control and multiple-level control can be achieved to monitor the gas and liquid leakage and deal with leakage accidents immediately.

GPRS; wireless sensor network; source of leakage

2015-04-03

苑苓苓，女，天津市人，天津渤海职业技术学院机械工程系主任，副教授、高级工程师，研究方向：机电一体化、自动化、计算机科学；郑永峰，男，河北省，天津渤海职业技术学院机械工程系副主任，副教授、高级工程师，研究方向：机电一体化、机械制造与自动化；李红升，男，天津市人，天津渤海职业技术学院讲师，研究方向：计算机、机电、自动化、仪表等成套系统的研发、教学等工作。

TP393

A

1673-582X（2015）05-0099-04