物联网化工厂环境监测系统设计硬件子系统(附件)
基于物联网化工厂环境监测系统技术的应用可以提高化工厂周边有毒气体监测的实时性和高效性，是实现化工厂环境实时监测和构建范围性监测网络的有效途径。本系统是运用物联网采集并发送数据，系统硬件由传感器节点、路由节点、主节点组成，可以实现数据的自动采集和远程传输、现场及远程实时显示等功能。硬件采用CC2530无线模块以及气体传感器等通过Zigbee构成物联网，通过USB转串口将数据传送至上位机，上位机显示界面通过VS2012来实现。通过对系统的调试，系统能够正常工作，能够在现场和远程条件下对有毒气体监测，达到监测的目的。关键词 传感器，CC2530，Zigbee，物联网目 录
1 引言 1
1.1 研究背景及意义 1
1.2 国内外研究状况 1
1.3 课题研究目标 2
2 物联网基础理论研究 3
2.1 物联网概念 3
2.2 化工厂环境监测物联网选择 3
2.3 Zigbee技术 4
3 系统设计 4
3.1 系统功能结构 4
3.2 系统工作流程 7
4 系统各节点硬件电路设计 8
4.1 主节点硬件设计 8
4.1.1 CC2530模块原理图设计 8
4.1.2 LCD显示屏设计 11
4.1.3 USB转串口电路设计 12
4.1.4 电源模块电路设计 13
4.1.5 底板对应I/O口以及Debug口原理图设计 14
4.1.6 LED灯电路设计 15
4.2 传感器节点和路由节点硬件设计 16
4.2.1 传感器电路设计 16
4.2.2 其它模块设计 22
4.2.3 路由节点电路设计 22
5 上位机设计 22
6 系统调试 23
6.1 传感器节点、路由节点以及主节点调试 23
6.2 上位机调试 26
结论 28
致谢 29
参考文献 30
附录A 31
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3_5_1_9_1_6_0_7_2
> 4.2.2 其它模块设计 22
4.2.3 路由节点电路设计 22
5 上位机设计 22
6 系统调试 23
6.1 传感器节点、路由节点以及主节点调试 23
6.2 上位机调试 26
结论 28
致谢 29
参考文献 30
附录A 31
1 引言
1.1 研究背景及意义
进入21世纪以来，经济飞速发展，部分地区不规范的开发建设给环境造成了污染，尤其是一些化工厂对环境的破坏尤其严重，甚至出现了有毒物质泄漏的事故。中小化工企业面临的环境问题越来越突出，主要表现在污染较为严重。由于企业的不重视行为，加上受到资金、技术的制约，很多企业对污染的处理十分草率，环保形势非常严峻。因此，环保成为一项重要的基本国策，它是国家实现全面协调可持续发展的重要保证，政府部门和广大群众必须关注，控制和减少污染势在必行[1,2]。
传统的监测系统主要是人工控制，由于受到人物力、监测范围有限的限制，监测每月有固定次数，不能保证数据的准确性和时效性，难以实现对所测数据全时段和全方位的动态监测。近年来，环境在线监测方面的研发成果也比较多，但是这些产品基本上都存在一些缺陷，如监测数据单一、采集传输慢、智能化程度低、界面效果不佳以及不符合国家相关标准及综合性差等[3]。
物联网以感知、传输和分析处理信息为主要特征，通过在化工厂建立多节点的无线传感网络为基础，物联网感知层能够收集有害气体参数，传输层能够提供数据传输技术并提供数据处理处置的方法[4]。通过对采集的气体与国家允许排放标准的对比，实现有毒气体超标报警提示。通过感知化工厂有毒气体的变化信息，物联网可以实现对化工厂有毒气体的准确识别和及时预警，来有效降低环境污染事故带来的损失。
本课题利用气体传感器和CC2530的Zigbee网络组建物联网，并利用串口通讯技术实时显示化工厂有毒气体的情况。针对传统方法存在的造价昂贵、布线难、维护成本高等问题，基于Zigbee技术的物联网正好解决了应用于化工生产过程中遇到的问题，实时监测化工厂有毒气体，并将监测数据由传感器节点发送到主节点并传到上位机显示，这不仅提高了效率，而且与传统方法相比，具有低成本、对环境影响小、维护方便、布线灵活及对特殊位置大量布点等特点[5]。
1.2 国内外研究状况
国内外环保物联网研究项目的研究人员利用大量的传感器组建分布式无线传感网络，传感网络能够快速分布到河流、海洋、大气的物理环境中进行各种环境指标的感应，探测环境中物理、化学和生物变化的方式，提供实时的环境监测数据流，实时采集的信息通过无线传感网的自主跳传及长距离有线或无线传输，到达控制管理中心，再对信息进行存储、处理和分析应用，实现对环境信息的统计分析、模拟预测、影响评价和可视化表达[6]。
2006年，哈佛大学与美国BBN公司合作基于物联网的大气环境监测管理项目——City Sense，其目标是在马塞诸塞州的剑桥城构建世界范围内第一个全城无线传感器网络。借助路灯提供电能，研究人员在美国马萨诸塞州剑桥城的路灯上安装100 个无线传感器来实现自动化采集城市的环境信息，改变环境监测过去的工作方式。整个无线传感网由100个感知节点组成，每个节点都包含嵌入式处理器和存储板、Wi-Fi接口、无线收发装置，以及用于空气质量监测的传感器。
①传感设备：每个节点收集的信息包括气象参数和空气环境质量参数。其中，气象传感器测定参数包括气温、气压、相对湿度、风向、风速、雨量。
②网络互连：大部分传感器通过无线网状网络连接，少数通过有线连接的节点兼有网关的功能。
③节点状态信息与传感器采集信息一并传回中央服务器进行统一存储、分析及可视化处理[8]。
1.3 课题研究目标
本课题研究的是设计基于物联网化工厂环境监测系统。该系统可以解决早期时候人工采样化验分析的方式，解决这种方式带来繁重的工作量，解决监测不能实时性和准确性的问题，系统可以大大节约资源，提高生产效率，满足当今社会的发展的需求[9]。本设计基于Zigbee的物联网，离主节点较近的传感器节点直接将采集数据传到主节点，较远的传感器节点通过路由节点再传到主节点，通过协议进行无线传输，主节点一方面通过串口将节点发送的数据进行无线接收，另一方面通过串口将经过处理的数据发送至上位机。系统整体实现节点、主节点、上位机之间的数据实时传输。
本设计主要任务能够实现对CO、CH4、SO2、氨氮、氯化氢等气体的实时监测。完成传感器、传感器节点、路由节点和主节点的设计。最终达到对气体的实时监测的目的。
考虑到课题研究的意义在于适合中小化工企业的情况，设计方案必须要低成本，监测到的气体必须要实时监测、数据传输处理要快并且能够在现场和远程显示等。
2 物联网基础理论研究
本部分主要介绍物联网理论的基础研究，主要内容包括探讨什么是物联网的概念，接着介绍常见的物联网网络，根据本课题的需要选择适
1 引言 1
1.1 研究背景及意义 1
1.2 国内外研究状况 1
1.3 课题研究目标 2
2 物联网基础理论研究 3
2.1 物联网概念 3
2.2 化工厂环境监测物联网选择 3
2.3 Zigbee技术 4
3 系统设计 4
3.1 系统功能结构 4
3.2 系统工作流程 7
4 系统各节点硬件电路设计 8
4.1 主节点硬件设计 8
4.1.1 CC2530模块原理图设计 8
4.1.2 LCD显示屏设计 11
4.1.3 USB转串口电路设计 12
4.1.4 电源模块电路设计 13
4.1.5 底板对应I/O口以及Debug口原理图设计 14
4.1.6 LED灯电路设计 15
4.2 传感器节点和路由节点硬件设计 16
4.2.1 传感器电路设计 16
4.2.2 其它模块设计 22
4.2.3 路由节点电路设计 22
5 上位机设计 22
6 系统调试 23
6.1 传感器节点、路由节点以及主节点调试 23
6.2 上位机调试 26
结论 28
致谢 29
参考文献 30
附录A 31
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3_5_1_9_1_6_0_7_2
> 4.2.2 其它模块设计 22
4.2.3 路由节点电路设计 22
5 上位机设计 22
6 系统调试 23
6.1 传感器节点、路由节点以及主节点调试 23
6.2 上位机调试 26
结论 28
致谢 29
参考文献 30
附录A 31
1 引言
1.1 研究背景及意义
进入21世纪以来，经济飞速发展，部分地区不规范的开发建设给环境造成了污染，尤其是一些化工厂对环境的破坏尤其严重，甚至出现了有毒物质泄漏的事故。中小化工企业面临的环境问题越来越突出，主要表现在污染较为严重。由于企业的不重视行为，加上受到资金、技术的制约，很多企业对污染的处理十分草率，环保形势非常严峻。因此，环保成为一项重要的基本国策，它是国家实现全面协调可持续发展的重要保证，政府部门和广大群众必须关注，控制和减少污染势在必行[1,2]。
传统的监测系统主要是人工控制，由于受到人物力、监测范围有限的限制，监测每月有固定次数，不能保证数据的准确性和时效性，难以实现对所测数据全时段和全方位的动态监测。近年来，环境在线监测方面的研发成果也比较多，但是这些产品基本上都存在一些缺陷，如监测数据单一、采集传输慢、智能化程度低、界面效果不佳以及不符合国家相关标准及综合性差等[3]。
物联网以感知、传输和分析处理信息为主要特征，通过在化工厂建立多节点的无线传感网络为基础，物联网感知层能够收集有害气体参数，传输层能够提供数据传输技术并提供数据处理处置的方法[4]。通过对采集的气体与国家允许排放标准的对比，实现有毒气体超标报警提示。通过感知化工厂有毒气体的变化信息，物联网可以实现对化工厂有毒气体的准确识别和及时预警，来有效降低环境污染事故带来的损失。
本课题利用气体传感器和CC2530的Zigbee网络组建物联网，并利用串口通讯技术实时显示化工厂有毒气体的情况。针对传统方法存在的造价昂贵、布线难、维护成本高等问题，基于Zigbee技术的物联网正好解决了应用于化工生产过程中遇到的问题，实时监测化工厂有毒气体，并将监测数据由传感器节点发送到主节点并传到上位机显示，这不仅提高了效率，而且与传统方法相比，具有低成本、对环境影响小、维护方便、布线灵活及对特殊位置大量布点等特点[5]。
1.2 国内外研究状况
国内外环保物联网研究项目的研究人员利用大量的传感器组建分布式无线传感网络，传感网络能够快速分布到河流、海洋、大气的物理环境中进行各种环境指标的感应，探测环境中物理、化学和生物变化的方式，提供实时的环境监测数据流，实时采集的信息通过无线传感网的自主跳传及长距离有线或无线传输，到达控制管理中心，再对信息进行存储、处理和分析应用，实现对环境信息的统计分析、模拟预测、影响评价和可视化表达[6]。
2006年，哈佛大学与美国BBN公司合作基于物联网的大气环境监测管理项目——City Sense，其目标是在马塞诸塞州的剑桥城构建世界范围内第一个全城无线传感器网络。借助路灯提供电能，研究人员在美国马萨诸塞州剑桥城的路灯上安装100 个无线传感器来实现自动化采集城市的环境信息，改变环境监测过去的工作方式。整个无线传感网由100个感知节点组成，每个节点都包含嵌入式处理器和存储板、Wi-Fi接口、无线收发装置，以及用于空气质量监测的传感器。
①传感设备：每个节点收集的信息包括气象参数和空气环境质量参数。其中，气象传感器测定参数包括气温、气压、相对湿度、风向、风速、雨量。
②网络互连：大部分传感器通过无线网状网络连接，少数通过有线连接的节点兼有网关的功能。
③节点状态信息与传感器采集信息一并传回中央服务器进行统一存储、分析及可视化处理[8]。
1.3 课题研究目标
本课题研究的是设计基于物联网化工厂环境监测系统。该系统可以解决早期时候人工采样化验分析的方式，解决这种方式带来繁重的工作量，解决监测不能实时性和准确性的问题，系统可以大大节约资源，提高生产效率，满足当今社会的发展的需求[9]。本设计基于Zigbee的物联网，离主节点较近的传感器节点直接将采集数据传到主节点，较远的传感器节点通过路由节点再传到主节点，通过协议进行无线传输，主节点一方面通过串口将节点发送的数据进行无线接收，另一方面通过串口将经过处理的数据发送至上位机。系统整体实现节点、主节点、上位机之间的数据实时传输。
本设计主要任务能够实现对CO、CH4、SO2、氨氮、氯化氢等气体的实时监测。完成传感器、传感器节点、路由节点和主节点的设计。最终达到对气体的实时监测的目的。
考虑到课题研究的意义在于适合中小化工企业的情况，设计方案必须要低成本，监测到的气体必须要实时监测、数据传输处理要快并且能够在现场和远程显示等。
2 物联网基础理论研究
本部分主要介绍物联网理论的基础研究，主要内容包括探讨什么是物联网的概念，接着介绍常见的物联网网络，根据本课题的需要选择适
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