基于Zigbee系统的无线作业场所有害因素在线监测系统

摘要

随着经济社会的快速发展，人们对生活的要求不断调整改善。同时，伴随着大型工业生产设备在工业化生产中大量应用以及人们对产品综合性要求的提升，作业人员在特定岗位的工作强度也在不断提升。高效、高频的生产运作，大型工业生产设备的应用，精细化产品的要求，随之而来的是安全隐患的增加，诸如尘肺、有机溶剂中毒等作业场所的疾病在日常生活中越来越多的被发现，更多的职业病症得到证实。所谓职业病是企业、事业单位和个体经济组织等用人单位的劳动者在职业活动中，因接触粉尘、放射性物质和其他有毒、有害因素而引起的疾病。我国职业病危害分布广泛，从传统工业，到新兴产业以及第三产业，都存在一定的职业病危害。受职业危害人数、职业病患者累计数量、死亡数量及新发病人数量，都居世界首位。因此职业病的预防控制具有深远的意义。
　　随着检测技术发展，虽然实验室分析能力已经远远超过职业病预防所需要的精度和准确度，但受限现场采样技术的能力以及实验室分析周期的限制，现场采样、实验室分析这种传统的分析技术已经很难满足现代化工业环境的要求。新兴的无线传感器网络是集无线通讯、数据采集和信息处理功能于一体的新型分布式自组织数据采集网络，因而将新兴的传感器网络技术中基于IEEE802.15.4标准的Zigbee技术应用于职业病的预防控制中，将对职业病的发生起到预警和提示作用，有效的减少职业病的潜在危害。
　　通过Zigbee技术来实现无线传感器网络组网进而实现近距离、低复杂、低功耗、低成本的双向无线通信，非常适合于上述作业场所情景下的无线应用。同时其高度的安全性也避免现场控制数据的人为干扰，从而帮助现场管理中及时采取正确的应对措施，避免现场进一步严重的职业病危害情形的发生。本文研究中即透过实际工况管理中企业安全、职业病预防法律法规的管理要求的实际情形分析，通过在作业场所安装特定的有害因素传感器单元，以Zigbee技术为组网基础核心，在作业场所中事实监测工作人员所处环境中的有害因素情况，通过实时的数据采集和后台控制阈值的设定:一方面实现在作业场所中作业人员所处环境中有害因素的实时情况显示及超标时的现场报警，另一方面将传感器采集到的数据经传感器网络传输到控制节点再通过传送到PC端来实现对作业场中所有作业人员所处环境中有害因素情况的在线实时监测，并定时的将实时的监测数据处理后存入数据库中所建立的作业人员档案并提供实时的作业人员受危害总计时间的查询，最终建立系统分析机制和危机报警机制以控制职业病所带来的的损失和损伤，以降低由有害因素导致职业病的潜在危害。
　　本文组织中通过此项研究的意义及国内外研究动态的介绍，然后综述该在线监测系统的整体设计方案，再到具体的各模块的硬件电路设计和软件设计，最后通过单一传感器的系统模拟测试结果验证系统设计思路模式的可行性、可现性以及运行中的弱点，进而为后期的提升提供长足的基础和改进的空间。本文行文最后通过对系统设计、验证以及特点概括性的描述总结了系统的主要特征及系统的优缺空间，为后期实业化的应用提供了前期实验的基础。
　　本文写作中历经2014年8月2日昆山中荣工厂的粉尘爆炸特大安全事故，所提出的在线有害物质监测系统概念可有效改善了目前作业场所职业病危害因素的事后检测、手工检测的弊病，有效缩短了监测的采样间隔和数据处理，进而通过对人员在作业场所有害环境中的暴露时间统计为职业病的预防提供详实的数据基础，也为远期职业病的诊断提供了稳定的数据依据。对当前事后职业病控制的管理模式将产生重大影响，具有较为深远的意义。同时，工厂现场调查中的概念咨询活动，同样有较多的企业对这一设计理念持有肯定的态度，并期待成果转化之后的应用尝试。
　　本文设计的核心内容主要包括以下三个方面:
　　1.基于现场管理的设计思路和器件选择:作业场所的核心内容在于现场的工况管理，本文通过现场适时的数据采集模式和传感器的应用，突出了现场采集、现场分析、实时结果的特点，方便了现场管理。同时传感器的应用，弱化了分析中的专业技术要求，降低了对操作人员素质水平的要求。
　　2.基于Zigbee的数据网络组网策略:通过大量的廉价微型传感器节点，以无线通信的方式形成一个多跳的自组织网络系统。有效实现了低成本、低功耗、高可靠性、高容量、高安全性、短延时和良好的兼容性。
　　3.PC上位机软件的设计思路:本着操作简易、易学易懂的软件设计思路，本文中主要研究了简单应用界面软件的设计。通过对简单应用程序的开发和验证，证实预期的目的的实现。同时软件设计思路中的个人数据库概念的导入，将会帮助企业更好的进行人员职业病危害潜在结果的控制和故障诊断，有效提升企业的现场控制能力。

目录

声明

摘要

第1章 引言

1．1 课题的背景和意义

1．2 作业场所有害因素在线监测系统的国内外研究的状况

1．3 论文研究的主要内容

1．4 论文的结构安排

第2章 Zigbee技术

2．1 Zigbee技术简介

2．1．1 Zigbee技术的起源及发展

2．1．2 Zigbee技术规范

2．1．3 Zigbee技术与其他无线通信技术的比较

2．2 Zigbee技术的应用

2．2．1 Zigbee组建传感器网络

2．2．2 定位技术

2．3 本章小结

第3章 系统整体设计

3．1 系统需求分析

3．1．1 组建作业场所传感器网络需求分析

3．1．2 PC端控制管理部分需求分析

3．2 在线检测监测系统整体设计方案

3．3 本章小结

第4章 系统硬件设计

4．1 Zigbee无线模块

4．1．1 Zigbee方案的选择

4．2 CC2530无线模块

4．2．1 CC2530与CC2430的比较

4．2．2 CC2530外围电路设计

4．3 STM32模块

4．3．1 STM32简介

4．3．2 STM32的最小系统

4．4 Zigbee各节点的硬件设计

4．4．1 作业场所有害因素监测站节点(协调器)设计

4．4．2 路由节点设计

4．4．3 作业场所有害因素采集终端节点

4．5 本章小结

第5章 系统软件设计

5．1 STM32模块软件设计

5．1．1 软件开发工具及开发流程

5．1．2 主控芯片的开启及时钟设置

5．1．3 通用GPIO口配置

5．1．4 传感器模块

5．1．5 报警模块

5．1．6 液晶显示模块

5．2 Zigbee应用软件设计

5．2．1 集成开发平台介绍

5．2．2 z-stack简介

5．2．3 z-stack运行机制

5．2．4 z-stack参数设置

5．2．5 作业场有害因素采集监测站(协调器)的软件设计

5．2．6 路由节点和有害因素监测终端节点软件设计

5．3 PC端上位机软件设计

5．3．1 软件流程图

5．3．2 上位机界面及界面数据处理软件设计

5．3．3 数据库软件设计

5．4 本章小结

第6章 系统测试

6．1 测试平台的搭建

6．2 传感器网络部分的测试

6．3 上位机的测试

6．4 系统整体的测试

6．5 本章小结

结论

致谢

参考文献