基于混杂现场总线技术的化工安全监控系统

摘要

本发明涉及一种基于混杂现场总线技术的化工安全监控系统。本发明包括ZigBee网络和CAN总线协议转换器、CAN总线传感器节点、随身无线传感器节点和便携式无线传感器节点。CAN总线传感器节点与CAN总线相连，通过总线传输至其它节点或者监控中心。随身无线传感器节点实现较大范围内环境参数的监测，便携式无线传感器节点布置于暂时不便铺设CAN总线的地方来监测环境参数。ZigBee网络和CAN总线协议转换器5-4用于转发ZigBee网络和CAN总线间的数据。本发明成本低且运行功耗低。

说明书

技术领域

本发明属于无线传感器网络、混杂现场总线、嵌入式系统技术领域，具体涉及一种基于混杂现场总线技术的化工安全监控系统。

背景技术

随着无线通信技术的发展，无线通信设备不断成熟，成本也进一步的降低，为了解决工业环境及过程控制环境下的许多移动对象、旋转对象以及危险环境对象的监测与控制问题，出现了一种混杂的有线/无线现场总线（hybrid wired/wireless field bus）的新技术。

在工作环境较为恶劣、安全生产风险较高的化工企业，混杂现场总线技术可以随作业现场进行部署，迅速地覆盖所有工段。当现场工作人员携带无线传感器节点时，还可以利用无线传感器网络的定位技术对工作人员进行实时定位，万一发生事故可以对作业现场的工作人员在事故发生时刻的位置进行跟踪，便于设计高效的应急救援方案。基于混杂现场总线技术的现代化化工安全监控系统包括ZigBee与CAN总线之间的有线/无线网关、基于ZigBee的无线传感器节点、基于CAN总线的传感器节点等。

其中，无线传感器节点可分为两类，一类是随身无线传感器节点，是工作人员随身携带的无线传感器节点，用于监测现场工作人员的位置、生命特征、周围环境参数等，这些信息既可以在救援过程中及时判断工作人员所在位置及生命活动情况，又可以通过工作人员在工艺现场的移动，实现较大范围内环境参数的监测。另一类是便携无线传感器节点，用于在暂时不便铺设CAN总线的地方监测环境参数和设备参数，并且还负责中继周围工作人员的随身无线传感器节点数据。

其中，CAN总线传感器节点可提供远距离、更为可靠、实时性更强的现场环境参数与设备参数监测服务。由于化工企业生产环境较恶劣，CAN总线传感器节点的设计要充分考虑防潮、防腐、防爆、成本、功耗以及本质安全等因素。尤其是在事故发生后的生存能力要强，因为这是应急救援过程中的信息生命线。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供了一种基于混杂现场总线技术的化工安全监控系统。

本发明的具体方案为：

基于混杂现场总线技术的化工安全监控系统包括：ZigBee网络和CAN总线协议转换器、CAN总线传感器节点、随身无线传感器节点和便携式无线传感器节点。

所述ZigBee网络和CAN总线协议转换器包括：电源管理模块、ZigBee无线通信模块、CAN传输模块、处理器模块。其中，电源管理模块包括锂电池、5V电压转换电路、3.3V电压转换电路、1.8V电压转换电路。锂电池JS-7.4V-2.2AH输出电压为7.4V，通过电压转换电路输出5V、3.3V和1.8V电压，为协议转换器上的其他模块供电。

ZigBee无线通信模块HZ2012，用于协议转换器和随身无线传感器节点、便携式无线传感器节点间的通信。

CAN传输模块由CAN收发器TJA1040T、高速光耦6N137、电源隔离单元B0505S组成。电源隔离单元的输出供CAN收发器和高速光耦使用；CAN收发器与高速光耦相互连接，作为节点和CAN总线间的传输通道。

处理器模块采用LPC2109低功耗处理器，其CAN接口与CAN传输模块相连；通用异步收发(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，UART)接口与ZigBee无线通信模块相连。处理器模块用于控制CAN总线、ZigBee网络间数据的转发。

所述CAN总线传感器节点，包括电源管理模块、环境参数采集模块、CAN传输模块、处理器模块。其中，电源管理模块包括锂电池、5V电压转换电路、3.3V电压转换电路、1.8V电压转换电路。锂电池JS-7.4V-2.2AH输出电压为7.4V，通过电压转换电路输出5V、3.3V和1.8V电压，为CAN总线传感器节点上的其他模块供电。

环境参数采集模块由数字式气压传感器MS5607和数字式温湿度传感器SHT21组成，用于完成气压、温度、湿度的数据采集。

CAN传输模块由CAN收发器TJA1040T、高速光耦6N137、电源隔离单元B0505S组成。电源隔离单元的输出供CAN收发器和高速光耦使用；CAN收发器和高速光耦相互连接，作为节点和CAN总线间的传输通道。

处理器模块采用LPC2109低功耗处理器，其CAN接口与CAN传输模块相连；串行外设接口(Serial Peripheral Interface，SPI)与数字式气压传感器相连；Inter－Integrated Circuit(I²C)总线接口与数字式温湿度传感器相连。处理器模块用于控制本节点与CAN总线上其他节点间的通信；以及控制环境参数采集模块，并且对采集到的环境参数进行简单的分析和处理。

所述随身无线传感器节点包括电源管理模块、参数采集模块、ZigBee无线通信模块、GPS定位模块、处理器模块。其中，电源管理模块包括锂电池、5V电压转换电路、3.3V电压转换电路、1.8V电压转换电路。锂电池JS-7.4V-2.2AH输出电压为7.4V，通过电压转换电路输出5V、3.3V和1.8V电压，为随身无线传感器节点上的其他模块供电。

参数采集模块由数字式气压传感器MS5607、数字式温湿度传感器SHT21、生理信息采集仪OEM001组成，用于完成气压、温度、湿度、体温、血氧饱和度、脉搏的数据采集；

ZigBee无线通信模块HZ2012，用于节点与ZigBee网络和CAN总线协议转换器、便携式无线传感器间的通信。

GPS定位模块包括SPI/UART转换电路和GPS模块QE-GPS91。SPI/UART转换电路的核心为SC16IS750芯片，用于将处理器模块的SPI接口转换为UART接口，该转换电路的UART接口和GPS模块相连，通过GPS模块来获取人员位置信息。

处理器模块采用LPC2109低功耗处理器，其两个SPI接口分别接GPS定位模块、数字式气压传感器；I²C接口和温湿度传感器相连；两个UART接口分别与生理信息采集仪、ZigBee无线通信模块相连。处理器模块用于控制节点ZigBee无线通信模块与ZigBee网络和CAN总线协议转换器、便携式无线传感器节点间的通信，以及控制参数采集模块和GPS定位模块，并对获取的参数作简单的分析和处理。

所述便携式无线传感器节点包括电源管理模块、环境参数采集模块、ZigBee无线通信模块、处理器模块。其中，电源管理模块包括锂电池、5V电压转换电路、3.3V电压转换电路、1.8V电压转换电路。锂电池JS-7.4V-2.2AH输出电压为7.4V，通过电压转换电路输出5V、3.3V和1.8V电压，为便携式无线传感器节点上的其他模块供电。

环境参数采集模块由数字式气压传感器MS5607、数字式温湿度传感器SHT21组成，用于完成气压、温度、湿度的数据采集。

ZigBee无线通信模块HZ2012，用于节点与ZigBee网络和CAN总线协议转换器、随身无线传感器节点间的通信。

处理器模块采用LPC2109低功耗处理器，其CAN接口和CAN传输模块相连；SPI接口和数字式气压传感器相连；I²C接口和温湿度传感器相连；UART接口和ZigBee无线通信模块相连。处理器模块用于控制节点ZigBee无线通信模块与ZigBee网络和CAN总线协议转换器、随身无线传感器节点间的通信，以及控制环境参数采集模块，并对获取的参数作简单的分析和处理。

本发明相对现有技术，主要优点有；

1、设备运行功耗低。节点设备的软硬件都采用低功耗设计，能够长时间运行。

2、设备成本低。相对于在复杂环境中铺设CAN总线的方法，本发明的成本更加低廉。

3、数据处理速度快，升级潜力大。本发明采用ARM7内核的高性能处理器，相比传统设备数据处理能力大大提高，并且选用的处理器外设丰富，具有极大升级潜力。

4、设备稳定性、可靠性高。该设备采用专用工业级复位芯片以保证电路的可靠性能；CAN传输模块采用电源隔离和光耦隔离的设计，提高节点的稳定性和安全性。

5、设备适应性强。节点设备各部件均采用符合工业级标准的器件，在恶劣环境下具有较强的适应性，并充分考虑防潮、防腐、防爆、及本质安全等因素，采用防护等级IP66、防爆等级Ex ia IICT6的设计，使得事故发生后的设备生存能力强。

附图说明

图1为本发明中ZigBee网络和CAN总线协议转换器结构原理框图；

图2为本发明中CAN总线传感器节点结构原理框图；

图3为本发明中随身无线传感器节点结构原理框图；

图4为本发明中便携式无线传感器节点结构原理框图；

图5为本发明的化工安全监控系统一实施例的整体构架示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明提供的监测系统作进一步描述。

如图1为本发明中ZigBee网络和CAN总线协议转换器的结构原理框图，该协议转换器包括电源管理模块1-1、CAN传输模块1-2、ZigBee无线通信模块1-3、处理器模块1-4四部分。各模块均采用现有成熟技术。其中，

电源管理模块1-1包括：锂电池1-1-1 JS-7.4V-2.2AH，标称容量2.2AH；以电源芯片SPX1117M3-5.0为核心的5V电压转换电路1-1-2，为3.3V电压转换电路1-1-3、1.8V电压转换电路1-1-4、CAN收发模块1-2提供电源；以电源芯片SPX1117M3-3.3为核心的3.3V电压转换电路1-1-3，为ZigBee无线通信模块1-3、处理器模块1-4提供3.3V电压；以电源芯片SPX1117M3-1.8为核心的1.8V电压转换电路1-1-4，为处理器模块1-4提供1.8V电压。

CAN传输模块1-2包括：5V电源隔离单元1-2-1，其输出供给CAN收发器1-2-3、高速光耦1-2-2；高速光耦1-2-2与处理器模块1-3的CAN接口、CAN传输模块1-2的CAN收发器1-2-3相连，用作现场信号隔离；CAN收发器1-2-3，用于在处理器模块1-3的控制下将数据发送至CAN总线。

ZigBee无线通信模块HZ2012 1-3和处理器模块1-4的UART接口相连，该模块用于在处理器模块1-4的控制下和随身无线传感器节点、便携式无线传感器节点间的通信。

处理器模块1-4的核心为处理器LPC2109。NXP公司的LPC2100系列处理器以32位的ARM7为内核，具有低功耗高处理能力的特点，且外设丰富。其中，处理器模块1-4的CAN接口和CAN传输模块1-2相连，用于控制协议转换器和CAN总线间通信；处理器模块1-4的UART接口和ZigBee无线通信模块1-3相连，用于控制协议转换器和ZigBee网络通信。

如图2为本发明中CAN总线传感器节点结构原理框图，该节点包括电源管理模块2-1、CAN传输模块2-2、环境参数采集模块2-3、处理器模块2-4。其中，

电源管理模块2-1包括：锂电池2-1-1 JS-7.4V-2.2AH，标称容量2.2AH；以电源芯片SPX1117M3-5.0为核心的5V电压转换电路2-1-2，为3.3V电压转换电路2-1-3、1.8V电压转换电路2-1-4、CAN收发模块2-2提供电源；以电源芯片SPX1117M3-3.3为核心的3.3V电压转换电路2-1-3，为环境参数采集模块2-3、处理器模块2-4提供3.3V电压；以电源芯片SPX1117M3-1.8为核心的1.8V电压转换电路2-1-4，为处理器模块2-4提供1.8V电压。

CAN传输模块2-2包括：5V电源隔离单元2-2-1，其输出供给CAN收发器2-2-3、高速光耦2-2-2；高速光耦2-2-2与处理器模块2-4的CAN接口、CAN传输模块2-2的CAN收发器2-2-3连接，用作现场信号隔离；CAN收发器2-2-3，用于在处理器模块2-4的控制下将数据发送至CAN总线。

环境参数采集模块2-3包括数字式气压传感器MS5607 2-3-1、数字式温湿度传感器SHT21 2-3-2。气压传感器2-3-1和处理器模块2-4的SPI接口相连，用于在处理器模块2-4的控制下采集环境气压参数；温湿度传感器2-3-2和处理器模块2-4的I²C总线接口相连，用于在处理器模块2-4的控制下采集环境温度、湿度参数。

处理器模块2-4的核心为处理器LPC2109，其CAN接口和CAN传输模块2-2相连，用于控制节点与CAN总线间的通信；处理器模块2-4的SPI接口和数字式气压传感器2-3-1连接，用于控制气压数据采集过程；处理器模块2-4的I²C总线接口和数字式温湿度传感器2-3-2连接，用于控制温度、湿度数据采集过程。

如图3为本发明中随身无线传感器节点结构原理框图，该节点包括电源管理模块3-1、GPS定位模块3-2、ZigBee无线通信模块3-3、参数采集模块3-4、处理器模块3-5。其中，

电源管理模块3-1包括：锂电池3-1-1 JS-7.4V-2.2AH，标称容量2.2AH；以电源芯片SPX1117M3-5.0为核心的5V电压转换电路3-1-2，为3.3V电压转换电路3-1-3、1.8V电压转换电路3-1-4、GPS模块QE-GPS91 3-2-2、生理信息采集仪OEM001 3-4-3提供电源；以电源芯片SPX1117M3-3.3为核心的3.3V电压转换电路3-1-3，为数字式气压传感器MS5607 3-4-1、数字式温湿度传感器SHT21 3-4-2、ZigBee无线通信模块3-3、处理器模块3-5提供3.3V电压；以电源芯片SPX1117M3-1.8为核心的1.8V电压转换电路3-1-4，为处理器模块3-5提供1.8V电压。

GPS定位模块3-2包括：SPI/UART转换电路3-2-1，该转换电路连接处理器模块3-5的SPI接口，将其SPI接口转换为UART接口后和GPS模块3-2-2相连；GPS定位模块3-2-2用于在处理器模块3-5的控制下获取人员的位置信息。

ZigBee无线通信模块HZ2012 3-3和处理器模块3-5的UART接口相连，用于在处理器模块3-5的控制下与协议转换器和随身无线传感器节点、便携式无线传感器节点间的通信。

参数采集模块3-4包括数字式气压传感器MS5607 3-4-1、数字式温湿度传感器SHT21 3-4-2、生理信息采集仪OEM001 3-4-3。气压传感器3-4-1和处理器模块3-5的SPI接口相连，用于在处理器模块3-5的控制下采集环境气压参数；温湿度传感器3-4-2和处理器模块3-5的I²C总线接口相连，用于在处理器模块3-5的控制下采集环境温度、湿度参数；生理信息采集仪3-4-3和处理器模块3-5的UART接口相连，用于在处理器模块3-5的控制下采集生理信息参数。

处理器模块3-5的核心为处理器LPC2109，其SPI接口和GPS定位模块3-2相连，用于控制GPS模块获取人员位置信息；处理器模块3-5的另一个SPI接口和数字式气压传感器3-4-1连接，用于控制气压数据采集过程；处理器模块3-5的I²C总线接口和数字式温湿度传感器3-4-2连接，用于控制温度、湿度数据采集过程；控制器模块3-5的UART接口和生理信息采集仪3-4-3连接，用于控制生理参数采集过程；控制器模块3-5的另一个UART接口和ZigBee无线通信模块3-3相连，用于控制节点与协议转换器和随身无线传感器节点、便携式无线传感器节点间的通信。

如图4为本发明便携式无线传感器节点结构原理框图，该节点包括电源管理模块4-1、ZigBee无线通信模块4-2、环境参数采集模块4-3、处理器模块4-4。其中，

电源管理模块4-1包括：锂电池4-1-1 JS-7.4V-2.2AH，标称容量2.2AH；以电源芯片SPX1117M3-5.0为核心的5V电压转换电路4-1-2，为3.3V电压转换电路4-1-3、1.8V电压转换电路4-1-4；以电源芯片SPX1117M3-3.3为核心的3.3V电压转换电路4-1-3，为数字式气压传感器MS5607 4-3-1、数字式温湿度传感器SHT21 4-3-2、ZigBee无线通信模块4-2、处理器模块4-4提供3.3V电压；以电源芯片SPX1117M3-1.8为核心的1.8V电压转换电路4-1-4，为处理器模块4-4提供1.8V电压。

ZigBee无线通信模块HZ2012 4-2和处理器模块4-4的UART接口相连，用于在处理器模块4-4的控制下与协议转换器和随身无线传感器节点、随身无线传感器节点间的通信。

环境参数采集模块4-3包括：数字式气压传感器MS5607 4-3-1、数字式温湿度传感器SHT21 4-3-2。气压传感器4-3-1和处理器模块4-4的SPI接口相连，用于在处理器模块4-4的控制下采集环境气压参数；温湿度传感器4-3-2和处理器模块4-4的I²C总线接口相连，用于在处理器模块4-4的控制下采集环境温度、湿度参数。

处理器模块4-4的核心为处理器LPC2109，其SPI接口和数字式气压传感器4-3-1连接，用于控制气压数据采集过程；处理器模块4-4的I²C总线接口和数字式温湿度传感器4-3-2连接，用于控制温度、湿度数据采集过程；控制器模块4-4的UART接口和ZigBee无线通信模块4-2相连，用于控制节点与ZigBee网络和CAN总线协议转换器、随身无线传感器节点间的通信。

如图5为本发明一实施例的整体构架示意图。整个监控系统由无线监测节点（随身无线传感器节点5-6、便携式无线传感器节点5-3），有线监测节点（CAN总线传感器节点5-1）以及协议转换器（ZigBee网络和CAN总线协议转换器5-4）组成。

其中，CAN总线传感器节点5-1直接与CAN总线5-2相连，在节点上处理器的控制下通过节点上的传感器采集监测工艺现场的环境参数，并且对其进行分析和处理，然后将其发送至CAN总线5-2，通过总线传输至其它节点或者监控中心。随身无线传感器节点5-6可由工作人员携带至工艺现场。该节点可通过工作人员在工艺现场的移动，实现较大范围内环境参数的监测，另外节点上的传感器在处理器的控制下可以采集现场工作人员的位置、生命特征、周围环境参数等，用于判断工作人员所在位置及生命活动情况。便携式无线传感器节点5-3可以布置于暂时不便铺设CAN总线的地方来监测环境参数。ZigBee网络和CAN总线协议转换器5-4用于转发ZigBee网络和CAN总线间的数据。

本发明的工作过程为：化工安全监控系统中的数据传输情况如下。有线监测节点中的CAN总线传感器节点5-1可以在处理器模块的控制下将采集到的环境参数直接传输至CAN总线5-2；无线监测节点中的随身无线传感器节点5-6、便携式无线传感器节点5-3需要在处理器模块的控制下先将采集到的环境参数通过各节点及协议转换器组成的ZigBee网络5-5发送至协议转换器5-4，最后协议转换器5-4将接收的数据传输至CAN总线5-2。