自燃散堆物料热危险性监测系统的研究及开发

刘纪稳 尚 泰 中南大学资源与安全工程学院 湖南长沙 410083

【文章摘要】

详细研究近年来关于自燃散堆物料热危险性监测系统技术的研发，结合当前社会生产发展的现状，利用ZigBee 无线通信技术构建一个无线传感器网络（WSN），采用树形网络拓扑结构，对加入该网络的自燃散堆物料区域的温度进行采集、分析和监测，实现实时监测温度的细微变化，从而开发出一种操作简单、直观形象、快捷高效的自燃散堆热危险性监测预报系统，以便使管理者做出合理决策并采取相应的指导措施。

【关键词】

自燃；散堆物料；监测系统；ZigBee ；热危险

0 引言

随着我国经济的持续发展和社会需要不断提高，各种散堆物料出现在生产、生活等多个领域，与此同时，由自燃而引发的火灾事故越来越多，其危害程度也越来越高。

自燃类火灾的发生主要是由于反应热量在散堆物料内部积聚，达到一定热量后引起燃烧而导致的火灾。一般条件下，绝大多数能进行放热反应的物质具备自然发热的性质。如果物质反应热的扩散速度小于其生成速度, 则该物质的温度就会随之上升, 进而产生自然发热的现象。当反应物质系统内的温度达到其自燃点时, 就会引起燃烧反应而发生自燃现象；若发热反应发生在开放或半开放体系, 则极有可能发生火灾；如果处于封闭的体系内， 其内压便会骤然上升而使容器遭受爆炸性破坏。

因此，通过开发自燃散堆物料热危险性监测系统，实现对自燃散堆物料实时监测和及时预警，随时掌握自燃散堆物料热安全性状况越发迫切需要。

1 系统概述

自燃散堆物料监测的实质就是通过监测因自燃引起的一切异常的、可检测的特征信息，据此判断是否发生了自燃及发生自燃的位置。目前，可用于检测自燃特征信息的方法有测温法、标志气体分析法、气味检测法等。在散堆物料自燃的不同时期，温度将会发生显著变化，因此，本文通过监测物料早期温度变化来实现系统的开发与应用，用C51RF-3-PK 开发平台作基础，并借助其CC2430 芯片内置的温度传感器，进行实时温度值采集，然后在上位机上进行实时显示。系统中心收集到的温度值可能来自多个不同节点监测数据，所以通过建立子窗口，用户在显示界面可以自由切换到不同节点监测值

本系统由ZigBee 协调器节点、路由器节点和传感器节点三种类型组成，其中ZigBee 协调器是整个系统处理中心。为实现系统能对不同区域不同节点进行监测， 设计出传感器和协调器之间能够相互传输的功能，具体思路是先将传感器采集到的温度值输送至系统处理中心，整理、分析后的数据由串口传给用户界面，监测区域的选择和最终处理方式由用户完成。

2 系统硬件设计

2.1 设计协调器节点

ZigBee 协调器节点主要由CC2430 系统芯片、射频天线、电源、晶振电路和串行接口组成。根据工业应用的实际需要，系统芯片接入的晶振电路能支持二至三种频率，并且具有定时、计数、复位等功能，在一定程度上减轻了控制器的工作量，提高了传送效率及准确性。串口通信采用同步串行通信方式，接口标准采用RS-422 四线接口，其高输入阻抗及强大的驱动能力，满足了本系统连接多个节点的要求，实现了双向通信的预期目标。

2.2 设计路由器节点

路由器节点设计的主要功能就是将转发传感器和其他路由器的数据，发送至协调器，作为传感器和协调器之间相互连接的枢纽。路由器控制端口与计算机相连接，实现了用户终端与路由器相互通信，并对路由器进行配置。

2.3 设计传感器节点

传感器节点利用无线通信技术将采集到的温度数据进行融合和转发至处理中心，其基本组成有该节点由CC2430 芯片、射频天线、通信模块和电源模块组成。电源用来为节点提供能量，是传感器节点的基础。因CC2430 系统芯片内置有温度传感器，故可便捷、快速地转发监测到的温度值，降低了传播时间，但其不能实现系统所需低功耗、高精度的要求，可以新增一个温度传感器。

对各模块功能及设计思路做如下简要介绍：

(1) 数据采集模块：即传感器节点，安装在自然散堆物料内部多个监测点，通过ZigBee 无线通信技术构建一个无线传感器网络（WSN），采用树形网络拓扑结构，对加入该网络的传感器节点进行温度数据采集和分析，并记录放的时间、地点，最终利用ZigBee 无线传感器网络传至协调器处理中心。

(2) 数据处理终端：即协调器节点，安装在控制室内，主要利用计算机系统将采集模块传送到的数据进行处理，与计算机数据库中的标准数据参数进行比较，从而定性提交监测结果，划分出危险等级， 一旦发现危险源，并能够精准地确定出危险源的坐标，其基本信息直观地展示给用户，为用户决策提供依据。

(3) 数据库更新模块：为了能够实现该系统在不同监测节点，不同自燃散堆物料类型的环境中的实际应用，可以将电脑数据库中的标准参数进行定时按需要更新，就基本满足了在不同监测位置、不同物料状态下、可以有对应的相关参数供用户选取。

3 系统程序设计

3.1 搜索和绑定

建立好基于ZigBee 技术的无线传感器网络，将数据采集模块加入到该网络协议下，传感器会自动地搜索和绑定第一个建立通信的数据处理中心，如若未能发现处理终端，传感器将一直搜寻直至建立绑定。

用zb_HandleOsalEvent() 函数处理一个时间事件，该事件部分设置代码如图1 所示：

该代码是为用户应用于未能搜索到协调器节点情况下的处理函数。可以发现，若未能建立绑定，那么数据采集设备将往复不断地的搜索和发送绑定请求。对于处理终端，当连接绑定成功后，协调器及上位机设备必须接受绑定，系统才能对传感器发送的绑定请求进行处理操作。

3.2 数据包的发送和接收

网络连接及建立绑定后，数据采集模块将依据用户设定的时间间隔采集温度传感器报送的数据，并对此通过函数zb_ SendDataConfirm() 函数作出应答指示。如若采集模块未能接受到其中一个传感器

图1 发现与绑定指令（部分）034