关键词：无线传感器网络；危险有害因素；MEMS；安全监控系统；
某特种气体厂生产过程中的潜在危险和有害因素进行了识别和分析，提出了相应的策略，提出了一种基于MEMS传感器、无线传感器网络和3G(GIS、GPS、GPRS)技术的安全监控系统。包括安全监控系统架构、MEMS传感器与无线传感器网络节点设置方案、无线传感器网络接入与通信机制以及安全监控系统的软件功能。
一、系统软件主要功能
安全监控系统软件主要功能包括:特种气体生产储存监控预警、运输车辆监控预警、事故模拟分析与辅助决策。
1.特种气体生产储存监控预警:实现气体配制车间和气体储存库温度、气体浓度等危险信息的实时监控、预警和超限报警。
2.运输车辆监控预警:基于GIS系统，实现运输车辆危险参数监测和轨迹跟踪，实现车辆碰撞报警、气体泄漏报警、超速报警、越线报警等功能。
3.事故模拟分析与辅助决策:基于GIS系统和危险源信息，利用气体泄漏扩散模型，迅速确定事故的影响范围与疏散距离。发生事故时，为各级安监部门开展应急救援提供辅助决策支持。
二、安全监控系统方案
1.安全监控系统架构。安全监控系统由基于MEMS传感器的无线传感网络、运输车辆车载装置和企业监控中心三部分组成。基于MEMS传感器的无线传感网络由MEMS传感器、与各MEMS传感器相连的节点和基站组成，实现特种气体配制车间和气体储存库各传感器信息的采集和无线传输。运输车辆车载终端包括车载控制器、GPS定位模块、GPＲS数据发送模块、车辆碰撞传感器、气体传感器、声光报警器、存储器、显示屏等组成。车载控制器实现车辆GPS信息、碰撞信息、气体浓度信息等采集和监控报警，并通过GPＲS数据发送模块发送到企业监控中心。企业监控中心通过基站节点获取厂区各传感器的实时信息，通过GPＲS数据接收模块获取运输车辆状态信息，通过对上述信息的智能分析实现事故的监控预警。企业监控中心通过互联网与安全监管部门实现信息共享，为政府日常监管和应急救援工作提供支持。
2.监控点设置。由于无线传感网络节点采用电池供电，为了降低功耗，所有传感器均采用MEMS传感器。特种气体配制车间、各气体储存库及特种气体运输车辆设置的MEMS传感器如下。（1）特种气体配制车间。在配气室、提纯室设置温度传感器，同时根据配气室和提纯室内可能泄漏的气体分别设置相应的气体传感器。（2）各气体储存库。在甲烷、乙烯、乙炔、环氧乙烷等有机烃类及氢气仓储库内，主要安装可燃气体检测仪，测爆范围一般为0－100%LEL。在氨气、氯气储存库内安装有毒气体检测仪，依据有毒气体在空气中的最高容许浓度制定检测范围，选择耐腐蚀性强的气体传感器。在化学试剂储存室内安装苯、乙醇、丙酮等气体传感器，检测范围依据其蒸气所要求的最大阈值制定，选择具有较强的抗中毒能力和寿命的气体传感器。（3）特种气体运输车辆。特种气体运输车辆应设置车辆碰撞传感器、温度传感器，并根据所运输气体设置相应的气体传感器。
3.无线传感网络节点设置。在特种气体配制车间和气体储存库设置无线节点，在监控中心设置基站节点，每个无线节点可连接4路MEMS传感器。各MEMS传感器信息通过无线节点采集后，经过无线传感网络汇集到基站节点，再由基站节点传给安全监控主机。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆厂区气体配制车间和气体储存库均属于易燃易爆场所，由于传感器和无线节点安装在前端，因此传感器和无线节点的安装必须满足防爆要求:传感器安装在室内，无线节点安装在室外防爆箱内，传感器和无线节点之间的引线穿过防爆镀锌管进入防爆箱内，镀锌钢管与传感器的接口采用浇封方式防爆，镀锌钢管与防爆箱的接口采用机械密封方式防爆。无线节点采用电池供电。
4.无线传感网接入及通信机制。综合硬件和网络特点，根据以往经验和现有理论知识，本方案采用轮循点名的时分接入和CSMA/CA接入两种接入机制，其中点名机制主要用在网络建立和网络维护过程中;CSMA/CA机制主要用在网络建立和网络维护过程的随机接入阶段和数据传输阶段中。如果单采用CSMA/CA机制，网络的时间同步和网络维护比较困难。网络节点的工作过程分为三个部分:网络建立、网络维护和数据传输。在网络建立阶段，由基站节点发起开始寻找子节点，在其覆盖范围内的子节点利用CSMA/CA机制申请加入到网络中来，由此形成以基站为中心的星型子网，标注为layer1层;然后基站节点利用轮循点名的时分机制逐个开始点名layer1层中的节点，被点名的节点也开始寻找子节点，在其覆盖范围内未加入到网络的节点利用CSMA/CA机制申请加入到以该节点为中心的星型子网中，当layer1层中的节点被点名完毕时，其更下层的节点也加入到网络中来，标注为layer2层;以此进行多次点名搜索过程，直到网络中的所有节点都加入进来，网络建立成功，开始进入网络维护和数据传输阶段。网络建立成功后，由基站节点发起开始进入网络维护和数据传输阶段。以基站节点为中心，利用轮循点名机制，开始逐个逐层通知网络中的节点进入数据传输和网络维护阶段，该通知信息包含数据传输有效时间(也就是网络维护周期)。接收到该通知的节点开始进入数据传输阶段，计时到规定时间后，开始停止数据传输，进入网络维护阶段。在网络维护阶段，以基站节点为中心，先利用轮循点名机制逐个点名其layer1层的子节点，被点到的子节点先发送ACK给基站节点，然后也利用轮循点名机制逐个点名其layer2层的子节点，点名layer2层的子节点完毕后，发送寻找“未连接到网络”的子节点信息，在其覆盖范围内标注为“未连接到网络”的节点利用CSMA/CA机制申请加入网络，寻找完毕后，发送END信息给基站节点。其余层的节点和layer1层节点相似，在接收到点名信息后先发送ACK给父节点，然后利用轮循点名机制逐个点名其下层的子节点，点名完毕后发送寻找“未连接到网络”的子节点信息，在其覆盖范围内标注为“未连接到网络”的节点利用CSMA/CA机制申请加入网络，寻找完毕后，发送END信息给基站节点。在点名过程中，如果没有ACK回复的节点和其分支下的子节点将被从网络中删除，新加入的节点将通知到基站进行网络节点的数据库更新。点名完毕后，基站节点发送寻找“未连接到网络”的子节点信息，在其覆盖范围内标注为“未连接到网络”的节点利用CSMA/CA机制申请加入网络。寻找完毕后，基站节点利用轮循点名机制，开始逐个逐层通知网络中的节点进入数据传输和网络维护阶段。如果网络维护时间内未收到父节点的点名信息，将标注自身为“未连接到网络”，需重新加入到网络后才能生效。在接收到通知信息的节点将重新开始计时，在计时未到时都处于数据传输阶段。当某个加入到网络的节点采集到有效数据后，将利用CSMA/CA机制将该信息传输给父节点。父节点将给出ACK回复，然后再利用CSMA/CA机制将信息传输给逐层的向更高层传输，直至传输到基站节点。在信息传输过程中，如果未收到父节点的ACK信息，将标注自身为“未连接到网络”，不能再进行数据传输，需等待网络维护时间到后再加入网络后才能生效。
总之，该系统通过对现场各类安全参数信息融合与智能分析处理，实现了气体配制、气体储存和运输过程的安全监控预警;并通过专用数据接口同企业的MIS系统和政府监管系统互联，纳入企业信息化管理及政府安全监管的信息平台，有助于提高企业安全管理和政府安全监管的效率和水平。
参考文献：
［1］马学明，关于无线传感网络的安全监控系统应用研究.2018.
［2］张新宇．浅谈基于无线传感网络的安全监控系统应用研究.2018.
项目信息：2019-TD-ZD007 《矿山物联网关键技术与标准规范研究 》 天地科技重点研发项目
论文作者:于峰涛
论文发表刊物:《中国电业》2019年第12期下
论文发表时间:2019/12/2
标签：节点论文; 传感器论文; 气体论文; 网络论文; 基站论文; 信息论文; 机制论文; 《中国电业》2019年第12期下论文;