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f化同安监系统的物联网示范平台设计
黎妮，程方，鲍宁海
(重庆邮电大学通信网测试技术重点实验室，重庆400065)
摘要：在研究物联网感知、接入、组网等技术的基础上，结合化工园区危化品的特性及管理需求，给出了一个基于
化工园区安全监控系统的物联网功能示范平台的设计方法。该平台可演示有毒可燃气体泄露检测、火灾报警、污水排
放检测、车辆监控等功能，可展示物联网自动监管带来的方便和快捷，对加快化工园区的物联网应用具有重要作用。
关键词：物联网；安全监控；示范平台；化工园区
中图分类号：TP391．44文献标识码：A文章编号：20951302(2011)08—0053—04
DemonstrationPlatformofInternetofThingsoverChemicalIndustryPark
LINi，CHENGFang，BAONinghai
(ChongqingUniversityofPostsandTelec。mmunicatlons，Chongqing400065，China)
Abstract：Inthestudyofperceptionofthings，access，networkingtechnology，basedonthecombinationofchemicalcha-
racteristicsofhazardouschemicals，theparkandmanagementneeds，givesachemicalparkonthephysicalsecuritymomtoring
systemdemonstrationplatformfornetworkingdesign．Theplatformcanbetoxicandcombustiblegasleakdetectiondemonstra—
tion，firealarm，sewagedischargedetection，vehiclemonitoringandotherfunctions，canshowthingstobringtheconvenienceof
automaticcontrolandfast，tospeeduptheindustrialzonehasanimportantroleinnetworkingapplications．
Keywords：Internetofthings；safetymonitoring；demontrationplatform；chemicalindustry
随着互联网通信技术的迅猛发展，人与物、物与
物之间信息的传递已成为研究热点。物联网被认为
是继计算机、互联网和移动通信网络之后世界信息产
业的第三次浪潮。欧盟、美国、日本等国都十分重视
物联网工作，并已作了大量研究开发和应用_】j。我国
在“物联网”中长期规划《新一代宽带移动无线通信
网》中有多个重点专项支持“物联网”的研究和应用。
物联网应用范围非常广泛，具有巨大的社会价值和市
场价值。但总体上，物联网还停留在概念和研发的起
步阶段，企业、公众等潜在物联网用户群还缺乏对物
联网本质的认识[2]，尤其是成套、成系统的应用还比
较少。面向工业制造、公共安全、交通管理等领域开
展物联网示范和推广应用，可大力提升物联网普及和
发展的速度。
收稿日期：201lO6—28
基金项目：工信部电子发展基金(财建E2009]668号、工信部财
[eoog]s6s号)；科技部中小型企业技术创新基金
(07C26215110850)；教育部新世纪优秀人才支持计划
(NCET06—0779)；中芬国际合作项目
($2010GR0902)；国家发改委(渝发改技[200911135)。
本文对重庆(长寿)化工园区的安全管理需求进
行了调研，并实地考察了环境，通过对物联网感知、接
入、组网等关键技术的研究，提出了一个模拟化工园
区监管系统的物联网示范平台设计方案。然后通过
模拟沙盘结合屏幕显示的形式展示了园区物联网系
统运作，包括实时可燃有毒气体浓度检测、污水排放
检测、车辆监控、防入侵安全监控，以及突发气体泄
露、火灾等事故发生时的系统自动控制和远程控制等
功能。该示范平台结合应用案例可对物联网主要功
能进行全方位展示，充分体现物联网在实际环境(化
工园区安全监管)中的价值。另外，本文还针对化工
产品与传统产品管理的不同，提出了基于物联网的化
工生产环境监控和化工产品实时管理的网络模型[4]。
重点分析和研究了实现物联网所涉及的关键技术，包
括感知技术和接人组网技术。
1感知识别技术方案
针对不同应用环境，物联网主要有传感器信号采
集、射频信号采集和视频采信号采集三种感知方式。
车间、仓库区环境参数采用传感器采集方式，主要包
括温度、湿度、各种气体浓度等；移动车辆管理采用射
频识别技术，包括出入库登记，装载危化品检测等；园
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区公共区域、仓库区、园区楼宇监控采用视频采集，结
合红外识别处理技术来实现智能视频监控。
1．1传感器采集技术
无线传感节点是整个网络中物理环境数据采集和
网络互联的基本单元，由传感器、处理器、无线通信模
块和能量供应模块4部分组成]，分别完成环境参数
的采集、处理、收发以及整个节点的能量供给等功能。
固定位置环境包括厂区的生产车间、库区以及排
污口等区域。在分布密度大、范围广的情况下，其低
成本、低功耗、小尺寸节点是最佳选择。频率与能量
的消耗是正相关，因此节点不能采用太高的频率。为
了对整个系统进行优化设计，在生产车间和库区使用
可以同时采集温度、湿度等多种环境参数的多功能无
线传感节点，然后将采集到的数据经过信号调理电路
处理后送给处理器进行处理并与控制节点进行通讯。
1．2射频识别技术
射频识别主要是利用无线射频方式进行非接触
双向通信，自动识别并交换数据，可实现多目标识别、
运动目标识别[7]。适用于化工园区危化品运输车辆
监控。
RFID是一个复杂的系统工程。涉及到流程重
组、软件、系统实施等问题。针对一些产品的物质局
限性，特别是化1=园区识别对象以金属和液体居多。
RFID的识别率会明显下降，而且在标签和读写器性
能上需进一步完善。
1．3视频识别技术
视频采集是化T园区底层主要信息采集方式之
一
，用于给上层的监控提供各种图像、视频信息，是实
现可视化监控的主要途径。一般在园区仓库区、出入
口、交通要道等公共区域设置视频监测点采集视频信
息．并通过主控设备对图像、视频进行联动处理。在
用户权限认证后，可通过网络浏览器或客户端软件查
看视频，并控制摄像机。另外，可在园区建筑物顶部
布设高空嘹望监控点，以保证园区360。监控无死角。
为保证视频流的传输速率和质量，通常在异常情
况发生时只传输告警图片，而在本地保存视频，在网
络空闲时再上传，以便充分利用网络资源；结合视频
内容，选择性上传视频图像，比如仓库区等戒严区监
控，无异常时就无需上传。
2接入组网方案
无线接人技术是通过无线介质将终端与网络节
点互联，以实现终端间的信息传递，是物联网的关键
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技术之一。综合分析应用环境特点以及各种无线接
入技术特点，同时考虑所选择接人方式频段相互冲突
的问题，可在每个覆盖区组建合适无线的接入网络。
本文对化工园区工业现场进行了详细研究，充分利用
各接入方式的优点，通过异构网络融合技术，设计了
一种高效、节能、稳定的接入组网方案。
2．1ZigBee技术
由于高频高温辐射，化工园区工业现场自动化监
控数据的无线传输可能受到极强的干扰，不能保证每
个无线信道始终保持通畅。ZigBee组网可以很好地
解决工业现场无线传输问题。它是一种新兴的近距
离、低复杂度、低功耗、低成本的无线网络技术，可用
于近距离无线连接，并可以嵌入各种设备中，实现多
达数千个传感器之问的通信。每一个ZigBee网络节
点在自己信号覆盖的范围内可与多个孤立的子节点
无线连接，自动中转相邻节点传来的数据。ZigBee
采用动态路由与网状拓扑结合方式，在传输数据前，
通过对网络当时可利用的所有路径进行搜索，分析相
邻节点位置关系，然后选择其中一条路径进行数据传
输，保证数据的可靠传输。ZigBee技术可满足化工
园区绝大部分传感器接入环境需求。文献Es]中提出
了一种基于Z[gBee的无线传感器网络，可以用于有
毒有害气体生产过程以及存储监控，其可行性较高。
2．2Wi—Fi技术
Wi—Fi短距离无线技术已在家庭、办公室以及其
他公共场合广泛使用。但其功耗大的缺点局限了它
在化工园区数量庞大的环境数据感知网络中的应用。
考虑到化lT园区物联网覆盖范围广，传感器网关节点
与数据中心之间的传输数据量大，且距离更远，Zig—
Bee网络无法满足其需求l9]。这种情况下，便可利用
WiFi将各网关节点接入到数据中心，来实现数据的
可靠传输。wi—Fi设备已广泛用于家庭、企业等环
境，并被部署于多种类型的设备，包括笔记本电脑、数
码SH,ffL、电视以及手机等，且wi—Fi能与已有的各种
802．11DSSS设备兼容[]，存化工园区物联网建设中
适当可以利旧来实现扩展功能。
2．3以太网技术
化丁园区内网络覆盖区域环境各异，通过有线和
无线结合的方式组网，可以有效提高网络的稳定性及
安全性。在以下两种情况下可以选择有线以太网组
网，一是园区特殊生产车间可选择传感器节点接人，这
一方面是传感器数据需要实时、精确，对网络要求较
高，高频辐射下网络不够稳定，不能满足要求；另一方
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面，无线收发模块发射频率较高，故存在火灾、爆炸隐
患。二是视频采集节点数据量大时，无线网络设备性
能需大幅提高，会增加建设成本，而采用光纤可轻松实
现高带宽传输，且便于网络的扩容。根据传输数据量
大小，传输介质可选择双绞线、同轴电缆或者光纤等。
2．4无线公网技术方案
为使化工园区物联网尽可能覆盖全面，同时考虑
建设成本问题，园区内个别分布分散的传感器节点可
以通过内置TD／GSM／GPRS／EDGE模块，并通过公
网接人数据中心，这样可避免为极少节点组建网络的
开销，实现数据可靠有效传输。我国3G网络已成功
商用，可实现数据、视频等业务的高速率传输，故可满
足化工园区数据传输需求。同时，随着园区发展及需
求的增加，可轻松实现网络扩展。
3示范平台的设计架构及工作原理
在对重庆化工园区物联网系统应用案例以及相
关技术分析研究的基础上，笔者设计出了物联网功能
性示范平台。该平台结合各种物联网关键技术，并通
过有毒可燃气体泄露检测、火灾报警、污水检测等功
能展示，可以模拟出真实的应用案例效果。
3．1示范平台架构
图l所示为集演示、科研为一体的物联网示范平
台架构。
图1物联网示范验证平台模型架构
设计时，可根据园区实际环境和平台需求制作简
易模拟沙盘，以通过其中布设的各种有毒气体、液体
无线传感器以及RFID数据采集标签感知环境。采
集数据通过无线多跳网络传送至系统演示中心，再经
整合处理后以直观方式显示。当有紧急情况发生时，
系统首先将产生报警信息，随后将启动对应的自动控
制装置进行应急处理(如切断电闸、开启消防装置、隔
离有毒物)，参观者可清晰的看到整个过程。同时通
过原理流程演示还可了解数据经过多跳传感网络传
输的整个过程的工作原理。通过简单设置，也可将报
警信息发送至指定移动终端(如智能手机)，该移动终
端亦可发送相应命令了解现场各种数据。
3．2示范验证平台的工作原理
与化工园区的实际物联网系统一样，该物联网示
范平台由数据感知层、传输网络层和管理应用层构
成l1。平台总体层次及功能结构设计如图2所示。
—一目远髓制
控制
系统
界面显示
数据统计分析I数据智能处理I预警l沙盘
数据库系统I系统l控制
生产医J重大危险源(库
监控l区、排污口等)
I传感器、视频频传感器l……
公共区域
视频监控
传感器、
视频
危化品运输
车辆监控
传感器、
RFID椁
图2平台总体功能结构
感知层包括传感数据采集、简单预处理、多跳路
由后到达网关节点的整个过程。无线传感器可将采
集的信息经过A／D转换和DSP之后的数据发送至
邻近传感器节点，邻近节点根据路由协议规则，多跳
后将数据传送至网关节点。由于无线传感器能量有
限，传感器之间的传输网络选用的是功耗较小、容易
实现的ZigBee网络。
网络层包括数据从网关到应用服务器的整个过
程。在实际应用中，该部分传输距离较远，通常选用
带宽相对较大、传输距离较远的无线传输技术(如
Wi—Fi、无线公网)。本项目搭建的平台规模较小，此
处选用各方面指标都能满足要求的Wi—Fi网络。针
对个别节点，也可以通过内置GSM或者GPRS模
块，直接接人到无线公网。
应用层主要是数据的处理和存储，也包括人工、
智能指令的收发。该部分的后台支撑系统是整个物
联网系统的关键所在，它可完成数据的集中处理和综
合应用，满足用户的多样化需求。
4示范平台的工作流程及功能模块
该物联网示范平台各模块工作流程如图3所示。
本系统采用自动控制结合人工控制的方式对园区进
行管理。通过前端设备采集现场数据，若检测为异常
信息，根据系统预设：一方面产生声、光报警信号，并
触发自动控制装置；另一方面，报警信息经多跳网络
传送至控制中心服务器，并即刻在中心屏幕显示，同
时向远程用户发布告警信息，启动远程指挥模块。
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现场数据采集
++
数据多跳传输现场告警I自动应急装置
自动控制部分
数据传送至处理服务器
++
中心显示告警信息发布告警信息至无线终端
I’r
lI调取相关数据I
现场部署
线指挥
+远程控制部分
进行应急救援
图3系统工作流程
本平台根据园区企业产品特性以及实际管理需
求设计了有毒可燃气体泄露检测、火灾报警、污水检
测、车辆监控以及防入侵安全管理功能模块。
4．1可燃气体泄漏检测
通过分辨率较高的传感器可实时采集可燃气体
的浓度，再采用以太网组网方式将采集数据上传给控
制中心服务器。系统预设有趋势告知门限告警功能，
当空气中的可燃气体浓度一直保持上升的趋势时，将
触发趋势告警，当可燃气体浓度已达预设门限值时，
将触发门限告警，信息与该传感器协同工作的报警装
置立刻发出声光报警信号，A动排风机自动开启。当
空气巾的可燃气体浓度同落至预设的门限值时，排风
机A动关闭。控制中心接收到报警信号后，大屏幕会
切换显示报警地点的监控画面，中心控制系统自动启
动应急救援方案。另外，移动终端收到报警信息后，
发送指令指挥事故现场的救援工作。
4．2有毒气体检测
有毒气体检测对发射频率没有特定要求，无线传
感器采用ZigBee组网方案，网关节点通过wi—Fi模
块与中心服务器互联。
有毒气体的检测主要针对的是存放危化品的库
区。当检测到有毒气体报警信息时，事故现场发出声
光报警信号，提醒库区的工作人员离开现场，库区的
闸门自动关上。同时，控制中心接收到报警信号时，
会自动切换大屏幕画面到库区现场，并突出显示有毒
气体泄漏的具体位置。同时，控制中心相应的应急方
案自动启用。无线终端可定点查询事故现场的情况，
并发送相关指令，指挥应急工作。直到有毒气体的浓
度达到安全值，系统恢复正常运作状态。
／56物联网2011门0
4．3火灾报警
采用温度传感器结合红外摄像技术，可实现对火
灾事故的准确检测。由于视频摄像数据量非常大，同
时还要保证火灾发生后网络仍可用，故该模块采用以
太网组网方案。
在演示平台上选择火灾报警项，可演示生产厂区
或库区某一指定地点将发生火灾，火势慢慢扩散。红
外摄像监控装置以及温度传感器感应到火灾信号时，
会立刻发出报警信号，同时消防洒水喷头自动启动。
控制中C-也会自动启用相应的应急方案。无线终端
即发送相关指令，指挥应急工作。直到火苗完全熄
灭，系统恢复正常运作状态。
4．4污水排放检测
由于排污口往往都比较偏僻，单独组建无线网络
或有线传输介质成本较高，故污水排放检测传感器采
用无线公网接人方案。
通过演示平台触摸屏控制，可进入污水排放智能
监控功能演示状态。当演示系统触发沙盘中的污水
排放口污水有害物质浓度超标，传感器检测到信息后
将启动自动关闭水闸装置，同时将告警信息传送至中
心显示器和移动终端。中心根据告警信息进行更进
一步详细的了解情况，并采取相应应对措施(如对污
水进行净化处理之后再排放)。移动终端收到报警信
息之后，将发送对应指令调取事故现场相关数据，进
行无线远程指挥工作。
4．5车辆监控
对车辆的监控主要采用RFID技术，系统要给园
区内每辆车都贴上电子标签，该标签记录着危化品的
特性信息，如车牌号、车辆类型、起始地、目的地、责任
单位、运载货物、装载量、生产日期、危险性、运输安全
事项以及司机姓名、联系电话等信息。布设在园区交
通要道、出入口的读卡器可读取相关信息，并进行简
单的预处理，然后通过无线发射模块将数据传送到中
心服务器以实时监控车辆状态，位置等，方便对其进
行登记、管理。在实际应用中，可结合全球定位系统
(GPS)实现更加全面的管理监控。
5结语
本文设计的物联网示范平台主要基于重庆化工
园区物联网安监安防系统，通过平台可以对其进行简
单模拟实现，并展示各关键功能，从而证明系统的可
实施性和可部署性，满足化工园区管理和监测需要。
(下转第59页)
万方数据
学术研究AcademicF0rum2黪雕
#include”stm32f10x．h”
#include”misc．h”
#include”stm32fl0Xcan．h”
#include”platformconfig．h”
typedefenum{FAILED一0，PASSED一!FAILED}
TestStatus；
10uint32tret一0：／forreturnoftheinterrupt
handling
volatileTestStatusTestRx：
intmain(void)
RCC
—
Configurati。n()；
jSystemClocksConfiguration／
NVIC
—
Configuration()；／NVICConfiguration／
GPI()_Configuration()；
fGPIOportspinsConfiguration{
TestRx—CAN
—
Polling()；
／Transat100Kb／sreceivebypollinginloopbackmode／
if(TestRX一一FAILED)
／测试收有效GPIOB12置高，否则GPIOB13置高／
{GPIOSetBits(GPIOB，GPIOPinl2)；}
else
{GP1OSetBits(GPIOB，GPIOPinl3)；}
TestRx—CANInterrupt()：
|Transat500Kb／sreceivebyinterruptinloopbackmode／
if(TestRx一=FAILED)
／测试收有效GPIOB14置高，否则GPIf)B15置高／
{GPIOSetBits(GP10B，GPIOPin14)；)
else
{GPIOSetBits(GPIOB，GPIOPin15)；)
while(1)
{
}
}
3结语
鉴于CAN总线技术在其他工业领域的巨大成
功，其特点也适合在舰船高盐、高湿环境下工作，也可
以尝试推广至舰船动力监测、监控系统、武器系统等
领域。
参考文献
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作者简介：孙义卓男，高级工程师。研究方向为舰船通信技术。
(上接第56页)
对物联网的示范验证可加快推进物联网产业化应用
进程。在物联网发展壮大的同时，该平台也可进行二
次开发。该平台设计属于示范验证类课题，同时也是
对物联网应用的可行性进行论证，可促进物联网产业
发展及其应用。
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作者简介：黎妮女，1987年出生，重庆人，在读硕士。主要研究方向为通信网测试技术。
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