基於ZigBee的探傷車間人員安全防護系統的製作方法

2023-10-09 04:00:29

專利名稱：基於ZigBee的探傷車間人員安全防護系統的製作方法
技術領域：
本實用新型屬於無線通信技術及環境監控技術，特別是基於ZigBee的探傷車間人員安全防護系統。
背景技術：
焊接工廠探傷車間作為需要經常使用放射源進行工件探傷的場所，輻射防護是非常重要的一環，獲取探傷車間輻射變化信息對於確保工作人員免受輻射傷害具有非常重要的作用。此外，探傷車間由於需要頻繁使用放射源對工件進行探傷作業，其發生潛在核洩漏事故的概率非常高。一旦發生輻射源脫落或者卡源等核事故，放射源將會汙染環境，並可能造成工作人員、公眾受到過量的照射，嚴重時會導致死亡。因此，在發生核洩漏事故後，應立即將探傷車間的輻射信息數據傳輸給監控指揮中心，以便及時採取核事故應急救援措施。當前的救援方式主要是在核輻射事故發生後，救援人員立即攜帶核應急監測終端趕赴現場進行數據採集，並將處理後的數據傳輸到監測指揮中心，以便監測指揮中心及時了解情況做出快速反應，以應對緊急情況，將損失減到最小。這個過程中有很大的延時，並且現場輻射信息數據的採集並不全面準確。因此，建立探傷車間實時全方位輻射監控系統非常必要。核事故具有突發性，危害性很大，必須事發時立即與監測指揮中心建立數據傳輸，傳輸不能出現嚴重錯誤，耽誤時間就會造成不可想像的後果。因此，現場環境信息數據的傳輸必須實時性好，準確性高，此外，現場環境的複雜性使得該數據傳輸還需要抗幹擾能力強。
`[0007]傳統的監測數據傳輸是通過有線方式進行的，若在多點鋪設有線核環境監測數據採集終端，必將造成較大的人力財力支出，且不便於應急使用。Zigbee作為一種新型的短距離、低速率、低功耗無線傳感網絡技術，與有線數據傳輸相比，具有易於鋪設，成本低廉等特點。

實用新型內容本實用新型的目的是為了提高探傷車間工作人員的輻射防護安全，提供了基於ZigBee的探傷車間人員安全防護系統，該系統通過傳感器節點以及由傳感器節點構成的無線傳感網絡實現了對探傷車間環境參數的實時全方位採集，通過ZigBee無線通訊技術實現了監控系統布置的方便性，通過探傷車間監控中心的監控軟體對環境信息進行實時處理，進而控制探傷車間門禁系統、探傷作業操作臺和聲光報警裝置進行相應的動作，增強了對探傷車間工作人員的輻射防護。基於ZigBee的探傷車間人員安全防護系統，其特徵在於包括安裝設置於操作間的探傷車間監控中心、設置於曝光間的網關節點和η個傳感器節點，所述η個傳感器節點按照ZigBee協議組成無線傳輸網絡，與網關節點建立連接；所述網關節點通過乙太網接入探傷車間監控中心；其中，η為正整數。所述傳感器節點包括控制器一、ZigBee無線通訊模塊一、輻射探測模塊、人體感應傳感器、煙霧傳感器、溫溼度傳感器、LED燈一、蜂鳴器一、電池一、外接電源一及電源管理模塊一；其中，電池一、外接電源一分別與電源管理模塊一的輸入端相連，電源管理模塊一的輸出端分別與控制器一、ZigBee無線通訊模塊一、輻射探測模塊、人體感應傳感器、煙霧傳感器、溫溼度傳感器相連，控制器一分別與ZigBee無線通訊模塊一、輻射探測模塊、人體感應傳感器、煙霧傳感器、溫溼度傳感器雙向連接，控制器一的輸出端連接輻射探測模塊、LED燈一、蜂鳴器一。所述控制器一與輻射探測模塊、人體感應傳感器、煙霧傳感器、溫溼度傳感器通過傳感器接口雙向連接。所述控制器一的輸出端通過控制器接口一與福射探測模塊、LED燈一、蜂鳴器一相連，控制器接口一與控制器一之間雙向連接。所述輻射探測模塊採用的是輻射強度測量傳感器。所述網關節點包括控制器二、ZigBee無線通訊模塊二、網卡晶片、LED燈二、蜂鳴器二、電池二、外接電源二及電源管理模塊二 ；其中，電池二、外接電源二分別與電源管理模塊二的輸入端相連，電源管理模塊二的輸出端分別與控制器二、ZigBee無線通訊模塊二、網卡晶片相連，控制器二分別與ZigBee無線通訊模塊二、網卡晶片雙向連接,控制器二的輸出端連接LED燈二和蜂鳴器二。所述控制器二的輸出端通過控制器接口二連接LED燈二和蜂鳴器二，控制器接口二與控制器二之間雙向連接。所述傳感器節 點的ZigBee無線通訊模塊一和網關節點的ZigBee無線通訊模塊二採用相同的無線射頻晶片。所述探傷車間監控中心還連接有門禁系統、探傷作業操作臺和聲光報警裝置。所述傳感器節點安裝不同類型的傳感器，用於獲取輻射信息、人體感應信息、煙霧感應信息、溫溼度，並根據預設的報警條件進行報警；所述網關節點用於將接收到的環境信息傳遞給探傷車間監控中心，並根據預設的報警條件進行報警；所述探傷車間監控中心及運行的監控軟體實現系統配置、傳感器節點管理、數據存儲及查詢、圖表顯示、報警管理，以及對門禁系統、探傷作業操作臺和聲光報警裝置的控制功能；所述門禁系統、探傷作業操作臺和聲光報警裝置用於接收探傷車間監控中心發送的控制指令並執行相應的指令動作；其中輻射探測模塊採用的是輻射強度測量傳感器。本實用新型的工作過程為傳感器節點根據監控中心的配置，按照預設的周期定時對探傷車間的環境信息進行採集(包括輻射信息、人體感應信息、煙霧感應信息、溫溼度等)，並將環境信息數據發送給網關節點；網關節點接收到該數據後轉發給探傷車間監控中心，探傷車間監控中心在接收到該數據後，進行數據存儲，並繪製圖表，在監控界面進行相應的數據更新顯示，並根據預設的報警條件進行報警判斷，若出現報警事件，則使用聲音或LED燈閃爍報警，並對門禁系統和探傷作業操作臺進行相應的控制動作。本實用新型採用無線傳感網絡對探傷車間的環境信息進行採集，實現了對探傷車[0021 ] 間環境的實時全方位監測，監控中心通過對探傷車間的實時環境信息的分析處理，能夠及時發現危險事件(如傳感器節點發現了探傷車間某個方位產生了超標準的大劑量輻射，或者工作人員正遭受大劑量的輻射等)，進而及時進行聲光報警，並根據設定條件通過控制門禁系統和探傷作業操作臺進行相應的動作，保證了工作人員能夠及時採取相應的救護措施。因此，本實用新型具有以下特點及效果1、通過設計傳感器節點以及由傳感器節點構成的無線傳感網絡實現了對探傷車間環境參數的實時全方位採集；2、通過設計傳感器節點，將輻射探測模塊和人體感應傳感器以及報警裝置相結合，實現了對人體輻射的自動檢測和報警；3、通過ZigBee無線通訊技術實現了監控系統布置的方便性本實用新型中傳感器節點採用無線傳感網絡對探傷車間的環境信息進行採集，使得系統安裝時沒有布線的限制，可適應多種現場環境，方便安裝、放置；4、通過探傷車間監控中心的監控軟體對環境信息進行實時處理，進而控制探傷車間門禁系統、探傷作業操作臺和聲光報警裝置進行相應的動作，增強了對探傷車間工作人員的輻射防護。
圖1是本實用新型的系統組成結構示意圖圖2是本實用新型的傳感器節點的結構示意圖圖3是本實用新型的網關節點的結構示意圖其中附圖標記為1操作間，2曝光間，3監控中心，4聲光報警裝置，5門禁系統，6探傷作業操作臺，7網關節點，8傳感器節點，9-10 ZigBee無線通訊模塊一、二，11-12控制器一、二，13-14電源管理模塊一、二，15-16外接電源一、二，17-18電池一、二，19傳感器接口，20溫溼度傳感器，21煙霧傳感器，22人體感應傳感器，23輻射探測模塊，24-25控制器接口一、二，26-27LED 燈一、二，28-29 蜂鳴器一、二，30 網卡晶片。
具體實施方式
如圖1所示，基於ZigBee的探傷車間人員安全防護系統，包括安裝設置於操作間I的探傷車間監控中心3、設置於曝光間2的網關節點7和η個傳感器節點8，所述η個傳感器節點8按照ZigBee協議組成無線傳輸網絡，與網關節點7建立連接；所述網關節點7通過乙太網接入探傷車間監控中心3 ;其中，η為正整數。操作間I還設置有聲光報警裝置4、門禁系統5以及探傷作業操作臺6，聲光報警裝置4、門禁系統5以及探傷作業操作臺6均與監控中心3相連接。網關節點7放置於探傷車間曝光間2的入口處，通過網線接入到監控中心3計算機；傳感器節點8則分布於探傷車間的曝光間2各個方位，以便全面監測曝光間2的輻射信息，特別是需要在曝光間2的放射源包儲藏室放置傳感器節點8，以便實時監測放射源包是否在儲藏室內。如圖2所示，所述傳感器節點8包括控制器一 11、ZigBee無線通訊模塊一 9、輻射探測模塊23、人體感應傳感器22、煙霧傳感器21、溫溼度傳感器20、LED燈一 26、蜂鳴器
一28、電池一 17、外接電源一 15及電源管理模塊一 13 ;其中，電池一 17、外接電源一 15分別與電源管理模塊一 13的輸入端相連，電源管理模塊一 13的輸出端分別與控制器一 11、ZigBee無線通訊模塊一 9、輻射探測模塊23、人體感應傳感器22、煙霧傳感器21、溫溼度傳感器20相連，控制器一 11分別與ZigBee無線通訊模塊一 9、輻射探測模塊23、人體感應傳感器22、煙霧傳感器21、溫溼度傳感器20雙向連接，控制器一 11的輸出端連接輻射探測模塊23、LED燈一 26、蜂鳴器一 28。所述控制器一 11與輻射探測模塊23、人體感應傳感器22、煙霧傳感器21、溫溼度傳感器20通過傳感器接口 19雙向連接。所述控制器一 11的輸出端通過控制器接口 一 24與福射探測模塊23、LED燈一 26、蜂鳴器一 28相連，控制器接口一 24與控制器一 11之間雙向連接。所述傳感器節點8安裝不同類型的傳感器，用於獲取輻射信息、人體感應信息、煙霧感應信息、溫溼度，並根據預設的報警條件進行報警；所述網關節點7用於將接收到的環境信息傳遞給探傷車間監控中心3，並根據預設的報警條件進行報警；所述探傷車間監控中心3及運行的監控軟體實現系統配置、傳感器節點8管理、數據存儲及查詢、圖表顯示、報警管理，以及對門禁系統5、探傷作業操作臺6和聲光報警裝置4的控制功能；所述門禁系統5、探傷作業操作臺6和聲光報警裝置4用於接收探傷車間監控中心3發送的控制指令並執行相應的指令動作。傳感器節點8中控制器一 11用於參數暫存，對環境參數進行採樣，根據預設閾值判斷是否報警，控制ZigBee無線通訊模塊一 9按照設定的周期將數據發送給網關節點7 ；輻射探測模塊23用於檢測傳感器節點8附近的輻射強度，輻射檢測模塊利用輻射產生的脈衝來探測周圍環境中的Y射線；人體感應傳感器22用於檢測是否有人靠近傳感器節點8，採用紅外熱釋電傳感模塊，該模塊通過檢測人體發出的紅外線進行人體感應；輻射檢測模塊與人體感應傳感器22相結合，保證在探傷過程中車間的無人狀態或者是核輻射意外洩漏情況下的對靠近核輻射源的人員的告警提示；煙霧傳感器21用於檢測探傷車間空氣中的煙霧以及甲烷氣體，溫溼度傳感器20用於測量探傷車間溫溼度。所述傳感器節點8的每個傳感器工作流程，包括以下步驟I)傳感器節點8上電初始化；2)搜索已存在的ZigBee網絡，並嘗試加入該網絡；3)若加入網絡成功，則跳至步驟4)，否則跳至步驟2)；4)監聽加入的ZigBee網絡；5)判斷是否收到網關節點7信息，若收到，則跳至步驟6)，否則，跳至步驟4)；6)向網關節點7發送應答消息；7)解析接收到的來自網關節點7的指令，判斷是否需要更新步驟I)所述傳感器節點8的採樣周期或閾值，若需要，則跳至8)，否則跳至步驟9)；8)更新步驟7)所述網關節點7的採樣周期或閾值；9)按照採樣周期採集步驟7)所述網關節點7附近的環境信息；10)判斷採集到的環境信息是否超出閾值，若超出閾值，則跳至步驟11)，否則跳至步驟12)；[0052]11)聲光報警；12)將採集到的環境信息進行打包，並無線發送給網關節點7，跳至步驟9)。如圖3所示，所述網關節點7包括控制器二 12、ZigBee無線通訊模塊二 10、網卡晶片30、LED燈二 27、蜂鳴器二 29、電池二 18、外接電源二 16及電源管理模塊二 25 ;其中，電池二 18、外接電源二 16分別與電源管理模塊二 25的輸入端相連，電源管理模塊二 25的輸出端分別與控制器二 12、ZigBee無線通訊模塊二 10、網卡晶片30相連,控制器二 12分別與ZigBee無線通訊模塊二 10、網卡晶片30雙向連接，控制器二 12的輸出端連接LED燈
二27和蜂鳴器二 29。所述控制器二 12的輸出端通過控制器接口二 25連接LED燈二 27和蜂鳴器二 29，控制器接口二 25與控制器二 12之間雙向連接。網關節點7的網卡晶片30用於實現網關節點7與監控中心3的計算機的雙向通τΗ ο網關節點7工作流程，包括以下步驟I)網關節點7上電初始化，並通過乙太網口與監控中心PC建立連接；2)建立 ZigBee 網絡；3)若ZigBee網絡建立成功則跳至步驟4)，否則跳至步驟2)；4)監聽網絡和外部設備；5)若收到消息跳 至步驟6)，否則跳至步驟4)；6)若收到的信息來自乙太網，跳至步驟7)，否則跳至步驟11)；7)解析來自乙太網的信息；8)根據解析結果給傳感器節點8發送信息；9)等待傳感器節點8的回應；10)若收到來自傳感器節點8的回應，跳至步驟4)，否則跳至步驟9)；11)判斷接收到的的信息是否來自傳感器節點8，若是則跳至步驟12)，否則跳至步驟4);12)判斷發送信息的傳感器節點8是否已入網，若已入網，則跳至步驟13)，否則跳至步驟17);13)對接收到的傳感器節點8信息進行解析；14)判斷接收到的傳感器節點8數據是否超出閾值，如果超出，則跳至步驟15)，否則跳至步驟16)；15)聲光報警16)將接收到的傳感器節點8信息通過乙太網傳送給監控中心PC，跳至步驟4)；17)給步驟12)所述的傳感器節點8分配地址；18)將該節點信息添加至鄰接表，跳至步驟4)。所述傳感器節點8的ZigBee無線通訊模塊一 9和網關節點7的ZigBee無線通訊模塊二 10採用相同的無線射頻晶片。本實用新型的工作過程為傳感器節點8根據監控中心3的配置，按照預設的周期定時對探傷車間的環境信息進行採集(包括輻射信息、人體感應信息、煙霧感應信息、溫溼度等)，並將環境信息數據發送給網關節點7 ;網關節點7接收到該數據後轉發給探傷車間監控中心3，探傷車間監控中心3在接收到該數據後，進行數據存儲，並繪製圖表，在監控界面進行相應的數據更新顯示，並根據預設的報警條件進行報警判斷，若出現報警事件，則使用聲音或LED燈閃爍報警，並對門禁系統5和探傷作業操作臺6進行相應的控制動作。本實用新型的探傷車間監控中心3具有系統配置、傳感器節點8管理、數據存儲及查詢、圖表顯示、報警管理等功能，其中系統配置功能包括設置監控中心3的用戶信息，設置初始警告標誌位；傳感器節點8管理功能為實時設置各傳感器節點8的數據採集和發送周期，以及相應的閾值(存儲在監控中心3的資料庫並發送給網關節點7，傳感器節點8在與網關節點7通訊時自動更新閾值)。在探傷作業的整個過程中，探傷車間的輻射強度閾值必須符合國家工業探傷相關衛生防護標準。本實施例中，探傷作業的不同階段，曝光間2的輻射強度是不同的，因此，探傷車間各傳感器節點8的輻射探測器閾值隨著探傷作業時段的改變而改變。此外，探傷車間內的儲藏室的輻射強度閾值一般要大於探傷車間其他方位的輻射強度閾值；數據存儲及查詢功能實現對監控中心3接收到的環境信息數據進行存儲，並為軟體使用者提供查詢功能；圖表顯示功能實現對傳感器節點8環境參數的圖標顯示；報警管理功能實現對門禁系統5、探傷作業操作臺6和聲光報警裝置4的控制。本實用新型的監控中心3使用多線程實現，監控中心3開始運行後，首先進行系統參數初始化，並創建數據接收子線程和設備控制子線程。在監控中心3的運行過程中，監控界面主線程與數據接收子線程、設備控制子線程進行數據交換，實現監控中心3的各項功能，下面分別對幾個線程的處理步驟進行說明。監控界面主線程包括如下步驟I)讀取各傳感器節點8相關狀態參數，並進行實時界面顯示；2)對各傳感器節點8相關狀態進行判定，更新相應的警告標誌位；3)檢查監控界面是否有重新設置傳感器節點8採樣周期或閾值的操作，若存在，則跳至步驟4)，否則，跳至步驟I)；4)將新設定的採樣周期或閾值通過乙太網發送給網關節點7，跳至步驟I)。數據接收子線程包括如下幾個步驟I)監聽乙太網口；2)若乙太網口收到數據，跳至步驟3)，否則跳至步驟I)；3)將接收到的數據轉換成系統內部數據格式，對相應的傳感器節點8狀態參數進行更新；4)將相應的傳感器節點8狀態參數存入資料庫，跳至步驟I)。設備控制子線程包括如下步驟I)讀取各傳感器節點8相關警告標誌位；2)根據各傳感器節點8相關警告標誌位判斷是否有節點狀態超出閾值，若有，則跳至步驟3)，否則跳至步驟I)；3)進行聲光報警；4)根據警告標誌位向門禁系統5及探傷作業操作臺6發送相應的控制指令，跳至步驟I)。本實施例中的報警事件及處理方式有如下幾種I)在探傷作業準備階段，若傳感器節點8探測到曝光間2輻射強度超過閾值，則傳感器節點8發出聲光報警，網關節點7發出聲光報警，監控中心3發出聲光報警，同時控制門禁系統5，使得曝光間2隻能出不能進，並且鎖定探傷作業操作臺6，使得送源機構無法送出放射源。2)在探傷作業階段，若傳感器節點8探測到曝光間2有人，則傳感器節點8發出聲光報警，網關節點7發出聲光報警，監控中心3發出聲光報警，同時控制門禁系統5，使得曝光間2隻能出不能進，並且控制探傷作業操作臺6立即停止探傷作業，控制送源機構立即回收放射源至放射源包。
權利要求1.基於ZigBee的探傷車間人員安全防護系統，其特徵在於包括安裝設置於操作間Cl)的探傷車間監控中心(3)、設置於曝光間(2)的網關節點(7)和η個傳感器節點(8)，所述η個傳感器節點(8)按照ZigBee協議組成無線傳輸網絡，與網關節點(7)建立連接；所述網關節點(7)通過乙太網接入探傷車間監控中心(3);其中，η為正整數。
2.根據權利要求1所述的探傷車間人員安全防護系統，其特徵在於所述傳感器節點(8)包括控制器一(11)、ZigBee無線通訊模塊一(9)、輻射探測模塊(23)、人體感應傳感器(22)、煙霧傳感器(21)、溫溼度傳感器(20)、LED燈一(26)、蜂鳴器一(28)、電池一(17)、夕卜接電源一(15)及電源管理模塊一(13);其中，電池一(17)、外接電源一(15)分別與電源管理模塊一(13)的輸入端相連，電源管理模塊一(13)的輸出端分別與控制器一(11)、ZigBee無線通訊模塊一(9)、輻射探測模塊(23)、人體感應傳感器(22)、煙霧傳感器(21)、溫溼度傳感器(20)相連，控制器一(11)分別與ZigBee無線通訊模塊一(9)、輻射探測模塊(23)、人體感應傳感器(22)、煙霧傳感器(21)、溫溼度傳感器(20)雙向連接，控制器一(11)的輸出端連接輻射探測模塊(23 )、LED燈一(26 )、蜂鳴器一(28 )。
3.根據權利要求2所述的探傷車間人員安全防護系統，其特徵在於所述控制器一(11)與輻射探測模塊(23)、人體感應傳感器(22)、煙霧傳感器(21)、溫溼度傳感器(20)通過傳感器接口(19)雙向連接。
4.根據權利要求2所述的探傷車間人員安全防護系統，其特徵在於所述控制器一(11)的輸出端通過控制器接口一(24)與輻射探測模塊(23)、LED燈一(26)、蜂鳴器一(28)相連，控制器接口一(24)與控制器一(11)之間雙向連接。
5.根據權利要求4所述的探傷車間人員安全防護系統，其特徵在於所述輻射探測模塊(23)採用的是輻射強度測量傳感器。
6.根據權利要求4所述的探傷車間人員安全防護系統，其特徵在於所述網關節點(7)包括控制器二(12)、ZigBee無線通訊模塊二( 10)、網卡晶片(30)、LED燈二、蜂鳴器二、電池二(18)、外接電源二(16)及電源管理模塊二(14);其中，電池二(18)、外接電源二(16)分別與電源管理模塊二(14)的輸入端相連，電源管理模塊二(14)的輸出端分別與控制器二( 12)、ZigBee無線通訊模塊二 (10)、網卡晶片(30)相連，控制器二 (12)分別與ZigBee無線通訊模塊二( 10 )、網卡晶片(30 )雙向連接，控制器二( 12 )的輸出端連接LED燈二( 27 )和蜂鳴器二(29)。
7.根據權利要求7所述的探傷車間人員安全防護系統，其特徵在於所述控制器二(12)的輸出端通過控制器接口二(25)連接LED燈二(27)和蜂鳴器二(29)，控制器接口二(25)與控制器二(12)之間雙向連接。
8.根據權利要求7所述的探傷車間人員安全防護系統，其特徵在於所述傳感器節點(8)的ZigBee無線通訊模塊一(9)和網關節點(7)的ZigBee無線通訊模塊二( 10)採用相同的無線射頻晶片。
9.根據權利要求8所述的探傷車間人員安全防護系統，其特徵在於所述探傷車間監控中心(3 )還連接有門禁系統(5 )、探傷作業操作臺(6 )和聲光報警裝置(4 )。
專利摘要本實用新型涉及無線監控領域，特別是一種基於ZigBee的探傷車間人員安全防護系統。該系統包括n個傳感器節點，1個網關節點，探傷車間監控中心以及設置在其上事先編制的監控軟體，以及與之相連的探傷車間門禁系統、探傷作業操作臺和聲光報警裝置，n為正整數；其中，傳感器節點通過ZigBee無線通訊協議與網關節點建立連接，網關節點通過乙太網接入探傷車間監控中心，探傷車間監控中心運行監控軟體，並根據監控軟體的數據處理結果對門禁系統、探傷操作臺及聲光報警裝置進行相應的控制；本實用新型通過設計探傷車間無線監控網絡，增強了探傷車間工作人員的輻射防護能力，提高了工作人員的安全性。
文檔編號G08B21/02GK202904336SQ201220540980
公開日2013年4月24日 申請日期2012年10月22日 優先權日2012年10月22日
發明者徐立強, 凌樂, 桂仲成, 金之鉑, 賀驥, 張帆, 陳博翁 申請人:中國東方電氣集團有限公司