基于ZigBee無線網(wǎng)絡的氣體監(jiān)測報警系統(tǒng)設計

摘要 利用ZigBee實現(xiàn)短距離無線傳榆數(shù)據(jù)的技術(shù)，提出一種基于ZigBee無線網(wǎng)絡的氣體監(jiān)測報警系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括終端節(jié)點、協(xié)調(diào)器、GSM模塊、手機4部分，終端節(jié)點與協(xié)調(diào)器通過ZigBee無線網(wǎng)絡進行通信，且對系統(tǒng)的硬件和軟件設計進行了分析。當有毒氣體濃度超過警戒值，則驅(qū)動蜂鳴器和LED指示燈進行聲光報警。實踐證明，利用Zigee技術(shù)傳輸數(shù)據(jù)具有功耗低、時延小、體積小、耗費少等優(yōu)點。
關(guān)鍵詞 無線傳感器網(wǎng)絡；ZigBee；監(jiān)測系統(tǒng)；報警系統(tǒng)

    目前國內(nèi)外大部分氣體監(jiān)測系統(tǒng)存在不足：如系統(tǒng)龐大、成本高、安裝困難、無法遠程監(jiān)控，過分依賴以電線和電纜為基礎的通信設施。并且現(xiàn)在市場上銷售的手持便攜式設備，需要人員進入監(jiān)測室內(nèi)進行測試，測試方法為單點測量，如果要長時間進行監(jiān)測，設備需要外接電源，使用不方便且對人體有危害。而且單次單點測量得到的數(shù)據(jù)不一定能代表室內(nèi)空氣中長期存在的污染氣體濃度水平，影響監(jiān)測數(shù)據(jù)的精確度。及時可靠地探測空氣中某些氣體的含量，及時采取有效措施進行補救，采取正確的處置方法，減少泄漏引發(fā)的事故，是避免造成重大財產(chǎn)和人員傷亡的必要條件。這就對氣體的檢測和監(jiān)測設備提出了較高的要求。

1 系統(tǒng)總體方案設計
    系統(tǒng)包括終端節(jié)點、協(xié)調(diào)器、GSM(Global System of Mobile Communication)模塊、手機與快速化學處理裝置5部分，終端節(jié)點與協(xié)調(diào)器通過ZigBee無線網(wǎng)絡進行通信，協(xié)調(diào)器與GSM模塊通過串口進行通信，GSM模塊與手機通過短信息進行通信，快速化學處理裝置對有害氣體進行一系列化學處理，實現(xiàn)零污染排放。
    目前，5種短距離無線網(wǎng)絡技術(shù)正成為業(yè)界談論的熱點，它們分別是無線局域網(wǎng)(Wi—Fi)、超寬帶通信(Ultra Wideband，UWB)、近場通信(Near FieldCommunication，NFC)、藍牙(Bluetooth)、紅外線數(shù)據(jù)通信IrDA和ZigBee。綜合考慮硬件設計復雜度、接口方式、開發(fā)周期、開發(fā)成本以及通信距離等因素。設計采用ZigBee技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的近距離無線傳輸，而遠距離通信則采用GSM技術(shù)。
    ZigBee有3種組網(wǎng)方式：星形網(wǎng)、網(wǎng)狀網(wǎng)和簇狀網(wǎng)。從系統(tǒng)設計的特點出發(fā)，采用樹簇形拓撲網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。
    終端節(jié)點1檢測MQ—135空氣質(zhì)量傳感器的負載輸出電壓，當電壓超過設定的正常值時，終端節(jié)點聲光報警，啟動快速集氣處理裝置，對有害氣體進行收集并處理。終端節(jié)點通過ZigBee無線網(wǎng)絡發(fā)送數(shù)據(jù)消息給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器對接收到的數(shù)據(jù)進行判斷，當判斷需報警時，在LCD(Liquid Crystal Display)顯示報警信息，并通過GSM網(wǎng)絡發(fā)送短信給其綁定的手機用戶，告知用戶環(huán)境中有害氣體濃度超標。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計總體框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設計
    ZigBee網(wǎng)絡節(jié)點的結(jié)構(gòu)如圖2所示。ZigBee網(wǎng)絡節(jié)點要完成來自傳感器的信息的收集、無線網(wǎng)絡的加入、以及無線數(shù)據(jù)的發(fā)送。電路應該有數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理器模塊、無線通信模塊和供電模塊等部分組成。采集模塊通過監(jiān)測有害氣體的濃度，將物理量轉(zhuǎn)化成電信號，無線通信模塊完成A／D轉(zhuǎn)換及通信，供電模塊負責各節(jié)點供電。ZigBee無線節(jié)點的硬件選擇TI公司的CC2430作為ZigBee模塊的主控芯片，CC24 30集成了一個高性能的無線射頻RF模塊和一個增強型的8051處理器，同時集成了TI的Z-Stack協(xié)議棧，可充當ZigBee網(wǎng)絡中的協(xié)調(diào)器、路由節(jié)點或終端節(jié)點3種角色。終端采集節(jié)點方案如圖3所示。

2．1 采集節(jié)點硬件設計
    CC2430采集節(jié)點采用開發(fā)成熟的擴展模塊，其硬件原理圖如圖4所示。

2．2 傳感器報警電路設計
    設計中，對環(huán)境中有害氣體的檢測采用MQ-135空氣質(zhì)量傳感器。MQ-135氣體傳感器所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導率較低的Sn O2。當傳感器所處環(huán)境中存在污染氣體時，傳感器的電導率隨空氣中污染氣體濃度的增加而增大。使用簡單的電路即可將電導率的變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對應的輸出信號。MQ-135傳感器對氨氣、硫化物、苯系蒸汽的靈敏度高，對煙霧和其他有害氣體的監(jiān)測也很理想。這種傳感器可檢測多種有害氣體，是一款適合多種應用的低成本綜合性傳感器。MQ-135空氣質(zhì)量檢測傳感器原理如圖5所示。

2．3 GSM模塊設計
    GSM模塊的作用是把本地采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到遠端去。因為ZigBee網(wǎng)絡要實現(xiàn)遠距離傳輸比較困難，而現(xiàn)有的GSM網(wǎng)絡已完善，覆蓋率高，所以采用本地使用ZigBee網(wǎng)絡實現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)的采集與匯總，然后通過GSM網(wǎng)絡把數(shù)據(jù)以短消息的方式傳送到遠端。GSM模塊采用Siemens的TC35模塊，它是一個GSM調(diào)制解調(diào)器，提供RS232串口可以方便地與PC機、單片機連機通訊，并采用AT格式指令。
    GSM模塊電路包括以下幾部分：(1)1FC35模塊，這是核心部件，實現(xiàn)GSM通信的所有功能。(2)電源模塊。(3)SIM卡接口電路，接入GSM網(wǎng)絡必須要一張SIM電話卡。(4)RS232串口通信電路，實現(xiàn)與CC2430微控制器之間的通信。

3 系統(tǒng)軟件設計
    ZigBee開發(fā)環(huán)境是TI公司的Zstack，系統(tǒng)采用ZStack—1．4．2—1．1．0開發(fā)工具使用IAR。ZigBee協(xié)議棧包括5層，如圖6所示。設計主要針對應用層應用C語言進行開發(fā)應用。

    根據(jù)設計功能論述和原理說明，系統(tǒng)終端節(jié)點、協(xié)調(diào)器節(jié)點軟件流程如圖7所示。

4 結(jié)束語
    本設計以節(jié)能減排為目的，不同于以往的有害氣體泄漏報警系統(tǒng)，其特點是：(1)設計采用TI公司的CC2430芯片為主控芯片，通過Zig Bee無線網(wǎng)絡的建立，能使覆蓋面更廣。(2)其電路簡單、結(jié)構(gòu)緊湊、功能強大、使用方便、可靠地應用于家居或工業(yè)現(xiàn)場對空氣中有害氣體濃度的檢測與處理，并通過GSM技術(shù)發(fā)送短消息通知用戶現(xiàn)場環(huán)境中有害氣體超標的警報。(3)當氣體濃度超標時，可自動打開快速集氣處理裝置，快速對有害氣體進行收集與可行性化學處理，實現(xiàn)零污染排放。(4)所研制的有害氣體報警器不僅具有一般報警器的功能，且增加了周密的保護措施，確保危險及時得到解除，保障環(huán)境衛(wèi)生、人身安全與財產(chǎn)安全。
    實踐證明，此系統(tǒng)操作方便、探測范圍廣，可便于集中管理，具有較高的使用價值。同時其需要投入的成本低，經(jīng)濟效益高。