基于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的氣體監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要 利用ZigBee實(shí)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(luò)的氣體監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括終端節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器、GSM模塊、手機(jī)4部分，終端節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，且對(duì)系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析。當(dāng)有毒氣體濃度超過警戒值，則驅(qū)動(dòng)蜂鳴器和LED指示燈進(jìn)行聲光報(bào)警。實(shí)踐證明，利用Zigee技術(shù)傳輸數(shù)據(jù)具有功耗低、時(shí)延小、體積小、耗費(fèi)少等優(yōu)點(diǎn)。
關(guān)鍵詞 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；ZigBee；監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；報(bào)警系統(tǒng)

    目前國(guó)內(nèi)外大部分氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)存在不足：如系統(tǒng)龐大、成本高、安裝困難、無法遠(yuǎn)程監(jiān)控，過分依賴以電線和電纜為基礎(chǔ)的通信設(shè)施。并且現(xiàn)在市場(chǎng)上銷售的手持便攜式設(shè)備，需要人員進(jìn)入監(jiān)測(cè)室內(nèi)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試方法為單點(diǎn)測(cè)量，如果要長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行監(jiān)測(cè)，設(shè)備需要外接電源，使用不方便且對(duì)人體有危害。而且單次單點(diǎn)測(cè)量得到的數(shù)據(jù)不一定能代表室內(nèi)空氣中長(zhǎng)期存在的污染氣體濃度水平，影響監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的精確度。及時(shí)可靠地探測(cè)空氣中某些氣體的含量，及時(shí)采取有效措施進(jìn)行補(bǔ)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(cái)產(chǎn)和人員傷亡的必要條件。這就對(duì)氣體的檢測(cè)和監(jiān)測(cè)設(shè)備提出了較高的要求。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)包括終端節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器、GSM(Global System of Mobile Communication)模塊、手機(jī)與快速化學(xué)處理裝置5部分，終端節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，協(xié)調(diào)器與GSM模塊通過串口進(jìn)行通信，GSM模塊與手機(jī)通過短信息進(jìn)行通信，快速化學(xué)處理裝置對(duì)有害氣體進(jìn)行一系列化學(xué)處理，實(shí)現(xiàn)零污染排放。
    目前，5種短距離無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)正成為業(yè)界談?wù)摰臒狳c(diǎn)，它們分別是無線局域網(wǎng)(Wi—Fi)、超寬帶通信(Ultra Wideband，UWB)、近場(chǎng)通信(Near FieldCommunication，NFC)、藍(lán)牙(Bluetooth)、紅外線數(shù)據(jù)通信IrDA和ZigBee。綜合考慮硬件設(shè)計(jì)復(fù)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(shè)計(jì)采用ZigBee技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的近距離無線傳輸，而遠(yuǎn)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(shè)計(jì)的特點(diǎn)出發(fā)，采用樹簇形拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。
    終端節(jié)點(diǎn)1檢測(cè)MQ—135空氣質(zhì)量傳感器的負(fù)載輸出電壓，當(dāng)電壓超過設(shè)定的正常值時(shí)，終端節(jié)點(diǎn)聲光報(bào)警，啟動(dòng)快速集氣處理裝置，對(duì)有害氣體進(jìn)行收集并處理。終端節(jié)點(diǎn)通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送數(shù)據(jù)消息給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，當(dāng)判斷需報(bào)警時(shí)，在LCD(Liquid Crystal Display)顯示報(bào)警信息，并通過GSM網(wǎng)絡(luò)發(fā)送短信給其綁定的手機(jī)用戶，告知用戶環(huán)境中有害氣體濃度超標(biāo)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)總體框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
    ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)要完成來自傳感器的信息的收集、無線網(wǎng)絡(luò)的加入、以及無線數(shù)據(jù)的發(fā)送。電路應(yīng)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(cè)有害氣體的濃度，將物理量轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，無線通信模塊完成A／D轉(zhuǎn)換及通信，供電模塊負(fù)責(zé)各節(jié)點(diǎn)供電。ZigBee無線節(jié)點(diǎn)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(gè)高性能的無線射頻RF模塊和一個(gè)增強(qiáng)型的8051處理器，同時(shí)集成了TI的Z-Stack協(xié)議棧，可充當(dāng)ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器、路由節(jié)點(diǎn)或終端節(jié)點(diǎn)3種角色。終端采集節(jié)點(diǎn)方案如圖3所示。

2．1 采集節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)
    CC2430采集節(jié)點(diǎn)采用開發(fā)成熟的擴(kuò)展模塊，其硬件原理圖如圖4所示。

2．2 傳感器報(bào)警電路設(shè)計(jì)
    設(shè)計(jì)中，對(duì)環(huán)境中有害氣體的檢測(cè)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(dǎo)率較低的Sn O2。當(dāng)傳感器所處環(huán)境中存在污染氣體時(shí)，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中污染氣體濃度的增加而增大。使用簡(jiǎn)單的電路即可將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)。MQ-135傳感器對(duì)氨氣、硫化物、苯系蒸汽的靈敏度高，對(duì)煙霧和其他有害氣體的監(jiān)測(cè)也很理想。這種傳感器可檢測(cè)多種有害氣體，是一款適合多種應(yīng)用的低成本綜合性傳感器。MQ-135空氣質(zhì)量檢測(cè)傳感器原理如圖5所示。

2．3 GSM模塊設(shè)計(jì)
    GSM模塊的作用是把本地采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到遠(yuǎn)端去。因?yàn)閆igBee網(wǎng)絡(luò)要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸比較困難，而現(xiàn)有的GSM網(wǎng)絡(luò)已完善，覆蓋率高，所以采用本地使用ZigBee網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)的采集與匯總，然后通過GSM網(wǎng)絡(luò)把數(shù)據(jù)以短消息的方式傳送到遠(yuǎn)端。GSM模塊采用Siemens的TC35模塊，它是一個(gè)GSM調(diào)制解調(diào)器，提供RS232串口可以方便地與PC機(jī)、單片機(jī)連機(jī)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(shí)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(luò)必須要一張SIM電話卡。(4)RS232串口通信電路，實(shí)現(xiàn)與CC2430微控制器之間的通信。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    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(shè)計(jì)主要針對(duì)應(yīng)用層應(yīng)用C語言進(jìn)行開發(fā)應(yīng)用。

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

4 結(jié)束語
    本設(shè)計(jì)以節(jié)能減排為目的，不同于以往的有害氣體泄漏報(bào)警系統(tǒng)，其特點(diǎn)是：(1)設(shè)計(jì)采用TI公司的CC2430芯片為主控芯片，通過Zig Bee無線網(wǎng)絡(luò)的建立，能使覆蓋面更廣。(2)其電路簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)緊湊、功能強(qiáng)大、使用方便、可靠地應(yīng)用于家居或工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)空氣中有害氣體濃度的檢測(cè)與處理，并通過GSM技術(shù)發(fā)送短消息通知用戶現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中有害氣體超標(biāo)的警報(bào)。(3)當(dāng)氣體濃度超標(biāo)時(shí)，可自動(dòng)打開快速集氣處理裝置，快速對(duì)有害氣體進(jìn)行收集與可行性化學(xué)處理，實(shí)現(xiàn)零污染排放。(4)所研制的有害氣體報(bào)警器不僅具有一般報(bào)警器的功能，且增加了周密的保護(hù)措施，確保危險(xiǎn)及時(shí)得到解除，保障環(huán)境衛(wèi)生、人身安全與財(cái)產(chǎn)安全。
    實(shí)踐證明，此系統(tǒng)操作方便、探測(cè)范圍廣，可便于集中管理，具有較高的使用價(jià)值。同時(shí)其需要投入的成本低，經(jīng)濟(jì)效益高。