張鵬　秦飛舟

摘要：由于可燃?xì)怏w具有易燃易爆的特點，一旦發(fā)生泄漏往往會釀成嚴(yán)重的事故。為了對室內(nèi)可燃?xì)怏w濃度進行實時監(jiān)測，本文設(shè)計實現(xiàn)了一種室內(nèi)可燃?xì)怏w監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用MQ系列傳感器和cc2530芯片來構(gòu)建傳感結(jié)點和協(xié)調(diào)器結(jié)點，通過ZigBee協(xié)議組建數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)，而后使用上位機對數(shù)據(jù)進行處理，并在室內(nèi)可燃?xì)怏w濃度超過閾值時對用戶進行警告。

關(guān)鍵詞：ZigBee；可燃?xì)怏w；cc2530

中圖法分類號：TP311 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號：1009-3044（2015）27-0204-02

隨著我國能源結(jié)構(gòu)的不斷完善，越來越多的可燃性氣體成為了人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢苫蛉钡闹匾茉?。但可燃性氣體具有易燃易爆特性，如果在使用中操作不當(dāng)或設(shè)備密封不好，都可能發(fā)生可燃?xì)怏w泄漏現(xiàn)象，進而釀成火災(zāi)或爆炸事故，給國家和人民的生命財產(chǎn)造成損失。為了有效預(yù)防可燃?xì)怏w泄漏事故，本文提出一種基于ZigBee技術(shù)的室內(nèi)可燃?xì)怏w監(jiān)測系統(tǒng)，以MQ系列傳感器和cc2530芯片組成傳感結(jié)點和協(xié)調(diào)器結(jié)點，構(gòu)成無線數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)對室內(nèi)可燃?xì)怏w的檢測和預(yù)警。該系統(tǒng)具有功耗低、穩(wěn)定可靠、易于維護等特點。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

本系統(tǒng)由信息收集處理結(jié)點和傳感器結(jié)點組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示：

從圖1中可以看出，系統(tǒng)由協(xié)調(diào)器結(jié)點、傳感結(jié)點、上位機和WEB服務(wù)器組成。傳感結(jié)點負(fù)責(zé)采集室內(nèi)可燃?xì)怏w的濃度，然后將濃度值轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓信號，再通過處理電路對信號進行比較、放大、濾波，最后將信號通過ZigBee協(xié)議發(fā)送給協(xié)調(diào)器結(jié)點。協(xié)調(diào)器結(jié)點通過ZigBee協(xié)議，建立一個以自己為中心的星型網(wǎng)絡(luò)，等待傳感結(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)并接收傳感結(jié)點發(fā)來的可燃?xì)怏w濃度信息。上位機通過串口與協(xié)調(diào)器結(jié)點相連，對協(xié)調(diào)器結(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)進行處理。上位機一方面通過網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送到WEB服務(wù)器，以便用戶通過訪問WEB服務(wù)器進行實時查看，另一方面在室內(nèi)可燃?xì)怏w的濃度超過閾值時，使用內(nèi)置的移動通信模塊（如GSM模塊）直接向用戶的手機發(fā)送警報信息。

2 協(xié)調(diào)器結(jié)點

協(xié)調(diào)器結(jié)點是整個系統(tǒng)的核心部件，它不僅要負(fù)責(zé)建立ZigBee網(wǎng)絡(luò)，而且要負(fù)責(zé)將傳感結(jié)點發(fā)來的信息轉(zhuǎn)發(fā)給上位機進行處理。為了快捷可靠地實現(xiàn)ZigBee網(wǎng)絡(luò)，本系統(tǒng)選擇TI公司的cc2530芯片來實現(xiàn)協(xié)調(diào)器結(jié)點。cc2530是一款支持ZigBee協(xié)議的低功耗、低成本的SOC解決方案，具有豐富的外設(shè)控制功能，已經(jīng)在汽車電子、工業(yè)控制和無線傳感領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1，2]。協(xié)調(diào)器結(jié)點的工作流程如圖2所示：

從圖2中可以看出，協(xié)調(diào)器結(jié)點首先初始化硬件，配置相應(yīng)的寄存器，而后在整個可用頻段內(nèi)依次搜索可用的信道。如果當(dāng)前信道被占用，協(xié)調(diào)器結(jié)點將檢查下一個信道。如果當(dāng)前信道沒有被占用，協(xié)調(diào)器結(jié)點選擇當(dāng)前信道作為本系統(tǒng)的工作信道，而且配置相應(yīng)的參數(shù)（如個域網(wǎng)標(biāo)識PANID），建立以自己為中心的星型網(wǎng)絡(luò)，等待傳感結(jié)點的加入。如果收到一個傳感結(jié)點發(fā)送的入網(wǎng)請求，協(xié)調(diào)器結(jié)點將向該傳感結(jié)點發(fā)送回應(yīng)信息，同意其加入網(wǎng)絡(luò)。同時，協(xié)調(diào)器結(jié)點給該傳感結(jié)點分配16位短地址，并且將需要配置的其它網(wǎng)絡(luò)信息傳遞給傳感結(jié)點。

在傳感結(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)后，圍繞協(xié)調(diào)器結(jié)點組建的星型數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)就可以基本形成。由于本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)是通過上位機進行處理，因此協(xié)調(diào)器結(jié)點還需要把采集到的數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送給上位機。ZigBee網(wǎng)絡(luò)在收發(fā)數(shù)據(jù)時采用的是數(shù)據(jù)幀形式，而上位機與協(xié)調(diào)器結(jié)點通信采用的是數(shù)據(jù)流形式，因此協(xié)調(diào)器結(jié)點在收到傳感結(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)幀后，需要對該數(shù)據(jù)幀進行拆分，從中取出可燃?xì)怏w濃度數(shù)據(jù)，然后按照預(yù)設(shè)的串口協(xié)議格式，將數(shù)據(jù)組成串口數(shù)據(jù)流發(fā)送給上位機。

3 傳感結(jié)點設(shè)計

由于準(zhǔn)確采集可燃?xì)怏w濃度是整個系統(tǒng)正常工作的基礎(chǔ)，因此本系統(tǒng)采用靈敏度較高的MQ系列傳感器（如MQ5，MQ7等）來構(gòu)建傳感結(jié)點。

MQ系統(tǒng)傳感器使用在清潔空氣中電導(dǎo)率較低的SnO2作為氣敏材料，當(dāng)傳感器所處環(huán)境中存在可燃?xì)怏w時，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中可燃?xì)怏w濃度的增加而增大，使用簡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應(yīng)的輸出，因此MQ系統(tǒng)傳感器具有響應(yīng)恢復(fù)特性快、使用壽命長、穩(wěn)定性可靠、抗煙霧、抗干擾的特點。對于傳感結(jié)點的主控芯片，本系統(tǒng)同樣采用cc2530，由該芯片對MQ傳感器進行控制。傳感結(jié)點的結(jié)構(gòu)如圖3所示：

從圖3中可以看出，MQ傳感器對室內(nèi)可燃?xì)怏w濃度進行采集、放大和降噪濾波之后，將其轉(zhuǎn)化為模擬信號并對該信號進行輸出。由于MQ傳感器的模擬輸出端連接到cc2530的模擬輸入端，因此cc2530可以通過內(nèi)置的12位的ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換器）對輸入的模擬信號進行轉(zhuǎn)換。傳感結(jié)點在完成AD轉(zhuǎn)換（模數(shù)轉(zhuǎn)換）之后，將氣體濃度數(shù)據(jù)組成ZigBee網(wǎng)絡(luò)中使用的數(shù)據(jù)幀，然后將該數(shù)據(jù)幀發(fā)送給協(xié)調(diào)器結(jié)點。傳感結(jié)點的工作流程如圖4所示：

從圖4中可以看出，傳感結(jié)點首先進行硬件初始化，而后向協(xié)調(diào)器結(jié)點發(fā)送加入網(wǎng)絡(luò)的請求。在得到協(xié)調(diào)器結(jié)點的回應(yīng)后，傳感結(jié)點接收協(xié)調(diào)器結(jié)點分配的短地址和其他網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，然后根據(jù)這些參數(shù)進行寄存器的配置。在配置完成之后，傳感結(jié)點開始通過MQ傳感器對室內(nèi)可燃?xì)怏w的濃度進行采集，然后將其轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)信息并通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給協(xié)調(diào)器結(jié)點。由于本系統(tǒng)需要持續(xù)監(jiān)測室內(nèi)可燃?xì)怏w的濃度，因此傳感結(jié)點在加入ZigBee網(wǎng)絡(luò)后會不斷地重復(fù)濃度采集、AD轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)發(fā)送的過程，使得整個系統(tǒng)可以及時發(fā)現(xiàn)室內(nèi)可燃?xì)怏w的濃度變化。

4 上位機設(shè)計

上位機是整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理中樞，它負(fù)責(zé)處理協(xié)調(diào)器結(jié)點收集到的可燃?xì)怏w濃度數(shù)據(jù)。上位機與協(xié)調(diào)器結(jié)點的連接如圖5所示：

從圖5中可以看出，上位機與協(xié)調(diào)器結(jié)點通過串口相連。協(xié)調(diào)器結(jié)點收集到的室內(nèi)可燃?xì)怏w濃度數(shù)據(jù)可以通過串口源源不斷地發(fā)傳給上位機。除此之外，上位機還包含與WEB服務(wù)器通信的網(wǎng)絡(luò)模塊和與用戶移動終端通信的移動通信模塊。通過網(wǎng)絡(luò)模塊，上位機可以將室內(nèi)可燃?xì)怏w的濃度信息發(fā)送到WEB服務(wù)器上，方便用戶進行實時查看。在室內(nèi)可燃?xì)怏w濃度超過閾值時，上位機還可以通過移動通信模塊及時向用戶發(fā)出警報信息。

為了降低系統(tǒng)發(fā)出錯誤警報的比率，本系統(tǒng)中使用了多個傳感結(jié)點，上位機根據(jù)多個傳感結(jié)點采集的數(shù)據(jù)計算室內(nèi)可燃?xì)怏w濃度的平均值。如果平均值低于設(shè)定的閾值，上位機只將數(shù)據(jù)上傳到WEB服務(wù)器，用戶可以隨時通過訪問WEB服務(wù)器進行查看。相反，如果室內(nèi)可燃?xì)怏w濃度的平均值高于設(shè)定的閾值，上位機在繼續(xù)將數(shù)據(jù)上傳到WEB服務(wù)器的同時，立即通過移動通信模塊向用戶發(fā)出警報。

5 總結(jié)

本文基于ZigBee協(xié)議設(shè)計了一種室內(nèi)可燃?xì)怏w監(jiān)測系統(tǒng)，可以實現(xiàn)對室內(nèi)可燃?xì)怏w濃度的實時監(jiān)測。系統(tǒng)采用建立協(xié)調(diào)器結(jié)點、傳感結(jié)點的方法，組成室內(nèi)可燃?xì)怏w濃度的采集網(wǎng)絡(luò)，將采集到的信息傳輸?shù)缴衔粰C進行處理。上位機不僅可以將氣體濃度數(shù)據(jù)上傳到WEB服務(wù)器，而且可以在氣體濃度超過閾值時直接通過移動通信模塊向用戶發(fā)送警報。通過實驗調(diào)試和實踐驗證，該采集系統(tǒng)達(dá)到了設(shè)計要求，效果良好。

參考文獻：

[1] 蔣耘晨，劉秋麗，楊明.基于ZigBee技術(shù)的天然氣聯(lián)合站監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J].無線電通信技術(shù)，2007， 33（01）： 56-58.

[2] 代成，葉焱，劉太君等.基于 WEB 的遠(yuǎn)程自動控制系統(tǒng)研究和實現(xiàn)[J].無線電通信技術(shù)， 2014， 40（3）： 90-93.