基于ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的氣體監測報警系統設計

摘要 利用ZigBee實(shí)現短距離無(wú)線(xiàn)傳榆數據的技術(shù)，提出一種基于ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的氣體監測報警系統。該系統包括終端節點(diǎn)、協(xié)調器、GSM模塊、手機4部分，終端節點(diǎn)與協(xié)調器通過(guò)ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行通信，且對系統的硬件和軟件設計進(jìn)行了分析。當有毒氣體濃度超過(guò)警戒值，則驅動(dòng)蜂鳴器和LED指示燈進(jìn)行聲光報警。實(shí)踐證明，利用Zigee技術(shù)傳輸數據具有功耗低、時(shí)延小、體積小、耗費少等優(yōu)點(diǎn)。
關(guān)鍵詞 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )；ZigBee；監測系統；報警系統

目前國內外大部分氣體監測系統存在不足：如系統龐大、成本高、安裝困難、無(wú)法遠程監控，過(guò)分依賴(lài)以電線(xiàn)和電纜為基礎的通信設施。并且現在市場(chǎng)上銷(xiāo)售的手持便攜式設備，需要人員進(jìn)入監測室內進(jìn)行測試，測試方法為單點(diǎn)測量，如果要長(cháng)時(shí)間進(jìn)行監測，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(diǎn)測量得到的數據不一定能代表室內空氣中長(cháng)期存在的污染氣體濃度水平，影響監測數據的精確度。及時(shí)可靠地探測空氣中某些氣體的含量，及時(shí)采取有效措施進(jìn)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測設備提出了較高的要求。

1 系統總體方案設計
系統包括終端節點(diǎn)、協(xié)調器、GSM(Global System of Mobile Communication)模塊、手機與快速化學(xué)處理裝置5部分，終端節點(diǎn)與協(xié)調器通過(guò)ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行通信，協(xié)調器與GSM模塊通過(guò)串口進(jìn)行通信，GSM模塊與手機通過(guò)短信息進(jìn)行通信，快速化學(xué)處理裝置對有害氣體進(jìn)行一系列化學(xué)處理，實(shí)現零污染排放。
目前，5種短距離無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)(Wi—Fi)、超寬帶通信(Ultra Wideband，UWB)、近場(chǎng)通信(Near FieldCommunication，NFC)、藍牙(Bluetooth)、紅外線(xiàn)數據通信IrDA和ZigBee。綜合考慮硬件設計復雜度、接口方式、開(kāi)發(fā)周期、開(kāi)發(fā)成本以及通信距離等因素。設計采用ZigBee技術(shù)實(shí)現數據的近距離無(wú)線(xiàn)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)。從系統設計的特點(diǎn)出發(fā)，采用樹(shù)簇形拓撲網(wǎng)絡(luò )結構。
終端節點(diǎn)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(guò)設定的正常值時(shí)，終端節點(diǎn)聲光報警，啟動(dòng)快速集氣處理裝置，對有害氣體進(jìn)行收集并處理。終端節點(diǎn)通過(guò)ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )發(fā)送數據消息給協(xié)調器，協(xié)調器對接收到的數據進(jìn)行判斷，當判斷需報警時(shí)，在LCD(Liquid Crystal Display)顯示報警信息，并通過(guò)GSM網(wǎng)絡(luò )發(fā)送短信給其綁定的手機用戶(hù)，告知用戶(hù)環(huán)境中有害氣體濃度超標。系統結構設計總體框圖如圖1所示。

2 系統硬件設計
ZigBee網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的結構如圖2所示。ZigBee網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)要完成來(lái)自傳感器的信息的收集、無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的加入、以及無(wú)線(xiàn)數據的發(fā)送。電路應該有數據采集模塊、數據處理器模塊、無(wú)線(xiàn)通信模塊和供電模塊等部分組成。采集模塊通過(guò)監測有害氣體的濃度，將物理量轉化成電信號，無(wú)線(xiàn)通信模塊完成A／D轉換及通信，供電模塊負責各節點(diǎn)供電。ZigBee無(wú)線(xiàn)節點(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(wú)線(xiàn)射頻RF模塊和一個(gè)增強型的8051處理器，同時(shí)集成了TI的Z-Stack協(xié)議棧，可充當ZigBee網(wǎng)絡(luò )中的協(xié)調器、路由節點(diǎn)或終端節點(diǎn)3種角色。終端采集節點(diǎn)方案如圖3所示。