ZigBee的無(wú)線(xiàn)氣體監測系統

0 引言

傳統的氣體監測系統是以電線(xiàn)和電纜作為基礎傳輸介質(zhì)組成的數據采集系統。目前常用的解決方案是在監控現場(chǎng)，將傳感器布置在需要監測的關(guān)鍵位置，將各個(gè)傳感器采集到的信號通過(guò)獨立電纜傳送到中央采集站，由中央采集站將所有連接的信號集中處理發(fā)送到上位機，進(jìn)行實(shí)時(shí)數據采集。如果需要監測的區域很大，需要很多傳感器，相應的監測點(diǎn)分散，這種傳統的有線(xiàn)方式就會(huì )存在線(xiàn)路布設復雜，接線(xiàn)繁瑣，安裝造價(jià)高，后期的電纜維護成木高等問(wèn)題。由于有線(xiàn)氣體監測系統木身的局限性，許多特殊環(huán)境下的網(wǎng)絡(luò )覆蓋和網(wǎng)絡(luò )支持仍然是個(gè)難題。比如在某些工業(yè)現場(chǎng)，一些工業(yè)環(huán)境禁止或限制使用電纜，而在其他一些工業(yè)環(huán)境要求完全把電纜屏蔽起來(lái)以高度防止來(lái)自大多數工業(yè)設施中的機器或其它無(wú)線(xiàn)電控制設備的干擾，更有一些高速旋轉的設備根木無(wú)法通過(guò)電纜來(lái)傳輸數據信息。這種傳統的串行集中式監測系統很大程度上影響系統的處理速度和系統的可靠性和靈活性。

鑒于上述情況，氣體監測系統設計趨向于無(wú)線(xiàn)監測方式，用分布式的無(wú)線(xiàn)技術(shù)來(lái)代替傳統的集中式有線(xiàn)技術(shù)，實(shí)現傳感器和數據采集系統之間的直接通訊。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的出現和發(fā)展為這一問(wèn)題提供了一個(gè)新的解決途徑。本文在比較了幾種通信協(xié)議后選擇了低成本、低功耗和低速率的ZigBee協(xié)議，設計了一種基于ZigBee的無(wú)線(xiàn)氣體監測系統。

1 系統整體設計

1.1 系統的組成與結構

整個(gè)監測系統由監測主機和ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )組成，如圖1所示。這是。個(gè)層次型網(wǎng)絡(luò )結構，最底部為傳感器終端節點(diǎn)（即無(wú)線(xiàn)氣體檢測變送器），向上依次是路由器，協(xié)調器和監控主機。監控主機上運行有數據管理軟件，為用戶(hù)提供氣體監控網(wǎng)絡(luò )中的數據訪(fǎng)問(wèn)界面，并能夠通過(guò)協(xié)調器訪(fǎng)問(wèn)終端節點(diǎn)的測量數據，并將數據保存，為用戶(hù)提供數據查詢(xún)、分析或報表生成服務(wù)。ZigBee網(wǎng)絡(luò )負責數據的采集，它由協(xié)調器、路由器、終端節點(diǎn)和報警器組成。終端節點(diǎn)將監測到的數據傳給路由器；路由器將終端設備上傳的信息整合處理，再將數據發(fā)送給協(xié)調器；協(xié)調器將采集的數據上傳給監控主機或者將監控主機的命令在網(wǎng)絡(luò )中發(fā)送出去；報警器負責接收路由器發(fā)送的數據，如果數據超限則發(fā)送報警信號。整個(gè)網(wǎng)絡(luò )中數據的傳輸具有就近原則，如果協(xié)調器距離比路由器近，終端節點(diǎn)會(huì )直接傳輸數據到協(xié)調器。

圖1 系統總體設計

1.2 系統的特點(diǎn)

無(wú)線(xiàn)氣體監測系統具有以下幾方面的特點(diǎn)：

（1）采用ZigBee技術(shù)作為無(wú)線(xiàn)通訊方式

目前常用的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)有Wi—Fi、超寬帶通信UWB、藍牙、紅外數據通信IrDA、ZigBee等，綜合比較了以上幾種無(wú)線(xiàn)通信方式，zigBee技術(shù)具有省電、通信可靠、成本低廉、網(wǎng)絡(luò )容量大、白組織能力強等優(yōu)點(diǎn) ，因此ZigBee技術(shù)能夠很好的應用于無(wú)線(xiàn)氣體監控系統。

（2）低功耗

系統的終端節點(diǎn)—— 無(wú)線(xiàn)氣體檢測變送器數量多，由電池供電，往往放置存無(wú)人值守的地方，不便更換節點(diǎn)的電池，因此實(shí)現節點(diǎn)的低功耗，既是捉高節點(diǎn)性能的重要指標，也是延長(cháng)整個(gè)系統生命周期的重要下段。該系統的無(wú)線(xiàn)氣體監測變送器采用一次性2號鋰電池供電，存正常工作條件下的使用壽命不小于2 0000小時(shí)。

2 無(wú)線(xiàn)氣體檢測變送器的設計

2.1 無(wú)線(xiàn)氣體檢測變送器的硬件設計

無(wú)線(xiàn)氣體檢測變送器是整個(gè)系統的前端采集設各，也是系統最核心的組件 ，該變送器由中央處理單元、測量電路、A/D轉換、數字顯示、RF無(wú)線(xiàn)通信等單元電路組成。敏感元件產(chǎn)生的信號繹線(xiàn)性放大后，經(jīng)A/D轉換器轉換，直接送往單片機進(jìn)行數據處理，來(lái)完成變送器的顯示、通信等功能。其原理框圖如圖2所示。

圖2 無(wú)線(xiàn)氣體榆測變送器的原理框圖

中央處理器采用MICROCHI P公司的帶有LCD驅動(dòng)器、采用納瓦技術(shù)的64引腳8位CMOS閃存單片機PIC16F946，此單片機可以通過(guò)軟件選擇時(shí)鐘來(lái)擰制功耗管理模式，即存運行時(shí)開(kāi)啟C PU和外設，空閑時(shí)開(kāi)啟外設但關(guān)閉CPU，休眠時(shí)則關(guān)閉CPU和外設；A/D轉換單元采用的是TI公司的12位AD，采樣速度在200kSPS的ADS7866，在此A/D轉換單了亡中ADS7866的～作電壓存1.3 V，達到了節省功耗的目的。

運算放大器采用LTc1495，工作電流僅為1.5 uA，±2.5V穩壓芯片也采用低功耗芯片，在滿(mǎn)足性能需要的基礎上，最大限度的降低功耗。其前置放大電路如圖3所示。

圖3 無(wú)線(xiàn)氣體檢測變送器時(shí)置放火電路圖

無(wú)線(xiàn)通信模塊采用Atmel公司推出的世界上首款l曲向中國無(wú)線(xiàn)市場(chǎng)、工作在780MHz頻段并符合IEEE802.15.4標準的無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片AT86RF212，我圍無(wú)線(xiàn)個(gè)域網(wǎng)標準經(jīng)無(wú)線(xiàn)電委員會(huì )批準，開(kāi)放了78 0MH z頻段，在此頻段下，空間損耗較2.4Ghz頻段小，能夠獲得更好的傳輸性能。

2.2 無(wú)線(xiàn)氣體檢測變送器軟件設計

變送器軟件設計的各個(gè)模塊組成如圖4所示。

主程序處理模塊用來(lái)調用其它模塊完成需要實(shí)現的功能；采樣處理及補償模塊負責采集并處理模數轉換后的數據并做相應的線(xiàn)性補償；按鍵查詢(xún)處理模塊負責按鍵動(dòng)作管理；顯爾模塊用來(lái)實(shí)現液晶顯示；參數管理模塊負責參數的保存和處理；白檢模塊負責完成初始化；無(wú)線(xiàn)通信模塊負責檢測數據的發(fā)送。

圖4 無(wú)線(xiàn)氣體檢測變送器軟件設計模塊

無(wú)線(xiàn)氣體檢測變送器的主要功能是通過(guò)氣體傳感器對被測對象進(jìn)行數據采集，通過(guò)無(wú)線(xiàn)發(fā)送模塊發(fā)送至路由器（或協(xié)調器）。在正常工作狀念下，每1 5秒發(fā)送一次數據，報警狀態(tài)下每8秒鐘發(fā)送 次數據，其程序流程圖如圖5所示。

圖5 無(wú)線(xiàn)氣體柃測變送器程序流程圖

3 無(wú)線(xiàn)協(xié)調器的設計

3.1 無(wú)線(xiàn)協(xié)調器的硬件設計

無(wú)線(xiàn)協(xié)調器主要負責建立WSN嘲絡(luò )，通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信模塊接收所有無(wú)線(xiàn)怖測節點(diǎn)發(fā)送的測量數據，并將所述測量數據傳送到PC機。其結構相對簡(jiǎn)單，主要由電源模塊、EMI處理模塊、微摔制器模塊、串口通信模塊和兀線(xiàn)通信組成，其組成框圖如圖6所示。

圖6 無(wú)線(xiàn)協(xié)調器的組成框圖

3.2 無(wú)線(xiàn)協(xié)調器的軟件設計

無(wú)線(xiàn)協(xié)調器是無(wú)線(xiàn)氣體監摔網(wǎng)絡(luò )的發(fā)起建立者，協(xié)調器上電后，初始化完成，建立網(wǎng)絡(luò )，當收到其它節點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò )的請求時(shí)，給節點(diǎn)分配網(wǎng)絡(luò )地址，接收路由器或距離近的終端節點(diǎn)傳輸的數據，并將數據轉發(fā)給上位機。其程序流稃圖如圖7所示。

圖7 無(wú)線(xiàn)協(xié)凋器程序流程圖

4 結束語(yǔ)

基于ZigBee的無(wú)線(xiàn)氣體監測系統具有低成本、低功耗、動(dòng)態(tài)路由、自動(dòng)組網(wǎng)、協(xié)議免費、應用簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，解決了電纜連接時(shí)現場(chǎng)設備移動(dòng)受限和網(wǎng)絡(luò )結構靈活變化的問(wèn)題，使數據的傳輸史加靈活和便于實(shí)現，岡此非常適用于存工業(yè)現場(chǎng)中使用，將會(huì )獲得越來(lái)越廣闊的發(fā)展和應用空間。