基于ZigBee網絡的氣體監測報警系統設計

文章編號：1003-6199(2011)04-0122-04

摘 要：針對現有氣體監測系統的不足，提出一種基于ZigBee技術的氣體監測報警系統。該系統采用TI公司的CC2430作為主控芯片，終端節點通過MQ-9氣體傳感器的負載電壓變化來判斷氣體是否超標，并驅動蜂鳴器和LED指示燈閃爍報警，同時通過ZigBee網絡發送警報消息至協調器節點，協調器節點收到警報消息后，通過協調器串口連接的GSM模塊，將氣體超標警報消息發送至用戶手機。

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關鍵詞：無線傳感器網絡；ZigBee；氣體傳感器；監測系統；報警系統

中圖分類號： TP393 文獻標識碼：A

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Design of Gas Monitoring and Alarm System Based on ZigBee Network

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LUO Zhongliang1，WANG Huabin2， WU Jing1，LIU Gang3

（1.Dept. of Electronic Science，Huizhou University，Huizhou 516007，China ；

2.Dept. of Computer Science，Huizhou University，Huizhou 516007，China；

3.Dept. of Computer Engineering， Nanhai College ， South China Normal University ，Foshan 528225， China）

Abstract:Aiming at the shortage of gas monitoring system， a new gas monitoring and alarm system based on ZigBee network is put forward. The system uses TI's CC2430 as the master chip， the terminal nodes through the MQ-9 gas sensors to determine the load voltage is excessive gas， and drive the alarm buzzer and flashing LED lights， and send alert messages via a ZigBee network to coordinator node.The coordinator node receives an alert message through the serial port connection coordinator GSM module， and put the gas exceeded the alert message sent to the user's mobile phone.

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Key words:wireless sensor networks；zigBee；gas sensor；monitoring system；alarm system

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1 引 言

近年來，全國燃氣行業發展迅猛，液化氣 天然氣 煤制氣等城市燃氣作為清潔能源已在工商業和城鎮居民用戶中得到廣泛應用，燃氣行業發展潛力巨大，根據國務院發展研究中心市場經濟研究所的調查預測，未來的五年，我國城市居民家庭對可燃氣體報警器產品的需求旺盛。因此，在石油化工、安全生產、環境監測、智能家居等領域，對氣體尤其是有毒或可燃氣體成分的監測是必不可少的一項目內容^［1-2］。 在許多情況下，常常要對氣體的濃度進行必要監測，若某些氣體濃度過高，則可能給家庭、工業生產或國家造成巨大損失^［1］。可燃氣體報警器通過將氣體傳感器探頭安裝在充滿可燃、易爆 有毒、有害氣體的環境中，尤其在生產運輸等場所可燃氣體報警器可以更早的探測到有毒、有害和可燃氣體的存在，當氣體超過了報警極限后發出動作，將事故控制在事故發生率最低的情況下，起到提前預防的功效。然而目前大部分氣體監測系統存在很多不足：如系統龐大，成本高，安裝困難，無法遠程監控，過分依賴以電線和電纜為基礎的基礎通信設施^［1-3］。本文以分布于各監測現場的傳感器，如家居報警可通過半導體氣體傳感器分別檢測廚房、浴室等現場危險氣體濃度。再采用TI公司的CC2430芯片為主控芯片設計的ZigBee無線傳感器網絡將現場信息發送出去，在協調節點通過GSM模塊進行遠距離的傳輸，實現對危險環境的遠程監測。所設計的氣體監測報警系統，具有安全、抗干擾、高靈敏度、低功耗，高壽命等特點，同時可實現四道防護。第一，現場聲光報警；第二，現場排除氣體；第三，安全監控，協調節點聲光報警并驅動LCD顯示相關信息；第四，遠距離交互，通過GSM模塊向遠距離發送報警信息給指定手機。這樣可滿足工業控制、工業無線定位、家庭網絡、樓宇自動化、消費產品等多個領域的應用需求。

2 ZigBee技術介紹

ZigBee技術是一種近距離、低復雜度、低功耗、低速率、低成本、高壽命的無線網絡通信技術，工作在2.4GHz的ISM頻段上，傳輸速率為20 kb/s-250 kb/s，傳輸距離為10m-75m。適用于無線傳感器網絡、自動控制和遠程監測報警等領域。ZigBee無線網絡采用IEEE.802.15.4通信標準的物理PHY層和鏈路MAC層。IEEE802.15.4是高可靠、高性價比、低功耗的網絡通信標準，也是低速率無線個人區域網絡（LR-WPAN）指定的無線通信標準。該標準把低能量消耗、低速率傳輸、低成本作為重點目標，旨在為個人或家庭內不同設備之間低速率無線互連提供統一標準。ZigBee協議在IEEE802.15.4的基礎上進行了完善和擴展，定義了系統的高層，包括網絡層、應用匯聚層和高層應用規范^［4］，其體系結構如圖1所示。ZigBee聯盟還開發了安全層，以保證這種便攜設備不會意外泄漏其標識，而且這種利用網絡的遠距離傳輸不會被其它節點獲得。

3 系統設計總體方案

本文采用的是基于樹簇型分層次網絡結構，系統主要由GSM模塊、協調器、路由節點、終端節點及MQ-9氣體傳感器組成。終端節點主要負責采集一氧化碳、甲烷、液化氣的濃度，通過MQ-9傳感器測量各氣體濃度，通過調整電路輸出氣體濃度對應的電壓。此電壓通過AD轉換后和危險氣體對應的報警濃度進行多次比較，以啟用聲光報警，給現場人員提醒，通過控制程序自動接通排氣扇進行排氣，同時將報警信息通過CC2430無線收發模塊間接或直接的傳遞給協調器，在家居安全報警時協調器一般放在客廳，以提醒危險場所以外的人員采取處理策略。另外設計中還將協調器通過串口與GSM模塊連接，將報警信息以短信方式傳送給用戶定義的手機，告知用戶氣體超標信息，以多層次報送危險報警信息。由于MQ-9氣體傳感器對一氧化碳、甲烷，液化石油氣具有很高的靈敏度和良好的選擇性，所以系統的實用性較高。系統總體設計方案如圖2所示。

4 系統硬件設計

ZigBee網絡節點主要由數據采集模塊、數據處理器模塊、無線通信(數據收發)模塊和供電模塊構成。采集模塊通過監測氣體濃度，將氣體濃度的物理量轉化成電信號，無線通信模塊完成A/D轉換及通信，供電模塊負責各節點供電^［5-9］。

ZigBee無線節點的硬件選擇TI公司的CC2430作為ZigBee模塊的主控芯片，CC2430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協議棧^［6-8］，可充當ZigBee網絡中的協調器、路由節點或終端節點三種角色。終端采集節點（亦可設置為路由節點）方案如圖3所示。

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4.1 采集節點硬件設計

CC2430采集節點硬件電原理圖如圖4所示。4.2 傳感器報警電路設計

氣體監測采用MQ-9氣體傳感器。MQ-9氣體傳感器采用高低溫循環檢測方式，低溫（1.5V加熱）檢測一氧化碳，高溫（5.0V加熱）清洗低溫時吸附的雜散氣體同時檢測甲烷與液化石油氣。使用簡單的電路即可將電導率的變化，轉換為與該氣體濃度相對應的輸出信號。對一氧化碳、甲烷，液化石油氣具有很高的靈敏度和良好的選擇性。當CO弄到達到100pm時，對人身安全會造成一定危害。通過MQ-9氣體傳感器特性曲線的計算，在設計電路中給定負載電阻為5.5 KΩ時，當氣體濃度達到100ppm時（危險濃度），負載電壓為2V。CC2430通過 ADC采樣通道P0.7腳對調整電路輸出端進行采樣，當采樣電壓超過標準值2V時，P0.1腳驅動繼電器打開排氣扇；P1.1腳驅動LED閃爍；P1.3腳驅動蜂鳴器報警，同時將信息傳送到協調節點或附近的路由節點。設計的電路圖如圖5所示。

5 系統軟件設計

ZigBee開發環境是TI公司的Zstack，本系統中采用ZStack-1.4.2-1.1.0，開發工具使用IAR。

5.1 ZigBee網絡組建與綁定

在開發系統定義各節點屬性，并下載程序后，當協調器投入運行時，會自動形成網絡，其它節點自動尋找合適的能耗最小的信道加入網絡。當網絡形成并穩定之后，節點指示燈亮，執行應用層事件ZDO_STATE_CHANGE。在協調器的ZDO_STATE_CHANGE事件中添加允許綁定zb_AllowBind()函數，時間為16s。在節點的ZDO_STATE_CHANGE事件中添加綁定請求zb_BindDevice()，在16S內循環直到綁定成功。修改好的子節點將自動加入網絡并與協調器進行綁定。

5.2 氣體濃度檢測與消息發送

CC2430內部帶有12位的AD轉換器，通過P0.7引腳采集煤氣檢測模塊得到的電壓，判斷其是否大于標準值。如果采集得到的電壓大于標準值，CC2430模塊驅動蜂鳴器、LED閃爍燈作為報警，并發送消息給協調器。協調器收到消息，在LCD上顯示警報信息，閃爍燈作為報警提示。

5.3 協調器與GSM模塊通信

ZigBee協調器通過串口與GSM模塊相連接，當收到警報消息時，觸發事件UART_TX_CB_EVT，協調器串口寫入命令消息給GSM模塊。當接收到返回消息時，接著寫第二條命令，直到發送數據完成。

5.4 軟件流程圖

根據上面設計功能論述和原理說明，系統終端節點（如設置成路由節點，程序一致）、協調器節點軟件流程圖如圖6所示。

6 結 論

本設計采用TI公司的CC2430芯片為主控芯片，設計了一種基于ZigBee技術的氣體監測報警系統，其電路簡單，結構緊湊，功能強大，適合于石油化工、安全生產、環境監測、智能家居等領域。所研制的氣體監測報警系統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。此系統操作方便，探測范圍廣，可便于集中管理，具有較高的使用價值。

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收稿日期：2011-09-14

基金項目：廣東省自然科學基金項目(10151601501000005);廣東高校優秀青年創新人才培育項目 (LYM10122)；惠州市科技計劃項目(2010B020008011，2010B020008016)

作者簡介：羅中良(1968—)，男，江西臨川人，教授，碩士，研究方向：無線傳感器網絡及監測系統(E-mail：hk3333@163.com)；汪華斌(1978—)，男，江西婺源人，講師，碩士，研究方向：網絡與計算機通信。