基于IEEE1451_5標準的家居環境廢氣監測系統設計與研究

鄧 超，許麗娟

（1. 廣東科技學院，東莞 523083；2. 廣東工業大學 華立學院，廣州 511325）

0 引言

隨著經濟的高速發展以及快速城市化進程,城市生活垃圾的產生量迅猛增長,對環境的影響越來越嚴重,如何合理處理城市生活垃圾已成為社會發展必須解決的問題。其中，一些人口密度大、土地資源缺乏的城市將未能回收利用的生活垃圾進行現代化的焚燒處理。為了減少焚燒過程中產生的廢氣對周邊環境造成的污染，避免垃圾焚燒處理與周邊居民發生環境糾紛事件，利用現代化的監測手段, 加強對設施的監管是環境監管的迫切任務, 也是構建和諧社會的需要。

本文將無線傳感器網絡技術和LabVIEW遠程面板技術相結合，設計一種低功耗、低成本、組網靈活、人機界面友好、可方便進行現場和遠程管理的城市生活垃圾焚燒監測系統。

1 IEEEl451_5標準簡介

基于IEEE 1451_5標準的無線傳感器技術定義了無線通信與變送器電子數據表格，在已有的IEEE 1451框架下，構筑一個開放的標準無線傳感器接口，主要是為智能傳感器的連接提供無線解決方案，盡量減少有線傳輸介質的使用，以滿足工業自動化等不同應用領域的需求。IEEEl451_5標準的核心是TEDS，其結構極其緊湊，具有靈活性與擴展性，可以適應不同類型傳感器的要求。TEDS 信息分為以下幾個關鍵部分：第一部分即基本TEDS, 包含了必要的傳感器識別信息；第二部分是IEEE 標準TEDS, 包含傳感器專用的“數據表”信息，一般是正確配置電氣接口并將測量數據轉換為工程單位所需要的數據；最后一部分用來存放傳感器中自定義數據和信息。TEDS應包含的信息有廠商信息、模塊編號、版本信息、產品序列號、靈敏度、測量范圍、物理單位、傳輸功能、輸出范圍、校準信息以及用戶數據等。

2 系統結構

系統采用了分布式體系結構，將各個垃圾焚燒點的PC機群通過以太網連接到檢測系統。系統的整體框架如圖1所示[1]。

系統可以分為下位機系統部分和上位機系統部分。系統的上位機系統又可以分為數據中轉服務器、數據庫服務器和Web 服務器。中轉服務器負責與氣體監測儀器的數據交互；數據庫服務器負責存取和管理各系統數據和環境數據；Web 服務器負責與外界的數據交互。下位機系統負責現場環境氣體數據的采集、暫存和傳輸,主要由氣體數據采集模塊、無線通訊模塊及數據處理模塊構成。數據采集模塊主要對垃圾焚燒產生的二氧化碳、氮氧化物、氯化氫等廢氣參數進行檢測和變送；數據處理和存儲部分將采集來的信號轉換為計算機和操作人員可識別的數據量, 并存儲在存儲芯片中；數據傳輸部分將存儲在芯片中的數據,根據上位機部分的請求或者以主動上報的方式, 傳送給上位機。整個系統的節點模塊硬件框圖如圖2所示。

由節點框圖可以看出，系統的核心組成部分是 WTIM（Wireless Transducer Interface Module，無線變送器接口模塊）和NCAP（Network Capable Application Processor，網絡適配器）。WTM的功能主要是實現模擬信號調理、觸發、模/數轉換、數/模轉換、命令處理、TEDS（Transducer Electronic Data Sheet，變送器電子數據表）存儲、數據傳輸、通信功能；NCAP的功能包括通信、接口控制、路由、變送器探測、數據校正、TEDS解析、消息編碼和解碼、參數映射、用戶應用處理和LAN接口。WTIM和NCAP硬件結構如圖3所示[2]。

3 數據采集

數據采集過程中首先由TGS2600氣體傳感器負責讀取垃圾焚燒產生的廢氣信號，然后由AT89C52單片機控制處理數據，并通過SPI方式將數據傳送給通信模塊子節點。

3.1 氣體傳感器

系統檢測采用日本FIGARO公司開發生產的一種新型半導體氣體傳感器TGS2600，它能夠靈敏地感知空氣中的低濃度污染物的異味，如空氣中的低濃度香煙污染物和其他異味，對NO2、CO等有較高的敏感度。TGS2600具有成本低、體積小、壽命長、選擇性和穩定性好等特性，它構造簡單，由傳感器基板，氣敏元件和傳感器蓋帽組成。氣敏元件由一個以金屬鋁做襯底的金屬氧化物敏感芯片和一個完整的加熱器組成。利用加熱器加熱，以偵測氣體附著于金屬氧化物表面而產生的電阻值的變化。在檢測氣體時，傳感器的傳導率依賴于空氣中氣體濃度的變化。在目標氣體不存在的狀態下，大量附著的空氣中的O2會捕捉電子，而呈現出高阻狀態；相反的，若有目標氣體存在，則因為會與氧產生一種燃燒反映，自由電子的量增加，而電阻值則降低。用一個測量電路能將該傳導率的變化轉化成對應于氣體濃度變化的輸出信號。TGS2600傳感器基本測量電路如圖4所示[3]。

3.2 AT89C52單片機

系統數據采集模塊主要以AT89C52單片機為控制處理核心，由它完成對氣體傳感器輸出數據的采集處理，并控制數據的無線傳輸。AT89C52芯片有40個引腳，32個外部雙向輸入/輸出(I/O)端口。同時內含2個外中斷tel，3個16位可編程定時計數器，2個全雙工串行通信tel，2個讀寫口線。AT89C52單片機具有快速8051內核、8 KB Flash E2PROM、256字節RAM。為實現無線數據傳輸，采用無限收發一體數據傳送MODEM模塊PTR2000器件，該器件內部集成高頻接收、PLL合成、PSK調制/解調、參量放大、功率放大、頻道切換等功能，完全符合無線數據通信的硬件要求。

系統采用C語言對AT89C52單片機進行編程,調用采集程序對垃圾焚燒廢氣數據的采集、完成A/D轉換、濾波、ASCII碼轉換，數據存儲后利用SPI方式將數據傳給通信子節點。其控制流程如圖5所示。

4 節點無線通訊模塊

系統節點無線通訊接口由Chipcon公司生產的CC2430芯片控制，它具有高性能、低功耗的8051微控制器核，集成符合IEEE802.15.4標準的2.4GHz的RF無線收發機，具有優良的無線接收靈敏度和強大的抗干擾性、數字化的RSSI/LQl支持和強大的DMA功能，集成了14位模/數轉換功能。其內部結構示意圖如圖6所示，在單個芯片上整合了ZigBee 射頻(RF)前端、內存和微控制器。它使用1 個8 位MCU（8051），具有128 KB可編程閃存和8 KB的RAM，還包含模擬數字轉換器(ADC)、幾個定時器（Timer）、AES128 協同處理器、看門狗定時器（Watchdog timer）、32 kHz晶振的休眠模式定時器、上電復位電路(Power On Reset)、掉電檢測電路(Brown out detection)，以及21 個可編程I/O 引腳。芯片采用0.18μm CMOS 工藝生產，在接收和發射模式下，電流損耗分別低于27 mA 或25 mA，并且，CC2430 從休眠模式轉換到主動模式的時間超短，延長了電池壽命。

5 軟件設計

本系統采用基于B/S模式的LabVIEW遠程面板技術開發，進行數據采集、分析和遠程監控。在硬件連接檢測正常情況下，啟動軟件獲取傳感器采集的數據，自動識別傳感器編號，下載TEDS表格數據并顯示數據。用戶可以進行本地數據訪問，也可以通過遠程訪問。登錄系統后進入如圖7所示氣體數據采集模塊，選擇采集節點、采集通道和采集間隔時間進行氣體采樣，并可以將結果保存下來。完成數據采集后顯示采集數據，并可以根據我國《生活垃圾焚燒污染控制標準》要求中生活垃圾焚燒廠大氣污染物排的放指標進行數據分析。

6 結論

本文基于無線傳感器網絡技術, 設計了一種基于無線傳感器網絡的城市生活垃圾焚燒在線檢測系統。該系統利用傳感器節點采集處理垃圾焚燒廢氣、并通過NCAP控制數據進行無線傳輸，工作人員可分別在監測現場和遠程端通過應用軟件來獲取監測數據并作出分析。綜上所述，本文的研究在傳感器數據采集領域和智能監測系統建設領域具有實際參考價值。

[1] 馬巧娟. 基于IEEE+1451.5無線傳感網絡的研究與設計[D]. 西華大學, 2010.

[2] 楊毅, 許楊文. 基于IEEE標準的智能監測系統集成研究[J]. 通信技術, 2009, 42(09): 115.

[3] 張兢. 空氣傳感器TGS2600在空氣質量監測中的應用.中國傳動網, 2008.