基于ZigBee的有害氣體檢測系統設計

高同輝，楊立峰

(平頂山工業職業技術學院a.自動化系;b.計算機系，河南 平頂山 467001)

責任編輯:魏雨博

隨著工業的發展，各種有毒氣體和易燃氣體，危害著人們的生產生活，特別是H2S，CO和CH4等有害氣體更是對安全生產和群眾的生命安全造成巨大的威脅。研究便攜的、智能化的、能夠無線傳輸的有害氣體濃度檢測裝置，會給人們的生產、生活帶來安全保障。

1 系統設計方案

有害氣體檢測系統設計結構框圖如圖1所示，共分為4個部分:氣體檢測模塊、數據采集模塊、ZigBee無線網絡傳輸模塊、電源監測管理模塊等［1］。

圖1 系統設計結構框圖

氣體檢測模塊包含傳感器和信號調理電路，傳感器獲取的被測氣體的模擬信號，經由微控制器STM32F103的3個A/D通道，進行數模轉換和數據換算，得到氣體濃度。

數據采集模塊包含以STM32F103［2］為核心的A/D數據采集電路和 JTAG、ISP、UART電路。ZigBee無線網絡傳輸模塊采用周立功公司的ZICM2410模塊實現。

電源監測管理模塊是為了保證系統在外部供電異常或沒有外部供電的情況下能夠正常工作，并通過STM32F103的I/O接口控制，從而在不需要采集數據時降低功耗。

2 系統硬件設計

2.1 氣體檢測模塊

2.1.1 H2S，CO 檢測電路

H2S，CO傳感器采用三端電化學氣體傳感器，其工作原理是利用化學原理將探測器置于待測氣體中，待測氣體和探測器中的化學物質發生化學反應，通過測量化學反應產生的電流來測量氣體濃度。

H2S傳感器采用美國RAE公司的4H2S－100電化學傳感器;CO傳感器采用英國MRB科學公司的S+4CO電化學傳感器。

該檢測電路由傳感器和調理電路［3］(恒電位電路和I/V變換放大電路)組成。電化學傳感器在恒電位模式下工作，其輸出的微弱電流無法滿足A/D轉換的檢測電壓要求，因此采用高增益，低噪聲TLC27L2CD運算放大器，將輸出電流轉換并放大成STM32F103的A/D可以檢測的電壓范圍。

H2S、CO 檢測電路原理圖如圖2 所示。R4，R5，C2，U1B構成恒電位電路，當反應過程中S，C兩極間電壓發生變化，該電路能夠自動調節電位，其中R4，C2作用為低通濾波。Q1為結型場效應管IRF4905，當接通工作電路時，Q1會處于高增益工作狀態。而當電路斷電時，參考電極R和感應電極S之間短路，傳感器保持在就緒狀態，再次上電時可以縮短傳感器的啟動時間。R3，C1對輸出信號進行濾波，R6，R7為傳感器提供500 mV偏置電壓VBias。

圖2 H2S、CO檢測電路原理圖

當傳感器置于被測氣體中，S極上的反應將被測氣體氧化，生成的氧化物向傳感器外擴散，傳感器內產生出氫離子和電子。氫離子通過電解質向C極遷移，此過程會留下負電荷堆積在S極。電子從S流出經過電阻R1到放大器(U1A)的反向輸入端，放大器配置成一個跨阻放大器，將工作電極送來的信號電流變換為一個與所測氣體的濃度成比例的電壓信號。輸出電壓U=IS×R2+UVBias。

2.1.2 CH4檢測電路

CH4傳感器為催化燃燒式傳感器，其工作原理是將由氣敏材料制成的探測器置入待測氣體中，在電源供電的環境中，待測氣體在催化劑的催化作用下發生氧化反應，即無焰燃燒，從而使探測器中鉑絲電阻的阻值發生改變，通過測量探測器電阻值變化來獲取氣體濃度值。

設鉑絲電阻值的變化量為ΔR，則

式中:a為氣敏傳感器的溫度系數;ΔT為氣體燃燒時溫度上升值;C為氣敏傳感器的熱容量;m為氣體的濃度;Q為氣體分子的燃燒熱;α為系數。

由于氣敏傳感器的結構、材料確定后是固定不變的，則氣敏傳感器電阻變化值與被測氣體的濃度成正比，即ΔR=αKm，從而知道測出傳感器的電阻變化值，就可以測得氣體的濃度。

CH4氣體傳感器采用MJC4/2.8J型催化燃燒式傳感器。該CH4檢測電路原理圖如圖3所示，由傳感器、電橋和差動放大器組成。S1中的Rh與Rf為傳感器內部電阻(Rh為補償元件，Rf為檢測元件)，外部 R1、R2、Rf構成平衡電橋，Rf用于調節偏壓。U1A作用為差動放大，輸出信號經R7、C1濾波后進入STM32F103的A/D端。傳感器工作電壓(電阻絲加熱電壓)為2.8 V，由3.3 V電源經1N4148降壓得到。

圖3 CH4檢測電路原理圖

2.2 數據采集模塊

數據采集模塊電路原理圖如圖4所示，三種氣體檢測模塊的輸出端連接至STM32F103的PC0～PC2端［4］，對傳感器采集到的模擬電壓進行A/D轉換，并對轉換后的無量綱數據進行換算，得到所測氣體濃度值。A/D轉換時的基準電壓采用VREF引腳電壓。同時STM32F103還通過I/O口負責傳感器電源、風扇電源的開關控制和電源低壓檢測等。

圖4 數據采集模塊電路原理圖(截圖)

2.3 ZigBee無線網絡傳輸模塊

ZigBee收發模塊采用美國GEL公司的內置51核的ZICM2410模塊，其電路原理圖如圖5所示，模塊內有一個集成的PCB板載天線，可以連接50 Ω的外部F型天線，支持全向輻射模式，天線懸置于主板邊緣。此模塊通過串口中的RXD和TXD管腳與STM32F103的PA2(TXD)和PA3(RXD)相連，實現數據傳輸，并通過天線發射或接收信號。

圖5 ZigBee無線網絡傳輸模塊電路原理圖(截圖)

2.4 電源監測管理模塊

2.4.1 充電管理電路

系統采用聚合物鋰離子電池供電，外接5 V直流電源適配器為電池供電。在正常情況下，系統通過外部直流電源供電，當外部電源意外中斷時，內部的鋰電池會繼續為系統供電，保證電路在一定時間內正常工作。

充電管理電路原理圖如圖6所示，以充電管理芯片采用TP4055為核心［5］，當外部5 V直流電源接入后，對鋰離子電池充電同時向后級供電，此時電池進入到4.2 V停充→放電到4.1 V→再充電的循環過程，R504設置充電電流為300 mA，此時芯片的最大熱耗為(5－2.9)×0.3 W=0.64 W，為防止過熱接耗散電阻 R501、R502分擔熱耗0.35 W。D2為充電指示燈，點亮表示正在充電，閃爍表示沒有連接電池且后級關閉。

2.4.2 后級穩壓電路

后級穩壓電源分為數字3.3 V、模擬3.3 V和5 V，分別為單片機、傳感器、風扇等供電。其穩壓電源原理圖如圖7所示，根據各個電源所供電電路的功率估算，數字3.3 V由開關型降壓芯片LM3671提供，模擬3.3 V電源采用低 壓差低噪聲線性穩壓芯片TPS76433提供［6］。

圖6 充電管理電路原理圖

圖7 后級穩壓電源原理圖

2.4.3 低壓指示及欠壓保護電路

鋰電正常工作電壓為3.7～4.2 V，放電至電池內部保護電壓的2.35 V以下時，將自動切斷輸出，但經常反復如此會減少使用壽命和容量。此電路能在低于3.75 V(電池剩余容量15%)時，通過VCC_LOW引腳向STM32F103報警，并通過ZigBee向上位機報警，關斷5 V穩壓芯片輸出使能或將傳感器休眠以節省功耗。當電池電壓降至3.6 V(電池剩余容量3%)時切斷供電，直至接入充電或者更換電池后才能繼續供電，此時進入低耗能狀態，直至電壓降至2.35 V電池鎖閉，低壓指示及欠壓保護電路原理圖如圖8所示。

圖8 低壓指示及欠壓保護電路原理圖

3 系統軟件設計

3.1 數據采集軟件設計

軟件設計平臺為Keil MDK4.23，采用模塊化設計的C語言編程，各個模塊可在AppConfig.h文件中通過宏定義自行裁剪，增加了軟件的靈活性，便于升級。此外AppConfig.h還定義了設備地址、通信數據包長度等全局信息。上電后STM32F103會通過Sys_Init函數進行軟件初始化，該函數配置了Flash、ADC、UART等模塊，并從Flash中讀取保存的AD校準和數據換算參數。初始化之后進入低功耗休眠模式，此時傳感器和風扇電源關斷，并等待上位機指令喚醒設備。軟件流程圖如圖9所示。

圖9 軟件流程圖

3.1.1 接收數據及協議解碼

軟件通過中斷喚醒CPU并開始接收指令數據，通過判斷起始幀0xAA來確定起始數據，并在Sys_ProtecolDecode函數中進行協議解析，控制幀的通信協議格式如圖10所示。

當接收到的設備編號和本機定義的設備編號 DEVICE_ID相同時，通過Sys_CMD函數執行相應的設備指令。

3.1.2 命令執行及數據采集

本系統的數據來自3路模擬傳感器電壓輸出，通過STM32進行A/D轉換。在數據采集過程中，軟件在ADC16_Sample函數中分別對 AD0、AD1、AD2通道進行A/D采樣，采樣方式為連續16次采樣，進行均值濾波，然后將采集到的無量綱值通過DataExc函數轉化為氣體濃度值(16 bit int型)，拆分成2個字節裝入數組中發給Zig-Bee模塊。

3.1.3 協議編碼及發送數據

本模塊共需要向上位機發送3個氣體濃度數據，分別保存在6個字節中，需要在向ZigBee芯片發送之前封裝成21 byte的數據幀。數據幀的封裝和發送工作在Sys_ProtecolEncode函數中完成。

3.2 上位機監測軟件設計

上位機數據監測軟件采用VB.NET語言編寫［7］，軟件采用事件觸發結構，通過串口與協調器模塊通信，以一定的時間間隔向協調器發送指令，并通過協調器發給模塊。

終端模塊入網時，會通過協調器向上位機提交入網信息。上位機通過長地址識別具體模塊后，在控制幀基礎上封裝短地址等信息，經協調器發給終端模塊。終端模塊也通過短地址經協調器和串口將數據幀封裝后發給上位機軟件，軟件解析出數據后通過NTGraph圖形控件顯示氣體濃度的實時變化曲線。在數據檢測軟件中，解析前的控制信息和解析后的數據信息統一定義在 ZigBeeData-Code結構體中，其具體定義如下:

分別為協議編碼、解碼函數，實現了字節數據與Zig-BeeDataCode類型的相互轉換。其定義如下:

同時，軟件可以選擇氣體濃度采集的時間間隔和濃度報警上限，超過上限后，會通過對話框和提示音報警。

3.3 ZigBee無線網絡通信建立

使用USB通信電纜將ZICM2410［8］模塊和PC機連接后，進入配置狀態。可以實現本地及遠程節點信息的獲取、配置，以及無線遠程IO控制、AD采集等功能。配置命令通過串口通信進行，一條控制命令包含幀頭、功能碼和對應的參數或數據，所有數據格式均為16進制。

系統上電后ZICM2410模塊首先進行初始化，然后進入休眠模式。當有中斷發生時，則退出休眠模式。如果接收到上位機的命令時，向STM32發送接收到的命令。如果是要發送數據，則接收STM32發送的數據，并將數據發送出去。數據發送完后，ZICM2410模塊進入休眠模式。

4 實驗測試

在實驗室連接好各個電路模塊，分別取3種氣體的標準氣樣進行試驗，實驗結果如圖11所示。CH4氣體的基本誤差0.03%，H2S氣體測量精度為 ±3%(F.S)，CO 誤差±2%(F.S)符合標準要求。

圖11 氣體測量運行圖(截圖)

氣體測量的標定方法是將氣體檢測模塊置于純凈氣體樣本中得到零點采樣值AO，再將模塊置于濃度為Vs的標準氣體樣本中，得到標準點采樣值As，做出傳感器濃度檢測曲線。由于傳感器在量程內呈現線性響應，所得實際測量公式為

5 小結

本文設計的有害氣體檢測裝置，以ZICM2410的Zigbee無線網絡模塊和STM32F103微控制器實現3種氣體濃度的檢測以及數據的無線傳輸，并通過VB.NET開發上位機軟件實現對氣體濃度的實時查看。通過實驗證明，能夠較好地實現氣體濃度的快速和準確測量。

［1］柏興洪.基于ARM9的嵌入式氣體檢測系統硬件平臺的設計及研究［D］.重慶:重慶大學，2011.

［2］王杰.基于STM32F103礦用高壓隔爆開關綜合保護系統的研究與開發［D］.天津:河北工業大學，2010.

［3］黎長云.基于ZigBee的低功耗無線油井傳感變送器的研究與設計［D］.武漢:湖北工業大學，2011.

［4］張毅，馬俊元，楊校權.基于Cortex和ZigBee的智能家居網關設計與實現［J］.電視技術，2012，36(1):56－59.

［5］凌好，劉忠榮.基于STM32的太陽能自動跟蹤控制系統的設計［J］.計算機測量與控制，2012(2):383－385.

［6］李寧.基于MDK的STM32處理器開發應用［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2008.

［7］金純，何山，徐洪剛等.基于ZigBee的井下人員定位系統設計［J］.電視技術，2011，35(21):138－140.

［8］廣州致遠電子有限公司.基于ZigBee技術的精準農業監控系統［J］.電子技術應用，2009，35(9):34－35.