基于ZigBee 的空氣質量監測系統的研究設計

王霞，宋越

(1.泰州職業技術學院，江蘇 泰州 225300;2.泰州市人民檢察院，江蘇 泰州 225300)

0 引言

近年來，在石油化工領域中，由于各種原因導致的毒氣泄漏，氣體爆炸等造成人員傷亡的事件時有發生，給人民的安全，給國家的經濟造成了很大的損失。因此，為了避免發生重大事故和保障人民的生命財產安全，就必須具有現代化的管理體系和監控設施。

本文提出了一種基于ZigBee 無線技術的工業現場空氣質量監測方案。利用終端傳感器采集到的空氣質量參數，通過ZigBee 無線傳感網絡實時地將數據發送到監控室，集中監測各個工業現場的空氣質量狀況。一旦發現問題，及時報警提醒工作人員采取有效地措施，有效避免重大事故的發生。

1 系統的方案設計

1.1 系統的功能概述

空氣質量監測系統作為工業管理體系中的“實施和監測”環節，實時監測空氣質量的狀況，并實時傳送到工廠的管理網絡中，以提供實時、準確的現場數據。

系統將工業現場檢測到的空氣質量狀況發送給管理網絡后，監控室內的PC 機實時監測現場變化狀況，一旦發現現場空氣狀況異常，立刻報警通知現場工作人員采取有效的措施，從而保障人們的生命財產安全。系統能夠檢測多個空氣質量參數，主要包括:溫度、濕度、CO 含量、CO2含量以及空氣質量。系統還預留了多個擴展接口，可以根據實際需求，添加氣體傳感器模塊。整個系統的技術指標如表1 所示。

表1 系統技術指標

1.2 系統的整體結構設計

空氣質量監測系統由檢測終端、無線路由器、無線網關以及基于PC 機的監測軟件組成。系統的整體結構如圖1 所示。

圖1 系統整體結構圖

由于在企業控制室或辦公室安裝空氣質量監測系統時，鋪設與各檢測終端間的通信電纜是十分不便的，因此本空氣質量監測系統在各檢測終端與PC 機間采用無線通信，這不僅便于初始安裝，也便于隨時更換檢測終端在室內的位置。

系統的無線通信部分采用了ZigBee 無線網絡技術［2］。ZigBee 標準是基于802.15.4 協議棧而建立的，具備了強大的設備聯網功能，它可支持3 種主要的無線網絡拓撲結構，即星型結構、簇狀結構(Cluster tree)和網狀結構(Mesh)。其中的網狀結構具有自組織能力以及很強的網絡健壯性和系統可靠性。本系統正是采用了網狀結構實現設備間相互通信的。

系統的工作原理:

1)無線網關組建網絡，形成本網路特定的網絡ID，無線路由器和檢測終端自動搜索網絡，找到與自身匹配的網絡ID 后加入網絡;

2)檢測終端實時檢測工業現場的溫度、濕度、CO 含量、CO2含量以及空氣質量，并將檢測到的結果通過無線方式直接發送給網關，或通過無線路由器轉發給無線網關;

3)無線網關收到終端發來的數據后，將數據通過USB 口上傳給PC 機;

4)PC 機進一步處理發來的數據，實時監測各個現場的空氣質量狀況。

2 系統的硬件設計

系統的硬件由檢測終端、無線路由器以及無線網關這三部分構成。

2.1 檢測終端的設計

檢測終端主要功能是檢測空氣中多種氣體參量，主要包括:溫度、濕度、CO 濃度值、CO2 濃度值以及空氣質量等級指標，并將檢測到的數據實時地通過ZigBee 無線方式發送給網關。

檢測終端主要由傳感器、信號變換電路、A/D 轉換電路、微處理器、無線射頻模塊以及電源模塊組成。溫度、濕度、CO、CO2以及空氣質量傳感器將檢測到的結果經信號變換、A/D 轉換后，由微控制器讀入并做工程量轉換，再通過Zigbee 無線模塊發送給網關。其中CO2傳感器采用紅外檢測法［3］，紅外檢測法具有測量精度高、可靠性強、壽命長等特點，利用這一方法可準確測量空氣中CO2的含量;CO 傳感器采用的是電化學檢測法，它是通過傳感器的氧化還原反應，將CO 氣體轉化為與之成正比的電流信號，電化學傳感器是目前工業上用于測量有毒氣體的主流方法，使用這種方法測量精度高、反應靈敏高。除此之外，為了能更快速地和周圍空氣保持流通，檢測終端內部還裝有微型軸流風扇，起到散熱的作用。檢測終端的結構如圖2 所示。

圖2 檢測終端結構圖

2.2 無線路由器的設計

由于建筑物結構空間、距離不同，房間之間墻體結構不同，在檢測終端與網關之間，可能存在無線信號無法一次接收得到的情況，這時就需要增設無線通信路由器設備。根據室內分布和墻體的具體情況，需要安裝一個或多個帶有Zigbee 模塊的路由器節點。檢測終端中的數據，通過無線通道將數據發到所屬的路由器節點，路由器節點通過路由把數據傳送到網關，網關再把數據傳輸到PC。這種方式網絡結構簡單，形成網狀和簇樹交錯的拓撲結構，易于實現。

無線路由器由微處理器、無線射頻模塊以及穩壓電源模塊組成。其中電源模塊采用交流電源供電，從而保證路由器能長時間、高效率的工作。無線路由器的硬件結構如圖3 所示。

圖3 無線路由器結構圖

2.3 無線網關的設計

系統的無線網關實際上擔當著ZigBee 網絡中的協調器的角色，ZigBee 網絡中包含3 種設備類型:即ZigBee 協調器、路由器以及終端設備。協調器是整個ZigBee 網絡的中心，它負責建立、維持和管理網絡、分配網絡地址等功能。本系統中網關在組建完網絡后，等待終端發來數據，然后將收到的數據通過USB 接口上傳給PC 機。

無線網關主要由微處理器、無線射頻模塊、USB 通信模塊［4］以及電源轉換模塊組成。其中微處理器與USB 模塊間采用串口(UART)通信;網關采用USB 供電，電源轉換模塊是將USB 電壓轉換為微處理器的工作電源。無線網關的硬件結構如圖4 所示。

圖4 無線網關結構圖

3 系統的軟件設計

系統軟件由下位機和上位機這兩部分軟件組成。其中下位機軟件主要完成數據的采集和傳輸，上位機軟件則完成數據的接收和處理。

3.1 下位機軟件的設計

下位機軟件主要包括:各硬件設備的初始化工作、檢測終端的數據采集以及數據的傳輸。系統采用的是Zig-Bee 無線通信技術，而本系統下位機軟件是基于TI 的ZStack 協議棧基礎上開發的［5］。

1)各硬件設備的初始化工作。在設備通電后，需要完成硬件平臺和軟件架構所需要的各個模塊的初始化，為操作系統的運行做好準備。初始化工作主要包括:初始化芯片的各個硬件模塊、初始化系統時鐘、初始化堆棧、初始化Flash 存儲器、形成終端的MAC 地址、初始化一些非易失變量、初始化MAC 層、初始化應用框架層以及初始化操作系統。

2)檢測終端的數據采集。檢測終端內置多個傳感器，主要測量溫濕度值、CO 和CO2濃度值以及空氣質量等級指標。微處理器讀入各個傳感器采集到的數據，然后進行相應的計算和軟件濾波處理。其中軟件濾波是很重要的一個步驟，用于去除一些受干擾的數據，提高數據的準確性。數據采集的流程如圖5 所示。

圖5 檢測終端數據采集流程圖

檢測終端數據采集程序通過調用Temperature()、Humidity()、AIR_sensor()、CO2_sensor()以及CO_sensor()這五個函數，用于采集空氣中的溫度、濕度、空氣質量、CO2以及CO 參量。由于系統是實時監測工業現場的空氣質量變化狀況，因此，這五個函數是定時被調用的，定時時間可根據實際需求設定。

3)數據的傳輸。檢測終端采集這5 個參數后，將它們按照一定的格式排列，并在數據串前頭加入終端設備的MAC 地址，然后進行打包保存。其中，MAC 地址是在PC機收到數據包時，用于區分哪個終端發來的數據，這樣，一個網絡里面就可以同時存下若干個終端設備了。

終端在將打包好的數據發送前，先要檢測區域內是否有可用的ZigBee 無線網絡。當發現周圍有允許的網絡后，加入網絡，然后將數據無線發送出去，網絡將根據最佳路徑最終將數據發送給無線網關。網關將收到的數據通過串口發送給USB 模塊，USB 模塊再將數據通過USB 線上傳給PC 機。這里，USB 模塊與PC 機正常通信前，應根據USB 芯片的型號，在PC 機上安裝對應型號的虛擬串口驅動程序。

3.2 上位機軟件的設計

上位機軟件是系統人機交互的主要方式，用戶可以從中讀取信息或者輸入命令來控制系統的工作狀態。PC 機通過USB 接口將工業現場的數據讀入后，上位機軟件對其進行一定地處理，然后將結果以圖形和文字的方式直觀的展現給用戶，用戶只需在監控室內，就能夠觀察各個現場的空氣質量狀況。

本系統借助VB 語言設計圖形界面的特點，設計空氣質量監測系統軟件。監測軟件的程序流程如圖6所示。

圖6 中，初始化圖形界面主要包括:初始化各個氣體參數柱形圖和曲線圖、初始化串行通信端口以及初始化工作狀態等信息。串行通信端口的設定需要查看PC 機在安裝虛擬串口驅動程序時分配的串口號。程序通過調用VB 中的串口控件(MSComm)，將數據包讀入程序內，然后對數據包進行解析，提取數據包內的終端MAC地址、溫度、濕度、CO2含量、CO 含量以及空氣質量信息。程序將提取的MAC 地址轉換為終端設備號，并且根據提取的五個空氣質量參數調用柱形圖和曲線圖顯示函數，在對應終端設備號的監測畫面中實時更新空氣質量信息。

圖6 監測軟件程序流程圖

4 結語

本文設計的空氣質量監測系統，能夠實時、準確地監測工業現場的空氣質量狀況。一旦發現問題，快速報警提示工作人員采取有效措施，達到早發現早治理的目的，從而保障人員的生命財產安全。

整個系統具有如下特點:

1)多種氣體同時測量。由于終端內置多個傳感器，可變單一成分的檢測為多種主要成分的檢測。并且終端預留了擴展接口，可根據實際需要，增加多個氣體傳感器。

2)測量精度高、速度快。空氣質量監測系統中的CO2采用紅外檢測法，CO 采用電化學檢測法，使用這兩種方法可以定量測出空氣中CO2和CO 的濃度值。測量精度高，反應靈敏。

3)監控范圍廣。系統無線通信部分采用了ZigBee 無線網絡技術。ZigBee 技術的特點之一就是網絡容量大，最多能容納多達65 000 多個節點。因此，一個無線網絡可以容納若干個檢測終端，能適應大規模的監控。

［1］Shang Rubin，Chen Jun，Industrial Engineering Institute of Chinese Mechanical Engineering Society(IEI/CMES)et al.HSE Management System＇s Influence on Traditional Facility Management in Petrol-chemical Industry (ID:8-062)［A］.13th International Conference on Industrial Engineering and Engineering Management vol.5:Industrial Engineering and Management Innovation in New-era［C］.2006 .

［2］Shizhuang Lin，Jingyu Liu，Yanjun Fang.ZigBee Based Wireless Sensor Networks and Its Applications in Industrial［A］.2007 IEEE International Conference on Automation and Logistics (ICAL 2007)，vol.4［C］.2007.

［3］SeungHwan Yi，YoungHwan Park，SeungOh Han.NOVEL NDIR CO{sub}2 SENSOR FOR INDOOR AIR QUALITY MONITORING［A］.13th International Conference on Solid-State Sensors，Actuators and Microsystems (TRANSDUCERS ＇05)，vol.2［C］.2005.

［4］彭琰.USB 設備控制器的硬件電路設計與實現［D］.長沙:湖南大學，2009.

［5］高守瑋，吳燦揚.ZigBee 技術實踐教程:基于CC2430/31 的無線傳感器網絡解決方案［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2009.