基于ZigBee的煙氣連續檢測系統

李 潔 強 龍

(內蒙古科技大學信息工程學院，內蒙古 包頭 014010)

近年來，北方多地遭遇嚴重霧霾，環境問題日益嚴峻，因此控制煙氣污染物的排放刻不容緩。煙氣檢測是環境保護的重要基礎，《環境檢測管理辦法》中規定，縣級以上環保部門必須實時監控企業燃燒作業中產生的粉塵和各種有害氣體。余蘭蘭等以城市污水廠剩余污泥為原料，利用固相共混法負載金屬氧化物的改性方法制備工業煙氣脫硫吸附劑[1]。由于工業現場環境惡劣、分析時間較長、過程繁瑣和測量準確度低的缺點，氣體檢測系統向著無線檢測方式發展，用先進的分布式無線通信技術實現傳感器與數據采集系統的直接通信[2]。

筆者采用成本低廉、速率低且功耗也低的ZigBee協議設計了煙氣連續檢測系統(CEMS)。

1 無線CEMS系統的構成①

基于ZigBee協議的無線煙氣連續檢測系統的結構如圖1所示。系統通過SO2傳感器、NOx傳感器和CO傳感器采集煙氣中的各種污染氣體的濃度，將采集到的信號送至ZigBee無線節點；同時采用ZigBee技術的星形網絡拓補結構，建立了1個主節點與3個子節點的無線網絡，從子節點采集的數據每隔一定時間便發送至主節點，主節點將收到的數據通過RS485串口傳給PLC，PLC再通過RS485串口將數據傳送給上位機進行監控。

圖1 CEMS系統結構

2 硬件

筆者設計的CEMS系統的硬件包括：氣體傳感器，完成對煙氣中污染氣體的采集；電流放大模塊；ZigBee無線采集模塊，可采集4路4～20mA的標準信號，并對采集到的信號進行A/D轉換，該模塊也是整個無線網絡的子節點，向主節點發送數據；ZigBee無線模塊，接收子節點傳送的數據，并將數據傳送至PLC，是整個無線網絡的主節點，并且起著主協調器的作用；PLC模塊。

2.1 數據處理系統

數據處理系統將氣體傳感器采集到的微弱電流信號放大后，通過電流/電壓變換電路變換為符合A/D模塊輸入要求的0.0～3.3V的電壓信號，再通過數據采集模塊將處理完成的數字信號傳輸給ZigBee模塊。數據處理系統的結構如圖2所示。

2.2 ZigBee無線模塊

ZigBee無線模塊由射頻收發器(符合ZigBee協議標準)和微處理器組成，可實現遠距離通信，同時有較強的抗干擾能力和組網靈活的特性；可實現點對點、點對多點以及多點對多點的數據透明傳輸；可組成星形網絡結構和MESH型網狀網絡結構。

圖2 數據處理系統結構示意圖

ZigBee的協議棧結構如圖3所示，由一系列層組成。下層為上層執行一組特定的服務：數據傳輸服務由數據實體提供，其他所有服務由管理實體提供。每一個服務實體與上層通過接口進行連接。該接口是一個服務接入點(SAP)，每個服務接入點能夠解析多種服務原語，并實現所要求的功能。

圖3 ZigBee協議棧結構

2.3 電化學傳感器

電化學傳感器的工作原理(圖4)是：被測氣體由進氣口進入氣室，通過隔膜與電解液接觸，被測氣體與電解液發生化學反應，同時產生與氣體濃度成正比的電信號。電化學傳感器主要由工作電極和對比電極組成，通過兩電極間的電阻，與被測氣體濃度成正比的電流會在正、負兩極之間流動，對此電流進行測量即可確定被測氣體的濃度。

圖4 電化學傳感器的工作原理

3 軟件

ZigBee星形網絡如圖5所示，由一個主節點和一系列子節點組成輻射狀網絡。主節點負責數據和網絡命令的傳輸，每個子節點只能與主節點通信，子節點的相互通信需要主節點轉發完成。星形網絡具有結構簡單、成本低、路由管理量少及容易管理和維護的優點，因此被大量應用于智能家居、工業控制、遠程檢測及控制等領域。

圖5 ZigBee星形連接示意圖

3.1 主節點程序

在CEMS系統的星形網絡中，主節點組網時的信道參數為默認值，不需要進行網絡信道掃描。首先經過初始化后直接進入網絡監聽等待狀態，當子節點發來連接請求時，主節點依次從子節點的地址列表中選擇一個16位短地址，同時發送到子節點作為其網絡通信地址，然后主節點將入網確認信息發送到子節點，此時建立連接。當子節點向主節點發送信息時，主節點接收該數據信息并進行數據包解析，同時判斷數據信息的真假，然后判斷是否是發送給自己的信息，確定后提取信息負載。主節點的程序流程如圖6所示。

圖6 主節點程序流程

3.2 子節點網絡

星形網絡中子節點負責發起與主節點的聯網請求，并向主節點發送數據信息。現從子節點入網和子節點數據發送兩方面進行設計。

3.2.1子節點入網

首先初始化子節點，然后向星形網絡發送入網信標請求，最后進入接收狀態，當主節點回復信標請求時向主節點發送連接請求命令。若無回復，子節點繼續向星形網絡發送入網信標請求，并且對應入網信標計數器加1，當計數器值大于預設的最大重試次數時，提示入網失敗。之后子節點需要一定時間的接收等待，等待期間若收到主節點發送的響應信息，則對其進行解析，否則提示入網失敗。如果響應信息解析結果提示連接響應正確，那么節點入網成功，否則節點入網失敗。程序流程如圖7所示。

圖7 子節點入網程序流程

3.2.2子節點數據發送

星形網絡中子節點只能與主節點通信，子節點的相互通信需要主節點轉發。此處設定子節點之間不能進行通信。子節點發送數據時，協議棧從上層到下層依次為數據包添加數據包頭，其中在MAC層的數據包頭控制域中，地址字段的源地址設定為由主節點選擇發送的16位短地址，子節點不存在目的地址，設置目的和源PAN標示符為默認值，并且默認值相同。最后通過物理層將配置好的數據包發送出去。

4 結果分析

采用筆者設計的CEMS系統測量環境中的標準SO2、NOx和CO氣體，試驗結果見表1，可以看出所測氣體濃度在滿量程范圍內相對誤差均小于±3.0%，低于國標規定。多次的試驗結果證實系統運行穩定。

表1 氣體體積濃度測量結果

毛彩芳、夏芳和葛鵬分別將CEMS系統應用于工業鍋爐煙氣、催化裂化裝置煙氣脫硫系統等工業場所，實現了煙氣的實時連續測量，數據傳輸靈敏，實現了企業生產廢氣中污染物的達標排放[3～5]。

5 結束語

基于ZigBee的煙氣連續檢測系統具有自組網、功耗低、通信協議免費、應用簡單及成本低等優勢，解決了傳統氣體檢測系統由人工取樣導致的工作量大、分析時間長、誤差大，而且無法實現實時檢測生產中煙氣排放數據的缺陷，人工操作過程復雜而測量準確度又低，并且使工作人員遠離了現場的惡劣環境，數據傳輸也更加靈敏易于實現，不但非常適用于煙氣檢測，還有利于控制煙氣污染物的排放，對環境保護起到了推進作用。