基于ZigBee無線傳感器網絡的CO監測系統設計

趙建偉，張東亮，胡祥超，趙詠梅

（西北核技術研究所，西安 710024）

CO（一氧化碳）是一種對人體健康十分有害的無色、無臭氣體，大量吸入會出現頭痛、惡心、頭暈等感覺，嚴重時可導致死亡。在部分工業生產、科研實驗等場所，可能會產生或泄漏一定量的CO，對現場工作人員造成傷害。因此對CO濃度進行實時在線監測，對保證人員的安全具有重要意義。常規的CO濃度監測方法，一是使用手持式監測儀進行監測，這種方法不適用于多點、大范圍使用。二是利用CO傳感器和數據采集儀等進行有線數據傳輸，只滿足部分應用場合。本文應用中傳感器布點位置較為分散，且有其他條件限制，測量現場不宜鋪設數據傳輸及供電電纜，故采用ZigBee無線傳感器網絡完成CO在線監測，并擴展了通信距離，獲取了有效數據。

ZigBee是一種短距離、低速率無線網絡技術，通信效率非常高。其物理層和MAC層協議為IEEE802.15.4協議標準，網絡層由ZigBee聯盟制定，應用層可根據用戶自己的項目需要，對其進行開發利用[1-2]。與其他無線短距離通信技術相比，ZigBee具有成本低、功耗低、可靠性高、安全性高、網絡容量大等優點。在工業控制、物聯網、智能建筑、環境監測等領域有著廣闊的應用前景。

1 系統總體設計

CO監測現場區域較大，監測點多且相對分散，傳統的有線測量方式就存在線路布設復雜、接線繁瑣、供電困難、后期維護成本高等問題。因此在本系統中采用ZigBee無線通信方式。根據現場特點，通信網絡采用星型結構。另外，由于場地有一定起伏，監測前端與監控中心之間有山坡阻隔，無法直接通視，故系統中增加路由節點，起到中繼作用。系統網絡拓撲結構如圖1所示。

圖1 系統網絡拓撲結構圖Fig.1 Topology structure of the system

系統由3部分組成，即終端節點（end device）、路由節點（router）和協調器（coordinator）。 其中，終端節點配置CO傳感器，負責數據采集并向路由節點發送數據。路由節點負責通信轉發，在本系統中實際起到中繼作用。協調器作為網關，是網絡的核心，負責建立整個無線網絡，且與監控主機相連，將主機的指令轉發給前端傳感器節點，并將接收到的監測數據通過串口交與主機處理。

2 系統硬件設計

系統硬件設計主要包括終端節點、路由節點、協調器等的設計。其中，路由節點和協調器功能一致，硬件完全相同，只是在軟件設計中有所區別。

2.1 CO監測終端節點的設計

CO監測終端節點即工作在測量現場的傳感器節點，完成CO氣體濃度采集與通信功能，工作環境相對惡劣。節點中的CO采集選用英國Alphasense生產的小型帶過濾膜的CO-AF型傳感器，該型傳感器采用電化學原理，靈敏度好（55～90 nA/ppm），響應時間短（<25 s），過載能力強（200%），適用于工業現場等環境。

節點的無線通信模塊選用TI公司的CC2530F256芯片，該芯片采用2.4 GHz頻率，IEEE 802.15.4標準，ZigBee技術具有極高的接收靈敏度和抗干擾性能，能夠以非常低的材料成本建立強大的網絡節點[3-4]。同時，CC2530F256內部集成工業標準增強型8051 MCU，以及8通道輸入可配置12位AD轉換器，可完成CO傳感器的數據采集及轉換。

CC2530芯片的射頻信號的收發是采用差分方式來實現的，這種平衡電路的實現方式不僅能夠減少信號的散射、抑制噪聲的干擾，也能夠使電路中電流所產生的磁場相互抵消而不會對外界產生干擾。但在本系統中，由于通信距離相對較遠，達到上千米，所以需要增大發射功率，以滿足遠距離通信需求。系統中選用TI公司推出的功率放大芯片CC2591，它的工作頻率為2.4 GHz，面向低功耗與低電壓應用，具有集成度很高的射頻前端[5]。其內部集成的功率放大器增益為22 dB，最大發射功率為+22 dBm，接收部分內部集成的低噪聲放大器分高低接收增益分別為11 dBm、1 dBm，相較于CC2530-97 dBm的接收靈敏度，CC2591可以將接收靈敏度改善6 dB。同時，選用CC2591，則無需采用平衡/非平衡轉換電路實現雙-單端口信號轉換的巴倫電路，降低了電路設計的復雜度。CC2591芯片內置了轉換電路，使其RF信號可通過ANT單端口輸出，通過匹配電路直接連接到天線。CO監測終端節點結構框圖如圖2所示。

圖2 終端節點結構框圖Fig.2 Structure diagram of end device

2.2 協調器設計

協調器為系統中的無線信號接收端，負責前端傳感器與監控主機之間的信號轉換。無線通信網絡需要維護雙向的通信通道，系統中的數據大部分都是上行數據，即由傳感器節點發往監控中心，只有當監控中心發送采集數據等控制指令時，才有數據的下行傳輸。同樣，協調器無線通信模塊仍然采用CC2530F256芯片，與傳感器節點的區別是無數據采集模塊，而是增加了與監控主機連接的串口通信模塊，由MAX3232完成RS232電平與TTL電平之間的轉換，將收到的數據通過此串口傳輸至監控主機[5-7]。協調器節點主要電路如圖3所示。

圖3 協調器節點主要電路Fig.3 Hardware circuit of coordinator

RF信號經CC2530的RF_N和RF_P端口出來，經過差分信號阻抗匹配、濾波后送入CC2591進行功率放大，后通過CC2591的ANT口與天線相連。協調器中利用CC2530的P0口對CC2591的HGM、EN、PAEN進行邏輯控制，使其正常工作。另外由于CC2591工作高電壓為1.8 V，CC2530端口電壓為2.0 V～3.6 V，所以二者之間需要增加分壓電路。

路由節點與協調器硬件設計完全相同，但是不啟用串口功能，只是在軟件上進行調整，將獲取的前端數據轉發給協調器，或將協調器的控制指令轉發給傳感器節點。

3 系統軟件設計

軟件設計是整個監測系統的重要部分，包括傳感器節點、協調器及監控主機的軟件設計[8-9]。傳感器節點和協調器部分的代碼由IAR Embedded Workbench IDE來實現，并以TI公司CC2530支持的ZStack協議棧為基礎進行開發。監控主機部分的代碼由Delphi2010實現。下面主要介紹傳感器節點和協調器的工作流程。

3.1 傳感器節點工作流程

傳感器節點的主要功能為根據監控主機控制指令獲取現場CO氣體濃度，并向協調器發送此數據。其工作流程為上電后首先進行初始化，使能MCU和RF收發器，然后向協調器發送入網請求，成功后則等待控制指令。接收到監測的控制指令后，啟動A/D，進行取樣，獲取CO傳感器的數據，并發送數據，然后繼續等待下一條控制指令。程序流程如圖4所示。

圖4 傳感器節點流程圖Fig.4 Flow chart of sensor nodes program

3.2 協調器工作流程

協調器作為整個網絡的核心，起著至關重要的作用，主要實現網絡的組建、管理、數據的收發等。其工作流程為上電后首先進行初始化，與傳感器節點一致，然后掃描頻段內的信道，組建網絡，接著按預設地址以“點名”的方式獲取各傳感器節點信息，成功后等待監控主機從串口發來的控制指令。收到指令后立即向傳感器節點轉發指令，并等待傳感器節點傳回的測量數據，然后向主機發送數據。協調器節點程序流程如圖5所示。

圖5 協調器流程圖Fig.5 Flow chart of coordinator program

協調器通過串口進行數據通信時，發送數據以幀的形式在網絡層進行傳輸，表1為部分數據幀的定義。

表1 部分數據幀定義Tab.1 Some data frames definition

4 系統測試

現場的CO氣體濃度為相對緩變信號，對采集頻率要求不高，但現場空間分布較廣，對信號傳輸距離有一定要求。本文設計的基于ZigBee無線傳感器網絡的CO在線監測系統經過實驗室測試，在通視條件下，傳輸距離可達1.5 km，且信號傳輸穩定。在現場，布設了約30個傳感器節點。由于與監控中心之間有山坡阻隔，無法通視，故增加了中繼路由節點。系統采用蓄電池供電。同時，為進一步增強信號強度，采用高增益吸盤天線，架設高度約2 m。監測結果表明，在1min內可完成1輪所有傳感器節點的數據獲取，且系統工作穩定可靠，信號傳輸距離滿足要求，抗干擾能力強，有效保證了現場CO濃度監測。

5 結語

基于ZigBee協議設計了CO無線監測系統，通過采用CC2530與CC2591相結合的方式，擴展了通信距離，做到了低功耗、低成本、高可靠的無線傳輸，采用星型結構，實現了多點、大范圍CO在線監測。系統結構相對簡單，易于擴展，在實際應用中可快速獲取現場CO濃度值，對保證現場工作人員的安全具有重要意義。

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