基于Zigbee的煤氣檢測系統設計與實現

蘇智華

(西安歐亞學院， 西安 710065)

1 概述

隨著計算機技術，信息技術和控制技術的發展，人們生活與信息的關系越來越密切。目前，信息技術正在慢慢地改變人們傳統的生活方式和工作方式，智能化已經成為人們日常生活不可缺少內容，移動互聯技術的發展推進了各行業設備的自動化以及互聯化。用氣安全是家庭基本安全的重點之一，如何實現對家庭用氣安全的實時監測是家庭、政府以及社會所必須關注問題，利用信息技術、無線互聯技術等高科技將各類煤氣安全監測設備與監測信息系統進行互聯，為家庭用戶以及煤氣運營商提供實時的監測數據[1]。

煤氣檢測在行業內已有了多種解決方案，主要面向的對象(用戶群)也均由差異，所謂檢測就是利用專業的傳感器技術對環境中存在的某種物質進行密度、濃度以及所散發的范圍進行傳感監測，并將各類監測數據匯總發送到分析系統，由分析系統進行按照專業化模型進行分析比對，為最終用戶提供準確性較高的參考數據。煤氣檢測的終端用戶包含煤氣使用者、煤氣運營商以及相關執法機構。

ZigBee技術作為短距離通信的高可靠性通信標準協議，在眾多的在線檢測系統中得到了應用，該協議遵循IEEE802.15.4標準，其低功耗的特性為特殊行業的傳感器應用提供了可監測周期長、自組織等可行性。煤氣作為日常生活所必不可少生活必需品，作為家庭用戶，確保家庭用氣安全是第一位的；作為煤氣運營商，確保所轄區域煤氣用戶以及輸氣管道安全是企業運營的基礎。本文設計實現了一套基于ZigBee通信的煤氣監測系統[2]，系統主要應用場景為家庭煤氣安全監測以及煤氣運營部門對所監管區域煤氣安全監控等。

2 系統總體設計

系統由3層架構組成，按照當前典型的應用系統體系架構分為采集層、傳輸層以及應用層。其中采集層主要由各類煤氣監測傳感器構成，傳輸層主要由短距離無線通信網絡以及家庭網絡組成，應用層主要由應用分析以及預警系統組成。系統的總體架構圖，如圖1所示。

圖1 系統總體架構

傳感層主要由煤氣傳感器構成，該傳感器主要對煤氣濃度進行監測，分別對煤氣(0.1%-0.5%)、天然氣(0.1%-1%)以及液化石油氣(0.1%-0.5%)的泄露濃度進行檢測，傳感器原理采用電化學反應原理，當表面層與煤氣接觸后會產生電物理特性的轉變，從而達到信號傳感的目的，因文本主要對檢測系統的設計，在傳感器設計方面僅作為成品應用作簡要介紹。

家庭網絡是系統的重要結構基礎。它建立了網絡與傳感層的數據連接，實現了傳感數據的傳輸。家庭網絡可以實現各種能源管理功能[3]，家庭網絡可以使用有線或無線通信模式，與傳統的有線解決方案相比，無線解決方案更易于安裝和維護。此外，無線網絡可以增強系統的可擴展性。與其他短距離無線技術相比，ZigBee無線網絡是建立家庭網絡的首選[4]。 ZigBee技術作為基于IEEE 802.15.4標準的雙向無線網絡技術，具有成本低，功耗低，距離短，復雜度低，安全性高的特點[5]。此外，支持ZigBee技術的芯片非常便宜，對于民用化有較大的優勢。本系統的家庭網絡采用由ZigBee中繼器和多個終端節點組成的ZigBee無線網絡。 ZigBee中繼器負責建立和管理整個ZigBee無線網絡，其通信距離可以覆蓋正常的生活環境，因此使用星形拓撲，所有終端節點可以直接與中繼器進行通信。目前，ZigBee協調器采用CC2530[6]，該程序由IAR Embedded Workbench[7]編譯，ZigBee終端節點位于不同的位置。終端節點連接到電能計量模塊，以收集設備的電能信息，并且還連接到中繼模塊，以便通過觸發繼電器來執行由協調器發送的控制命令。

應用系統主要包含面向終端用戶的分析以及報警模塊，其中分析模塊主要完成對傳感器數據的采集、處理以及分析功能，按照各類專業的煤氣監測模型對目標數據進行處理，并分析當前所檢測環境的煤氣含量并決定是否報警。應用系統主要包含面向終端用戶以及運營商，對運營商來說主要關注所轄區域用氣情況以及輸氣管道安全等信息，并定期匯總向上級有關部門進行匯報。

3 應用端系統設計

應用端系統是煤氣監測系統的管理中心。根據系統設計分為數據通信模塊，終端控制模塊、數據查詢模塊以及后臺數據存儲模塊4個模塊。

3.1 數據通信模塊

應用系統通過Socket與移動終端通信，并通過串行端口與ZigBee中繼器進行通信。

1) 與ZigBee進行串行通信

系統通過PC的串行端口連接到ZigBee中繼器，并通過串行通信傳輸數據。MFC提供封裝的MSComm控件，可以使用串口發送和接收數據。 MSComm控件支持訪問串行端口的應用程序，使串行通信更可靠，使ZigBee中繼器和服務器可以方便地使用串行端口進行數據傳輸。MSComm控件的主要特性主要設置CommPort、Settings、PortOpen、Input、Output等參數。將串口控制添加到項目后，串口被初始化，串口參數和串口號也被設置。服務器端應用程序通過MSComm控件的Input屬性和Output屬性直接讀取串口的接收和發送緩沖區，以便接收協調器發送的數據并向協調器發送數據[8][9]。

2) 與移動終端進行套接字通信

服務器可以通過Socket進行遠程移動終端的通信，Socket是TCP / IP協議的流行編程方法。套接字通信是基于客戶端/服務器模型的通信模式，基于IP地址和端口號。服務器是Socket通信的服務器，而移動終端是客戶端(針對終端用戶)。端口號設置完成后，主服務器等待來自客戶端的連接請求，客戶端首先向服務器發起Socket連接請求，收到請求后，服務器將建立連接并打開偵聽端口，服務器和客戶端通過線程實現Socket通信。服務器端程序使用單獨的線程來處理來自每個客戶端的Socket請求和反饋[10]。當有新的客戶端在線時，將創建一個新線程來接收和發送數據。當客戶端脫機時，服務器將關閉線程。

3.1.2 終端控制

服務器可以實現所管理監控設備的交換控制，可對監測傳感器的監控頻率、發送數據內容進行遠程配置，流程如下：服務器端應用程序接收移動終端發送的控制命令，然后發送給ZigBee中繼器。例如，控制命令“& S Y1”表示打開設備Y1，“& N Y1”表示關閉設備Y1。最后，ZigBee中繼器向傳感器終端發送控制命令，實現設備的切換控制。

3.1.3 數據查詢

服務器端應用程序可以查詢數據庫中每個設備的實時采集數據和歷史數據。當用戶通過移動客戶端或服務器的控制接口查詢設備的實時數據時，服務器將向ZigBee中繼器發送查詢命令。在從終端節點接收到數據后，服務器通過數據處理獲取設備的監測數據和運行狀態，然后將設備的信息發送到移動終端。結果顯示在控制界面上，如圖2所示。當用戶要查詢設備的歷史數據時，移動終端將發送查詢命令到服務器。例如，“SLY1@20170701 * 0000 * 2359”是指需要在2017年7月1日從00:00到23:59的設備Y1的歷史數據。根據查詢命令，服務器在后臺數據庫中查找相應時間段內的設備歷史數據，并按照一定的格式將其返回給移動終端。

4 系統功能

煤氣監測系統的系統功能主要通過函數接口進行設計，根據實際的業務需求共包含遠程控制、數據分析、數據上傳、系統報警等功能，各功能主要的函數定義，如表1所示。

表1 函數定義函數定義

操作界面的功能是為用戶提供直觀的移動終端界面，方便用戶能夠實施獲取用氣情況以及是否有泄露風險。用戶可以通過操作界面查看各設備的連接狀態和切換狀態。同時，用戶可以查詢每個傳感設備的監測的歷史記錄[11-14]。

系統總體業務如圖2所示。

圖2 系統業務流程圖

服務端通過數據采集接口對所轄區域的傳感數據進行收集，通過ZigBee局域網絡將數據傳輸到服務端，服務端應用程序分別執行數據存儲以及與監測模型計算工作，通過與專業的煤氣監測模型對采集數據進行處理、分析，判斷不同類型的氣體數據是否達到了預警臨界值，并未用戶提供報警信息[15]。

系統面向個體用戶以及運營商用戶，個體用戶主要對家庭煤氣監測進行管控，可遠程對傳感器監測頻率等參數進行修改，以及實時查詢傳感器的監測數據；運營商用戶主要指煤氣運營單位，系統為該類型用戶提供煤氣管道數據周期性上傳、用戶用氣數據統計以及與上級主管部門交互的一些數據報表等信息。

經過進一步的驗證，證明移動終端可以保持與服務器的穩定網絡通信，同時，服務器端程序定期存儲每個傳感器的傳感數據，并且可以通過服務器的查詢界面查看后臺數據庫中的有效數據。例如，2017月07日02日濃度監測結果如圖3所示。測試證明該系統有效，運行良好。

圖3 測試結果界面

5 總結

本文設計并實現了一種基于ZigBee技術的煤氣監測系統，該系統可以通過專業傳感器對煤氣數據進行周期性采集，并設計了3層體系架構，服務端程序主要完成對數據處理分析工作，客戶端程序主要針對不同的用戶完成特定的功能體驗。文中對系統功能的數據傳輸模塊、控制模塊、查詢模塊等進行了介紹，并且對系統整體工作流程進行了分析介紹，通過實驗驗證，系統可實時檢測所轄區域煤氣濃度信息。

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