基于無線傳感器網絡 及Zigbee技術課程實驗裝置的研究

陶苗苗

【摘要】? ? 針對高校無線傳感器網絡及Zigbee技術的課程，設計了教學案例基于Zigbee技術的氣體監測系統，可方便、精確地監測環境中的氣體濃度，該系統充分利用Zigbee技術短距離、低功耗、低成本的特點。系統以CC2530為控制核心，采集氣體濃度信息、發送并實時顯示。通過測試，節點模塊能準確地檢測氣體濃度，且節點間可順利實現數據的傳輸。

【關鍵詞】? ? Zigbee? ? 無線網絡? ? 氣體濃度監測? ? CC2530

引言

無線傳感器網絡（Wireless Sensor Networks， WSN）本身便是分布式傳感網絡的一種，其末梢能夠很好的對外界傳感器進行感知和檢查。無線傳感器網絡本身便是通過無線通信技術把傳感器節點以自由式進行組織與結合進而形成的網絡形式，其組建方式自由、靈活。

針對高校開設的無線傳感器網絡課程及ZigBee技術相關課程實踐的需要，設計了一套基于ZigBee技術的氣體監測系統，能實時監測環境中的有害氣體濃度，預防安全事故。該系統結合單片機、氣體傳感器、無線傳輸等技術，利用傳感器檢測氣體濃度，單片機分析處理數據，并結合Zigbee無線傳輸網絡將檢測結果傳輸到控制室，及時通知管理人員。當有毒有害氣體泄漏時能及時將報警信息傳遞到控制室，便于管理人員采取措施補救，盡量地減少人員傷亡和財產損失。

一、系統概述

本系統由四部分組成：氣體檢測、終端節點、協調器節點和上位機。系統檢測氣體濃度信息，并通過Zigbee網絡將信息傳送給上位機。在Zigbee網絡中，進行協調器節點網絡的建立，并將節點加入進來，終端節點能夠發現并加入到網絡中來，網絡將完成信息的采集、處理和通信功能。終端節點與傳感器相連，采集氣體濃度、預處理、發送;協調器節點與上位機相連，通過RS232將接收到的信息發送給上位機實時顯示。

二、硬件設計

系統采用模塊化的設計方法進行硬件設計，方便以后增加功能和升級，增強系統的兼容性和擴展性。該系統主要包含氣體檢測模塊、Zigbee節點模塊（終端節點和協調器節點）、上位機顯示模塊三部分，主要由CC2530芯片、MQ系列傳感器和電腦等組成。

2.1 氣體檢測模塊

MQ系列傳感器屬于半導體氣敏傳感器，敏感材料本身的活性很高，一般都是金屬氧化物半導體，具有廣泛的探測范圍、選擇性好、靈敏度高、穩定性好等特點。可用于家庭和工廠的氣體檢測，適用于液化氣、丁烷、丙烷、甲烷、酒精、氫氣、煙霧等多種氣體的探測。MQ型傳感器由微型陶瓷管、敏感層、測量電極和加熱器等構成，傳感器電阻隨著氣體濃度的增加而減少，相應的輸出電壓則會變大[3]。若是傳感器環境中有待檢測的氣體，傳感器電導率也會隨著氣體濃度的不斷增加而不斷的加大。通過較為簡單的電路便能夠把電導率變化轉變成為和氣體濃度對應的信號并輸出出去。

2.2 Zigbee節點模塊

ZigBee無線通信網絡主要由協調器、路由節點及終端節點3種節點組成。協調器是啟動網絡和維護網絡;路由節點是轉發數據包;終端節點是發送和接收數據。在剛剛進行網絡建立的時候，每個網絡的協調器節點往往只有一個，其需要做好發起網絡、設定參數、管理和維護信息相關的工作，也能夠協助進行應用層和安全層綁定。協調器節點主要由處理器模塊、RF前端、電源管理模塊及各外部接口等組成。終端節點是具體執行的數據收集傳送的設備，無法連接到其他節點并且不能傳送其他節點的消息，是整個網絡的最后一點，只能直接向協調器返回數據。

CC2530芯片是TI公司推出的Zigbee/IEEE802.15.4標準的系統級芯片，其網絡節點建立的成本比較低，網絡節點本身也比較強大。CC2530 結合了領先的RF 收發器的優良性能，業界標準的增強型8051 CPU，系統內可編程閃存，8-KB RAM 和許多其它強大的功能[4]。CC2530 具有不同的運行模式，這也確保了其能夠滿足超低功耗要求系統。運行模式轉換時間也能夠降低能源消耗。以CC2530為核心，配合不同的外圍電路即可構成類型的網絡節點（終端節點和協調器節點）。

2.3 顯示模塊

終端節點采集信息顯示在LCD上，協調器節點通過RS232與PC機相連顯示信息。

三、軟件設計

本系統在IAR Embedded Workbench開發環境下，采用TI-Zs tack協議棧，用C語言編寫程序，并編譯、調試。實現的功能有數據采集、存儲、發送和顯示等。協調器節點和終端節點的工作流程圖分別如下圖1和圖2所示。

四、系統測試

將程序分別下載到協調器節點與終端節點。協調器連接PC機，打開串口調試助手，設置相應的COM口及波特率;帶LCD顯示的終端節點與氣體傳感器相連檢測氣體濃度信息。協調器建立網絡后，兩個節點間可按照Zigbee協議正常通信，終端節點采集信息顯示在LCD上并無線發送，協調器節點無線接收到信息并發送給PC，顯示在串口調試助手界面上。根據以上測試，Zigbee數據發送和接收如圖3和圖4所示。

五、結論

本文設計了教學案例基于Zigbee技術的氣體監測系統，該系統利用Zigbee技術，以低成本、低功耗的CC2530為核心，系統結構簡單、操作方便。該教學案例有助于學生更好地理解無線傳感器網絡與zigbee技術的應用。

參? 考? 文? 獻

[1] 高守瑋， 吳燦陽. Zigbee技術實踐教程[M]. 北京：北京航空航天大學出版社， 2011： 27-52

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[2] 張立， 劉奕君， 趙強. 基于CC2530的重癥監護病房環境實時監測系統設計[J]. 計算機測量與控制， 2014，22（8）： 2422-2424

ZHANG L， LIU Y J， ZHAO Q. The design of environmental monitoring system in the intensive care unit based on CC2530 [J]. Computer Measurement and Control， 2014， 22（8）： 2422-2424

[3] 蘇潤， 陳峰， 劉錦淮. 氣敏傳感器信號采集的研究[J]. 半導體技術， 2003，28（11）： 52-55

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