基于ZigBee技術的可燃氣體監測報警系統的設計

黃青龍，游勝玉，何月順

（東華理工大學 軟件學院，江西 南昌 330046）

0 引 言

可燃性氣體作為燃料，除用于居民生活外，更廣泛應用在發電、制造業、公共建筑、公共交通等領域[1]。但可燃性氣體具有易燃易爆特性，如果在使用過程中操作不當或設備密封不好，都可能發生可燃氣體泄漏現象，嚴重時引起火災或發生爆炸事故，給國家和人民的生命財產造成重大損失[2]。可燃氣體泄漏造成的危害已引起人們的廣泛關注，因此對可燃氣體進行監控尤為重要。為減少可燃氣體泄漏帶來的損失，文中基于ZigBee技術和CC2530微控制器設計了一種可以實時監控可燃氣體泄漏并實現泄漏報警、顯示泄漏方位的系統，系統具有成本低、功耗低、復雜度低、可靠性高等優點。

1 技術簡介

1.1 ZigBee技術

ZigBee技術是根據IEEE 802.15.4協議（無線個人區域網）開發的一種短距離、低功耗無線通信技術[3]。TI公司的CC2530芯片為ZigBee提供硬件支持。ZigBee技術具有網容量大、自組網、安全性高等特點，適合應用在距離短、能耗低、成本低的無線通信系統中。

1.2 傳感器技術

傳感器是一種把被測量（主要是非電量）轉化為與特定量有確定關系、便于應用的某種物理量（主要是電量）的測量裝置[4]。本文選用MQ-9B可燃性氣體傳感器，該型可燃氣體傳感器對甲烷、一氧化碳、丙烷、液化氣有較高的靈敏度[5]。器件工作原理簡單，工作環境和條件易于提供，可在不同條件下對多種可燃性氣體進行監測。MQ-9B傳感器具有靈敏度高、壽命長、成本低、驅動電路簡單等特點。MQ-9B傳感器標準工作條件見表1所列，環境條件見表2所列，靈敏度特性見表3所列。

表1 標準工作條件

表2 環境條件

表3 靈敏度特性

2 系統總體結構設計

本文設計的是一種基于ZigBee技術并結合第四代移動通信技術和傳感器檢測技術的可燃性氣體監測報警系統，可以實時、自動、智能監測可能的泄漏點，減少和預防不同情景下可燃氣體泄漏而引發的安全事故。系統初始化后，網關與控制節點將自動搭建WSN網絡，建立與控制中心的連接，匯聚節點收集的數據通過ZigBee發送給網關與控制節點，由4G通信模塊發送給監控中心，待監控中心處理分析數據后實時顯示結果，并且結果可查詢，若監測結果異常，控制中心將發出警報。系統結構如圖1所示。

圖1 系統結構

3 系統模塊設計

3.1 傳感節點模塊設計

傳感節點模塊由CC2530微控制器和傳感器模塊構成，是系統的數據來源，傳感節點數據的準確性直接影響上位機對監測情況的判斷。傳感節點通電后，節點各模塊進行初始化操作。初始化完成后，節點向網關與控制節點發送入網請求，組建WSN網絡。節點入網成功后，節點接收命令，開始采集數據并將數據發送給匯聚節點。該系統采用精度較高的MQ-9B傳感器構建傳感模塊。傳感模塊具有雙路信號輸出、LED信號輸出指示燈、模擬量輸出為0～5 V電壓、濃度越高輸出電壓越高等特點。

傳感模塊將采集的信號進行簡單的降噪、放大處理后，通過串口將處理好的模擬信號傳送給CC2530微控制器，微控制器中ADC轉換器對信號進行A/D轉換后，將轉換好的數字信號傳送給ZigBee無線通信模塊，再由其發送給匯聚節點，匯聚節點接收數據后將數據傳送給網關與控制節點。傳感節點整體結構如圖2所示。

圖2 傳感節點整體結構

3.2 網關與控制節點設計

網關與控制節點由CC2530、4G通信模塊等組成。網關與控制節點是網絡的核心，它不僅負責組建、協調、管理WSN網絡，還需要將匯聚節點發送的數據轉發給上位機處理，是系統數據傳輸的樞紐。選用CC2530芯片作為網關與控制節點的微控制器。CC2530是基于2.4 GHz IEEE802.15.4、ZigBee和RF4CE應用的片上系統（SoC）解決方案[6]，它能以低成本建立強大、可靠的網絡節點，同時擁有4種不同的運行模式，其中3種低功耗模式PM1/PM2/PM3使得它極其適合應用在低功耗系統中。運行模式的快速轉換可再次降低電能的消耗。采用華為ME909s-821 4G模塊作為本系統網關與控制節點的通信模塊，實現網關與控制節點和控制中心間的通信。

網關與控制節點工作流程：系統通電后網關與控制節點完成初始化，CC2530處理傳感節點發來的入網請求，判斷傳感節點是否具有入網資格，拒絕或允許節點加入網絡。為允許加入網絡的傳感節點分配網絡地址，接著網關和控制節點開始接收匯聚節點發送的數據，將數據簡單處理后通過4G無線通信模塊發送給控制中心進行分析處理，數據發送完成后4G通信模塊進入睡眠狀態以降低能耗。網關與控制節點工作流程如圖3所示。

圖3 網關與控制節點工作流程

4 監控中心設計

監控中心由PC機和服務器組成，使用Java語言編寫控制中心軟件程序以及系統人機交互界面。監控中心可以管理和控制監控系統，實現對數據的存儲、處理、分析、查詢、顯示，且有權限查看每個傳感節點的網絡地址，可對傳感節點輸入對應的位置信息。監控中心可以管控監控系統，一旦氣體泄漏，控制中心將觸發報警器（聲光報警），顯示氣體泄漏方位以便搶修人員迅速確定氣體泄漏地點，并通過4G無線通信網絡把報警信息發送至移動終端（如管理人員的手機等），及時報警。

5 結 語

本文闡述了基于ZigBee技術的可燃氣體報警系統的總體設計思路和各單元的功能實現過程及其原理。設計的系統可實現對甲烷、丙烷、一氧化碳、液化氣等可燃氣體的實時監控與報警，預防因可燃氣體泄漏而引發重大安全事故。系統還有進一步發展的潛力，可以通過更改傳感器種類和上位機算法更好地實現對有害氣體的預警監控。