ZigBee的無線氣體監(jiān)測系統(tǒng)

0 引言

傳統(tǒng)的氣體監(jiān)測系統(tǒng)是以電線和電纜作為基礎(chǔ)傳輸介質(zhì)組成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。目前常用的解決方案是在監(jiān)控現(xiàn)場，將傳感器布置在需要監(jiān)測的關(guān)鍵位置，將各個傳感器采集到的信號通過獨立電纜傳送到中央采集站，由中央采集站將所有連接的信號集中處理發(fā)送到上位機，進行實時數(shù)據(jù)采集。如果需要監(jiān)測的區(qū)域很大，需要很多傳感器，相應(yīng)的監(jiān)測點分散，這種傳統(tǒng)的有線方式就會存在線路布設(shè)復雜，接線繁瑣，安裝造價高，后期的電纜維護成木高等問題。由于有線氣體監(jiān)測系統(tǒng)木身的局限性，許多特殊環(huán)境下的網(wǎng)絡(luò)覆蓋和網(wǎng)絡(luò)支持仍然是個難題。比如在某些工業(yè)現(xiàn)場，一些工業(yè)環(huán)境禁止或限制使用電纜，而在其他一些工業(yè)環(huán)境要求完全把電纜屏蔽起來以高度防止來自大多數(shù)工業(yè)設(shè)施中的機器或其它無線電控制設(shè)備的干擾，更有一些高速旋轉(zhuǎn)的設(shè)備根木無法通過電纜來傳輸數(shù)據(jù)信息。這種傳統(tǒng)的串行集中式監(jiān)測系統(tǒng)很大程度上影響系統(tǒng)的處理速度和系統(tǒng)的可靠性和靈活性。

鑒于上述情況，氣體監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計趨向于無線監(jiān)測方式，用分布式的無線技術(shù)來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的集中式有線技術(shù)，實現(xiàn)傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)之間的直接通訊。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)和發(fā)展為這一問題提供了一個新的解決途徑。本文在比較了幾種通信協(xié)議后選擇了低成本、低功耗和低速率的ZigBee協(xié)議，設(shè)計了一種基于ZigBee的無線氣體監(jiān)測系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計

1.1 系統(tǒng)的組成與結(jié)構(gòu)

整個監(jiān)測系統(tǒng)由監(jiān)測主機和ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)組成，如圖1所示。這是。個層次型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，最底部為傳感器終端節(jié)點（即無線氣體檢測變送器），向上依次是路由器，協(xié)調(diào)器和監(jiān)控主機。監(jiān)控主機上運行有數(shù)據(jù)管理軟件，為用戶提供氣體監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)訪問界面，并能夠通過協(xié)調(diào)器訪問終端節(jié)點的測量數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)保存，為用戶提供數(shù)據(jù)查詢、分析或報表生成服務(wù)。ZigBee網(wǎng)絡(luò)負責數(shù)據(jù)的采集，它由協(xié)調(diào)器、路由器、終端節(jié)點和報警器組成。終端節(jié)點將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)傳給路由器；路由器將終端設(shè)備上傳的信息整合處理，再將數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器；協(xié)調(diào)器將采集的數(shù)據(jù)上傳給監(jiān)控主機或者將監(jiān)控主機的命令在網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送出去；報警器負責接收路由器發(fā)送的數(shù)據(jù)，如果數(shù)據(jù)超限則發(fā)送報警信號。整個網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)的傳輸具有就近原則，如果協(xié)調(diào)器距離比路由器近，終端節(jié)點會直接傳輸數(shù)據(jù)到協(xié)調(diào)器。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計

1.2 系統(tǒng)的特點

無線氣體監(jiān)測系統(tǒng)具有以下幾方面的特點：

（1）采用ZigBee技術(shù)作為無線通訊方式

目前常用的無線通信技術(shù)有Wi—Fi、超寬帶通信UWB、藍牙、紅外數(shù)據(jù)通信IrDA、ZigBee等，綜合比較了以上幾種無線通信方式，zigBee技術(shù)具有省電、通信可靠、成本低廉、網(wǎng)絡(luò)容量大、白組織能力強等優(yōu)點 ，因此ZigBee技術(shù)能夠很好的應(yīng)用于無線氣體監(jiān)控系統(tǒng)。

（2）低功耗

系統(tǒng)的終端節(jié)點—— 無線氣體檢測變送器數(shù)量多，由電池供電，往往放置存無人值守的地方，不便更換節(jié)點的電池，因此實現(xiàn)節(jié)點的低功耗，既是捉高節(jié)點性能的重要指標，也是延長整個系統(tǒng)生命周期的重要下段。該系統(tǒng)的無線氣體監(jiān)測變送器采用一次性2號鋰電池供電，存正常工作條件下的使用壽命不小于2 0000小時。

2 無線氣體檢測變送器的設(shè)計

2.1 無線氣體檢測變送器的硬件設(shè)計

無線氣體檢測變送器是整個系統(tǒng)的前端采集設(shè)各，也是系統(tǒng)最核心的組件 ，該變送器由中央處理單元、測量電路、A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)字顯示、RF無線通信等單元電路組成。敏感元件產(chǎn)生的信號繹線性放大后，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換，直接送往單片機進行數(shù)據(jù)處理，來完成變送器的顯示、通信等功能。其原理框圖如圖2所示。

圖2 無線氣體榆測變送器的原理框圖

中央處理器采用MICROCHI P公司的帶有LCD驅(qū)動器、采用納瓦技術(shù)的64引腳8位CMOS閃存單片機PIC16F946，此單片機可以通過軟件選擇時鐘來擰制功耗管理模式，即存運行時開啟C PU和外設(shè)，空閑時開啟外設(shè)但關(guān)閉CPU，休眠時則關(guān)閉CPU和外設(shè)；A/D轉(zhuǎn)換單元采用的是TI公司的12位AD，采樣速度在200kSPS的ADS7866，在此A/D轉(zhuǎn)換單了亡中ADS7866的～作電壓存1.3 V，達到了節(jié)省功耗的目的。

運算放大器采用LTc1495，工作電流僅為1.5 uA，±2.5V穩(wěn)壓芯片也采用低功耗芯片，在滿足性能需要的基礎(chǔ)上，最大限度的降低功耗。其前置放大電路如圖3所示。

圖3 無線氣體檢測變送器時置放火電路圖

無線通信模塊采用Atmel公司推出的世界上首款l曲向中國無線市場、工作在780MHz頻段并符合IEEE802.15.4標準的無線收發(fā)芯片AT86RF212，我圍無線個域網(wǎng)標準經(jīng)無線電委員會批準，開放了78 0MH z頻段，在此頻段下，空間損耗較2.4Ghz頻段小，能夠獲得更好的傳輸性能。

2.2 無線氣體檢測變送器軟件設(shè)計

變送器軟件設(shè)計的各個模塊組成如圖4所示。

主程序處理模塊用來調(diào)用其它模塊完成需要實現(xiàn)的功能；采樣處理及補償模塊負責采集并處理模數(shù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)并做相應(yīng)的線性補償；按鍵查詢處理模塊負責按鍵動作管理；顯爾模塊用來實現(xiàn)液晶顯示；參數(shù)管理模塊負責參數(shù)的保存和處理；白檢模塊負責完成初始化；無線通信模塊負責檢測數(shù)據(jù)的發(fā)送。

圖4 無線氣體檢測變送器軟件設(shè)計模塊

無線氣體檢測變送器的主要功能是通過氣體傳感器對被測對象進行數(shù)據(jù)采集，通過無線發(fā)送模塊發(fā)送至路由器（或協(xié)調(diào)器）。在正常工作狀念下，每1 5秒發(fā)送一次數(shù)據(jù)，報警狀態(tài)下每8秒鐘發(fā)送 次數(shù)據(jù)，其程序流程圖如圖5所示。

圖5 無線氣體柃測變送器程序流程圖

3 無線協(xié)調(diào)器的設(shè)計

3.1 無線協(xié)調(diào)器的硬件設(shè)計

無線協(xié)調(diào)器主要負責建立WSN嘲絡(luò)，通過無線通信模塊接收所有無線怖測節(jié)點發(fā)送的測量數(shù)據(jù)，并將所述測量數(shù)據(jù)傳送到PC機。其結(jié)構(gòu)相對簡單，主要由電源模塊、EMI處理模塊、微摔制器模塊、串口通信模塊和兀線通信組成，其組成框圖如圖6所示。

圖6 無線協(xié)調(diào)器的組成框圖

3.2 無線協(xié)調(diào)器的軟件設(shè)計

無線協(xié)調(diào)器是無線氣體監(jiān)摔網(wǎng)絡(luò)的發(fā)起建立者，協(xié)調(diào)器上電后，初始化完成，建立網(wǎng)絡(luò)，當收到其它節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)的請求時，給節(jié)點分配網(wǎng)絡(luò)地址，接收路由器或距離近的終端節(jié)點傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給上位機。其程序流稃圖如圖7所示。

圖7 無線協(xié)凋器程序流程圖

4 結(jié)束語

基于ZigBee的無線氣體監(jiān)測系統(tǒng)具有低成本、低功耗、動態(tài)路由、自動組網(wǎng)、協(xié)議免費、應(yīng)用簡單等優(yōu)點，解決了電纜連接時現(xiàn)場設(shè)備移動受限和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)靈活變化的問題，使數(shù)據(jù)的傳輸史加靈活和便于實現(xiàn)，岡此非常適用于存工業(yè)現(xiàn)場中使用，將會獲得越來越廣闊的發(fā)展和應(yīng)用空間。