ＺｉｇＢｅｅ技術在氣體濃度監控系統中的應用

摘要：文章介紹了基于ZigBee無線傳感器網絡的氣體濃度監測系統的組成結構，適用于冶煉廠環境下對各種氣體的檢測。憑借基于ZigBee技術的無線傳感器網絡節點移動靈活、組網簡單、成本低、網絡易維護等特點，該監測系統有著很大的推廣應用價值。

關鍵詞：監控系統；無線傳感器網絡；ZigBee；CC2430

中圖分類號：TM93 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044(2008)05-1235-02

Application of ZigBee Technology in The Concentration of Gas Moitoring System

YUAN Wen-ding，LIN Chang-hua

(School of Imformation Control Engineering，Xi'an University of Architecture and Technology，Shanxi，Xi'an 710055，China)

Abstract: The paper introduced structure of mine monitoring system based on ZigBee wireless sensor network， which is adapted to gas monitor in environment of smeltery.The monitoring system has great application value in mine by right of characteristics of ZigBee wireless sensor network ，such as node movable ，rapid and simple in networking ， low cost ， easy maintenance.

Key words: monitoring system; wireless sensor network;ZigBee;CC2430

1 引言

無線傳感網絡是大量的具有無線通信能力、體積小、能源受限的傳感器節點組成的無線網絡。由于無線傳感網絡的特點，可以解決一些高危險環境下，人工方式現場采集困難，工作量大，實時性差，布線難度大、成本高等問題。

金川集團公司是中國最大的鎳及貴金屬生產基地，貴金屬車間從鎳電解陽極泥中分離出鉑、鈀、金、鋨、銥、銠、釕等貴金屬，并提純為純金屬的過程稱為貴金屬的分離提純。在提純過程中，需要分離大量的銅，分離銅的過程采用氯氣浸出工藝，在生產過程中，應用到大量的氯氣，二氧化硫、甲醛等危險氣體，這些氣體腐蝕性強，毒性大，一旦泄漏就會危及人身安全，為保證過程安全，在生產車間不同的空間布置了大量的氯氣、二氧化硫、甲醛等濃度監測傳感器。原采用的測量參數傳輸用有線傳輸方式，大量的傳輸導線分布在車間內，因生產過程很強的腐蝕性，經常損壞傳輸導線，造成測量故障，空間內布置傳感器由于吊裝受吊裝設備影響無法鋪設電纜，無法實現檢測，造成了測量盲區。因此無線傳感網絡對這類高危環境下的數據采集以及傳輸應用的環境監測系統具有顯著的優勢。

2 ZigBee 概述

ZigBee技術是一種應用于短距離范圍內、低傳輸數據速率下的各種電子設備之間的無線通信技術。“ZigBee”的名字源于蜂群使用的賴以生存的通信方式——zig-zag形狀的舞蹈，來通知同伴發現新食物的位置、距離、方向等信息。ZigBee是基于IEEE批準通過的802.15.4無線標準研制開發的，其頻段是免費開放的，分別是2.4GHz（全球）、915MHz（美國）、868MHz（歐洲），分別提供250kb/s、40kb/s、20kb/s的傳輸速率。為了避免干擾，各頻段采用直接序列擴頻技術。根據節點的不同，ZigBee設備可分為全功能設備（Full-Function Device，FFD）與半功能設備（Reduced-Function Device，RFD）。

從表1 中可以看出， ZigBee 技術與其他幾種無線技術相比較，其優勢在于協議簡單、成本低、功耗小、可靠性高、組網容易，這些特點滿足工業控制、工業無線定位、家庭網絡、樓宇自動化、消費產品等多個領域。

3 系統總體方案概述

系統構成框架如圖1所示，在車間內安裝若干無線傳感器終端節點，對被測對象進行實時數據采集，通過ZigBee無線技術發送至協調器。協調器對數據進行初步處理，并通過串行通信接口以及網關連接DCS工業控制網，并將實時數據送至服務器，由連接至服務器上的監控中心對數據進行監控預警處理，根據預警策略判斷是否進行安全警報及相關處理。當氣體濃度超標時，進行強制通風和調整氣體閥門控制氣體流量操作。

4 系統硬件設計

無線傳感器終端節點由數據采集單元、數據處理單元、數據傳輸單元、電池供電單元等功能模塊組成，節點原理框圖如圖2。數據采集單元主要通過傳感器對車間內氯氣、二氧化硫、甲醛、氧氣濃度進行采集；數據處理單元控制整個節點處理操作；數據傳輸單元完成與協調器節點的交互工作；電源供電單元負責對終端節點供電。

無線傳感器終端節點是以CC2430無線模塊為核心，配以相應的開發電路作為單節點終端。其中，使用的新一代射頻SOC芯片CC2430 具有8 位MCU8051內核，并具備128KB閃存和8KB RAM，包含模數轉換器(ADC) 、1個16位計時器和2個8位計時器、AES2128協同處理器、看門狗定時器、32 kHz晶振的休眠模式定時器、上電復位電路、掉電檢測電路，以及21個可編程I/O引腳。采用0118μs CMOS工藝生產，工作時的電流損耗為27 mA，采用7 ×7 mm48腳QLP封裝。

無線氣體傳感器對被測對象（氯氣、氧氣、二氧化硫、甲烷等氣體）進行數據采集，將氣體濃度的物理量轉化為電信號，通過數據處理單元電路將采集來的信號進行電平轉換、濾波、放大的信號調理，送至CC2430A/D輸入引腳進行模數轉換。CC2430對數據打包發送至協調器單元。由于CC2430有FLASH存儲模塊，對采集的數據有一定的存儲能力，所以可以減少RF射頻的工作次數進而降低功耗。終端節點大部分時間處于休眠狀態，此時功耗小于1uA，當節點沒有傳感任務且不需要發送數據時，關閉節點通信模塊、數據采集模塊以節省能量。協調器收到數據包后，根據終端子節點地址信息，原路返回發送確認信息，與終端節點實現握手通信，如果終端節點并未受到確認消息則繼續發送數據，直到收到確認消息。協調器有RS232接口，可以與其他設備相連，接入DCS工控網絡，傳值監測中心。終端子節點電源電路采用兩節5號堿性電池供電。協調器由于一直處于收發狀態，所以采用外部電源供電。

5 系統軟件設計

氣體濃度監控系統軟件設計主要使用模塊化程序設計，由傳感器終端節點和協調器節點組成。由于終端節點工作模式大部分時間在休眠狀態，因而可以降低功耗，使用電池壽命長。系統傳感器終端節點流程圖如圖3所示，協調器節點程序流程圖如圖4所示。

6 結束語

本文提出了在高危環境下，通過基于ZigBee無線技術的傳感器網絡，對有毒氣體的濃度監測系統的設計方案，解決了布線困難、節省了開支，提高系統的靈活性。ZigBee技術以其自身的特點，將會在今后時間里迅猛發展，應用越來越廣泛。

參考文獻：

[1] ZigBee Alliance， ZigBee Specification 2006 Document 053474r13[DB/OL]， http://www.zigbee.org.

[2] Texas Instruments ，CC2430_Data_Sheet_1_02[DB/OL]， http://focus.ti.com/lit/ds/symlink/cc2430.pdf ，2006.

[3] 李文仲 段朝玉.《ZigBee無線網絡技術入門與實戰》[M].北京：北京航空航天大學出版社，2007.

[4] 孫立民等.無線傳感器網絡[M]. 北京：清華大學出版社，2005.