基于無線網絡傳感器技術的危險源實時監測系統

劉 麗，沈昱明

（上海理工大學 光學與電子信息工程學院，上海 200093）

0 引言

危險源是指具有易燃、易爆、劇毒、腐蝕、放射性等特性的儲存物品。如果管理不當，極易發生氣體泄漏，液體溢出等事故，并帶來嚴重的后果。為此，對于危險源的監測就顯得格外重要。

無線網絡傳感器是一種集傳感器、控制器、計算能力、通信能力于一身的嵌入式設備[1]。本文基于無線網絡傳感器的工作原理及危險源的特性，設計了一種集溫度傳感器、振動傳感器、MCU、ZigBee無線通信模塊于一體的集成式無線網絡傳感器。利用溫度傳感器和振動檢測裝置對危險源的狀態進行實時監測，并將檢測到的振動信號和溫度數據通過Zigbee無線網絡發送到遠程監控中心，從而實現對存儲中的危險源的實時監測和報警。

1 集成無線網絡傳感器及其系統設計

傳感器中，采用DS18B20作為溫度傳感器。DS18B20 是數字溫度傳感器，支持“一線總線”接口，可以直接由單片機的P0.4口讀入信號。DS18B20的測量溫度范圍為 -55℃～+125℃，在-10℃～+85℃范圍內,精度為±0.5℃，可以滿足一般危險源表面溫度的測量；采用渦流式振動傳感器，檢測危險源的碰撞、挪動等振動信號。振動傳感器的輸出信號為NPN三極管集電極電平輸出。經過隔離、放大后，接入單片機的P0.5口；采用ZigBee無線模塊用于傳感器組網和遠程數據傳輸。無線網絡傳感器電路設計原理圖如圖1所示。

圖1 傳感器的組成原理示意圖

將所有站點的ZigBee模塊（組態為RFD，即終端）與遠程監控系統的ZigBee模塊(組態為FFD，即協調器)組成星型網絡結構。FFD為主機，RFD均為從機。系統的網絡結構原理示意圖如圖2所示。

圖2 系統的網絡結構示意圖

2 通信設計

本設計中，無線網絡傳感器的數據幀格式采用MODBUS RTU格式。將溫度、振動數據存放在00E0H～00E3H寄存器中。系統可以同時檢測256個危險源站點的信息，因此，從機地址碼范圍為00H～FFH。在MODBUS RTU格式中，主機查詢從機寄存器信息的功能碼為03H。例如，主機查詢#5危險源從機的信息幀格式如表1所示。

表1 主機查詢#5危險源從機的信息幀格式

例如當前#5號從機的危險源溫度為29℃，振動信號為FFH（00H：表示無振動，為正常情況；FFH：表示有振動，為異常情況），則#5從機的相應幀格式如表2所示。

表2 #5從機的相應幀格式

3 程序設計

本設計的集成無線網絡傳感器的MCU程序包括三部分：DS18B20的溫度采集與處理子程序；振動信號的采集程序，以及通信程序。

3.1 溫度采集與處理子程序

主要實現的功能是：根據DS18B20的讀“1”，讀“0”，寫“1”和寫“0”時序來完成對溫度值的讀取；將采集到的溫度值（高八位和低八位）經過數據處理后存放在寄存器中。溫度采集與處理程序框圖如3所示。

3.2 振動傳感器信號采集與處理子程序

采用掃描方式，檢測P0.5電平變化，當檢測到高電平時，表示由振動信號，置寄存器00E3H=FFH。振動信號采集與處理子程序框圖如圖4所示。

圖3 溫度采集與處理程序框圖

3.3 通信程序設計

通信程序就是編寫符合ModbusRTU協議棧的通信程序。協議棧部分代碼如下：

程序中的串口接收程序可以采用中斷方式，對于查詢碼的判斷可以完全按照主機查詢危險源從機的信息幀格式，也可以做適當的調整。本程序中只查詢了從機地址碼和功能碼。

圖4 振動信號采集與處理程序框圖

4 無線網絡傳感器的組網設計

Xbee-Pro無線模塊自帶ZIGBEE協議棧的程序，只需要通過程序來改變模塊的參數即可實現組網通信。在本網絡設計中，采用四個Xbee-Pro收發模塊，分別是一個協調器，一個路由器，還有兩個接收模塊，即終端。通過X-CTU軟件可以分別對四個XBEE模塊的參數進行如表3所示。

所有模塊的初始目標地址配置如下：

DH (Destination address high):0000H

DL (Destination address high):0000H。

表3 各網絡節點參數設置

ID為PAN ID局域網標識符，同一網絡下的ID必須相同，協調器的ID必須設定，其他三個模塊的ID可以設置為0允許加入任何網絡。NI為節點標識符，可以用來配置遠程地址；JN為允許加入網絡使能端；SP為睡眠周期，協調器和路由器必須設置為0，持續工作，接收模塊可以睡眠;SN為循環周期數，用于計算終端向父節點反饋的時間，大于這個時間終端將會離開父節點尋找新的父節點，計算公式：

5 結束語

無線網絡傳感器是當前發展起來的一項新技術。本文基于ZigBee無線網絡技術，設計了一種集溫度傳感器、振動傳感器、MCU、ZigBee于一體的集成無線網絡傳感器，并組成系統，應用于化工領域的危險源遠程監控。實踐表明，系統在降低電纜鋪設成本和便于維護等方面具有明顯的優越性。

[1] 電子產品世界.無線網絡傳感器[EB/OL]:電子產品世界網,2009.

[2] 秦玉,等.危險品集裝箱狀態實時監測系統設計.機械設計與研究,2008,12:98-101.

[4] 海納電子資訊公司.ds18b20中文資料[EB/OL]:www.fpgaarm.com,2009.

[5] 李佳璐,陳俊杰,魏猷剛.基于1_Wire技術的無線傳感器節點數據采集單元接口設計[J].測控技術,2008,27(9):3-6.

[6] ZigBee.標準組織協會.zigbee specification v1.0[EB/OL]:http://www.eetchina.com.