基于ZigBee 的空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的研究設(shè)計

王霞，宋越

(1.泰州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 泰州 225300;2.泰州市人民檢察院，江蘇 泰州 225300)

0 引言

近年來，在石油化工領(lǐng)域中，由于各種原因?qū)е碌亩練庑孤瑲怏w爆炸等造成人員傷亡的事件時有發(fā)生，給人民的安全，給國家的經(jīng)濟(jì)造成了很大的損失。因此，為了避免發(fā)生重大事故和保障人民的生命財產(chǎn)安全，就必須具有現(xiàn)代化的管理體系和監(jiān)控設(shè)施。

本文提出了一種基于ZigBee 無線技術(shù)的工業(yè)現(xiàn)場空氣質(zhì)量監(jiān)測方案。利用終端傳感器采集到的空氣質(zhì)量參數(shù)，通過ZigBee 無線傳感網(wǎng)絡(luò)實時地將數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)控室，集中監(jiān)測各個工業(yè)現(xiàn)場的空氣質(zhì)量狀況。一旦發(fā)現(xiàn)問題，及時報警提醒工作人員采取有效地措施，有效避免重大事故的發(fā)生。

1 系統(tǒng)的方案設(shè)計

1.1 系統(tǒng)的功能概述

空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)作為工業(yè)管理體系中的“實施和監(jiān)測”環(huán)節(jié)，實時監(jiān)測空氣質(zhì)量的狀況，并實時傳送到工廠的管理網(wǎng)絡(luò)中，以提供實時、準(zhǔn)確的現(xiàn)場數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)將工業(yè)現(xiàn)場檢測到的空氣質(zhì)量狀況發(fā)送給管理網(wǎng)絡(luò)后，監(jiān)控室內(nèi)的PC 機(jī)實時監(jiān)測現(xiàn)場變化狀況，一旦發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場空氣狀況異常，立刻報警通知現(xiàn)場工作人員采取有效的措施，從而保障人們的生命財產(chǎn)安全。系統(tǒng)能夠檢測多個空氣質(zhì)量參數(shù)，主要包括:溫度、濕度、CO 含量、CO2含量以及空氣質(zhì)量。系統(tǒng)還預(yù)留了多個擴(kuò)展接口，可以根據(jù)實際需求，添加氣體傳感器模塊。整個系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)如表1 所示。

表1 系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)

1.2 系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)由檢測終端、無線路由器、無線網(wǎng)關(guān)以及基于PC 機(jī)的監(jiān)測軟件組成。系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

由于在企業(yè)控制室或辦公室安裝空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)時，鋪設(shè)與各檢測終端間的通信電纜是十分不便的，因此本空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)在各檢測終端與PC 機(jī)間采用無線通信，這不僅便于初始安裝，也便于隨時更換檢測終端在室內(nèi)的位置。

系統(tǒng)的無線通信部分采用了ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)［2］。ZigBee 標(biāo)準(zhǔn)是基于802.15.4 協(xié)議棧而建立的，具備了強(qiáng)大的設(shè)備聯(lián)網(wǎng)功能，它可支持3 種主要的無線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即星型結(jié)構(gòu)、簇狀結(jié)構(gòu)(Cluster tree)和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(Mesh)。其中的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)具有自組織能力以及很強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)健壯性和系統(tǒng)可靠性。本系統(tǒng)正是采用了網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)實現(xiàn)設(shè)備間相互通信的。

系統(tǒng)的工作原理:

1)無線網(wǎng)關(guān)組建網(wǎng)絡(luò)，形成本網(wǎng)路特定的網(wǎng)絡(luò)ID，無線路由器和檢測終端自動搜索網(wǎng)絡(luò)，找到與自身匹配的網(wǎng)絡(luò)ID 后加入網(wǎng)絡(luò);

2)檢測終端實時檢測工業(yè)現(xiàn)場的溫度、濕度、CO 含量、CO2含量以及空氣質(zhì)量，并將檢測到的結(jié)果通過無線方式直接發(fā)送給網(wǎng)關(guān)，或通過無線路由器轉(zhuǎn)發(fā)給無線網(wǎng)關(guān);

3)無線網(wǎng)關(guān)收到終端發(fā)來的數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)通過USB 口上傳給PC 機(jī);

4)PC 機(jī)進(jìn)一步處理發(fā)來的數(shù)據(jù)，實時監(jiān)測各個現(xiàn)場的空氣質(zhì)量狀況。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

系統(tǒng)的硬件由檢測終端、無線路由器以及無線網(wǎng)關(guān)這三部分構(gòu)成。

2.1 檢測終端的設(shè)計

檢測終端主要功能是檢測空氣中多種氣體參量，主要包括:溫度、濕度、CO 濃度值、CO2 濃度值以及空氣質(zhì)量等級指標(biāo)，并將檢測到的數(shù)據(jù)實時地通過ZigBee 無線方式發(fā)送給網(wǎng)關(guān)。

檢測終端主要由傳感器、信號變換電路、A/D 轉(zhuǎn)換電路、微處理器、無線射頻模塊以及電源模塊組成。溫度、濕度、CO、CO2以及空氣質(zhì)量傳感器將檢測到的結(jié)果經(jīng)信號變換、A/D 轉(zhuǎn)換后，由微控制器讀入并做工程量轉(zhuǎn)換，再通過Zigbee 無線模塊發(fā)送給網(wǎng)關(guān)。其中CO2傳感器采用紅外檢測法［3］，紅外檢測法具有測量精度高、可靠性強(qiáng)、壽命長等特點，利用這一方法可準(zhǔn)確測量空氣中CO2的含量;CO 傳感器采用的是電化學(xué)檢測法，它是通過傳感器的氧化還原反應(yīng)，將CO 氣體轉(zhuǎn)化為與之成正比的電流信號，電化學(xué)傳感器是目前工業(yè)上用于測量有毒氣體的主流方法，使用這種方法測量精度高、反應(yīng)靈敏高。除此之外，為了能更快速地和周圍空氣保持流通，檢測終端內(nèi)部還裝有微型軸流風(fēng)扇，起到散熱的作用。檢測終端的結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 檢測終端結(jié)構(gòu)圖

2.2 無線路由器的設(shè)計

由于建筑物結(jié)構(gòu)空間、距離不同，房間之間墻體結(jié)構(gòu)不同，在檢測終端與網(wǎng)關(guān)之間，可能存在無線信號無法一次接收得到的情況，這時就需要增設(shè)無線通信路由器設(shè)備。根據(jù)室內(nèi)分布和墻體的具體情況，需要安裝一個或多個帶有Zigbee 模塊的路由器節(jié)點。檢測終端中的數(shù)據(jù)，通過無線通道將數(shù)據(jù)發(fā)到所屬的路由器節(jié)點，路由器節(jié)點通過路由把數(shù)據(jù)傳送到網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)再把數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C。這種方式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單，形成網(wǎng)狀和簇樹交錯的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，易于實現(xiàn)。

無線路由器由微處理器、無線射頻模塊以及穩(wěn)壓電源模塊組成。其中電源模塊采用交流電源供電，從而保證路由器能長時間、高效率的工作。無線路由器的硬件結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 無線路由器結(jié)構(gòu)圖

2.3 無線網(wǎng)關(guān)的設(shè)計

系統(tǒng)的無線網(wǎng)關(guān)實際上擔(dān)當(dāng)著ZigBee 網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器的角色，ZigBee 網(wǎng)絡(luò)中包含3 種設(shè)備類型:即ZigBee 協(xié)調(diào)器、路由器以及終端設(shè)備。協(xié)調(diào)器是整個ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的中心，它負(fù)責(zé)建立、維持和管理網(wǎng)絡(luò)、分配網(wǎng)絡(luò)地址等功能。本系統(tǒng)中網(wǎng)關(guān)在組建完網(wǎng)絡(luò)后，等待終端發(fā)來數(shù)據(jù)，然后將收到的數(shù)據(jù)通過USB 接口上傳給PC 機(jī)。

無線網(wǎng)關(guān)主要由微處理器、無線射頻模塊、USB 通信模塊［4］以及電源轉(zhuǎn)換模塊組成。其中微處理器與USB 模塊間采用串口(UART)通信;網(wǎng)關(guān)采用USB 供電，電源轉(zhuǎn)換模塊是將USB 電壓轉(zhuǎn)換為微處理器的工作電源。無線網(wǎng)關(guān)的硬件結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 無線網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)圖

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件由下位機(jī)和上位機(jī)這兩部分軟件組成。其中下位機(jī)軟件主要完成數(shù)據(jù)的采集和傳輸，上位機(jī)軟件則完成數(shù)據(jù)的接收和處理。

3.1 下位機(jī)軟件的設(shè)計

下位機(jī)軟件主要包括:各硬件設(shè)備的初始化工作、檢測終端的數(shù)據(jù)采集以及數(shù)據(jù)的傳輸。系統(tǒng)采用的是Zig-Bee 無線通信技術(shù)，而本系統(tǒng)下位機(jī)軟件是基于TI 的ZStack 協(xié)議棧基礎(chǔ)上開發(fā)的［5］。

1)各硬件設(shè)備的初始化工作。在設(shè)備通電后，需要完成硬件平臺和軟件架構(gòu)所需要的各個模塊的初始化，為操作系統(tǒng)的運行做好準(zhǔn)備。初始化工作主要包括:初始化芯片的各個硬件模塊、初始化系統(tǒng)時鐘、初始化堆棧、初始化Flash 存儲器、形成終端的MAC 地址、初始化一些非易失變量、初始化MAC 層、初始化應(yīng)用框架層以及初始化操作系統(tǒng)。

2)檢測終端的數(shù)據(jù)采集。檢測終端內(nèi)置多個傳感器，主要測量溫濕度值、CO 和CO2濃度值以及空氣質(zhì)量等級指標(biāo)。微處理器讀入各個傳感器采集到的數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行相應(yīng)的計算和軟件濾波處理。其中軟件濾波是很重要的一個步驟，用于去除一些受干擾的數(shù)據(jù)，提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。數(shù)據(jù)采集的流程如圖5 所示。

圖5 檢測終端數(shù)據(jù)采集流程圖

檢測終端數(shù)據(jù)采集程序通過調(diào)用Temperature()、Humidity()、AIR_sensor()、CO2_sensor()以及CO_sensor()這五個函數(shù)，用于采集空氣中的溫度、濕度、空氣質(zhì)量、CO2以及CO 參量。由于系統(tǒng)是實時監(jiān)測工業(yè)現(xiàn)場的空氣質(zhì)量變化狀況，因此，這五個函數(shù)是定時被調(diào)用的，定時時間可根據(jù)實際需求設(shè)定。

3)數(shù)據(jù)的傳輸。檢測終端采集這5 個參數(shù)后，將它們按照一定的格式排列，并在數(shù)據(jù)串前頭加入終端設(shè)備的MAC 地址，然后進(jìn)行打包保存。其中，MAC 地址是在PC機(jī)收到數(shù)據(jù)包時，用于區(qū)分哪個終端發(fā)來的數(shù)據(jù)，這樣，一個網(wǎng)絡(luò)里面就可以同時存下若干個終端設(shè)備了。

終端在將打包好的數(shù)據(jù)發(fā)送前，先要檢測區(qū)域內(nèi)是否有可用的ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)發(fā)現(xiàn)周圍有允許的網(wǎng)絡(luò)后，加入網(wǎng)絡(luò)，然后將數(shù)據(jù)無線發(fā)送出去，網(wǎng)絡(luò)將根據(jù)最佳路徑最終將數(shù)據(jù)發(fā)送給無線網(wǎng)關(guān)。網(wǎng)關(guān)將收到的數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送給USB 模塊，USB 模塊再將數(shù)據(jù)通過USB 線上傳給PC 機(jī)。這里，USB 模塊與PC 機(jī)正常通信前，應(yīng)根據(jù)USB 芯片的型號，在PC 機(jī)上安裝對應(yīng)型號的虛擬串口驅(qū)動程序。

3.2 上位機(jī)軟件的設(shè)計

上位機(jī)軟件是系統(tǒng)人機(jī)交互的主要方式，用戶可以從中讀取信息或者輸入命令來控制系統(tǒng)的工作狀態(tài)。PC 機(jī)通過USB 接口將工業(yè)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)讀入后，上位機(jī)軟件對其進(jìn)行一定地處理，然后將結(jié)果以圖形和文字的方式直觀的展現(xiàn)給用戶，用戶只需在監(jiān)控室內(nèi)，就能夠觀察各個現(xiàn)場的空氣質(zhì)量狀況。

本系統(tǒng)借助VB 語言設(shè)計圖形界面的特點，設(shè)計空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)軟件。監(jiān)測軟件的程序流程如圖6所示。

圖6 中，初始化圖形界面主要包括:初始化各個氣體參數(shù)柱形圖和曲線圖、初始化串行通信端口以及初始化工作狀態(tài)等信息。串行通信端口的設(shè)定需要查看PC 機(jī)在安裝虛擬串口驅(qū)動程序時分配的串口號。程序通過調(diào)用VB 中的串口控件(MSComm)，將數(shù)據(jù)包讀入程序內(nèi)，然后對數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析，提取數(shù)據(jù)包內(nèi)的終端MAC地址、溫度、濕度、CO2含量、CO 含量以及空氣質(zhì)量信息。程序?qū)⑻崛〉腗AC 地址轉(zhuǎn)換為終端設(shè)備號，并且根據(jù)提取的五個空氣質(zhì)量參數(shù)調(diào)用柱形圖和曲線圖顯示函數(shù)，在對應(yīng)終端設(shè)備號的監(jiān)測畫面中實時更新空氣質(zhì)量信息。

圖6 監(jiān)測軟件程序流程圖

4 結(jié)語

本文設(shè)計的空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)，能夠?qū)崟r、準(zhǔn)確地監(jiān)測工業(yè)現(xiàn)場的空氣質(zhì)量狀況。一旦發(fā)現(xiàn)問題，快速報警提示工作人員采取有效措施，達(dá)到早發(fā)現(xiàn)早治理的目的，從而保障人員的生命財產(chǎn)安全。

整個系統(tǒng)具有如下特點:

1)多種氣體同時測量。由于終端內(nèi)置多個傳感器，可變單一成分的檢測為多種主要成分的檢測。并且終端預(yù)留了擴(kuò)展接口，可根據(jù)實際需要，增加多個氣體傳感器。

2)測量精度高、速度快。空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)中的CO2采用紅外檢測法，CO 采用電化學(xué)檢測法，使用這兩種方法可以定量測出空氣中CO2和CO 的濃度值。測量精度高，反應(yīng)靈敏。

3)監(jiān)控范圍廣。系統(tǒng)無線通信部分采用了ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。ZigBee 技術(shù)的特點之一就是網(wǎng)絡(luò)容量大，最多能容納多達(dá)65 000 多個節(jié)點。因此，一個無線網(wǎng)絡(luò)可以容納若干個檢測終端，能適應(yīng)大規(guī)模的監(jiān)控。

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