基于ZigBee的毒性氣體監測系統的設計

朱志偉 劉湘云

（長沙民政職業技術學院電子信息工程學院，湖南長沙 410004）

基于ZigBee的毒性氣體監測系統的設計

朱志偉 劉湘云

（長沙民政職業技術學院電子信息工程學院，湖南長沙 410004）

針對毒性氣體自動監測的要求，提出了一種基于Zigbee無線傳感器網絡技術的監測系統。采用CO-AX傳感器采集一氧化碳濃度，經過信號調理電路，利用ZigBee控制芯片CC2530對數據進行A/D轉換和無線收發。文中給出了協調器、路由器及終端節點的硬件原理圖及相應程序流程圖，并對終端節點的能耗進行分析。系統適于安裝到有線網絡延伸不到的區域，能夠實時、準確地監測毒性氣體的濃度信息。

ZigBee；電化學傳感器；CC2530；毒性氣體監測；功耗分析

引言

隨著人類文明的高度發展，對工農業各種廢氣及室內裝修散發的毒性氣體的排放進行嚴格控制成為當今社會的共同呼聲。當前市面上的眾多空氣凈化裝置不能判斷環境中是否存在毒性氣體，只能盲目長時間開啟凈化裝置，因此，開發具有無線化、網絡化、自動化等特點并能對毒性氣體進行定量定性分析的毒性氣體監測系統或設備已成為當務之急。

目前人們對氣體的檢測手段主要方法有以下幾種：熱導分析、磁式氧分析、電子捕獲分析、紫外吸收分析、光纖傳感器、半導體氣敏傳感器、化學發光式氣體傳感器、化學分析、電化學傳感器。在眾多的檢測設備中，如化學發光式氣體分析儀等，雖然具有檢測靈敏度高、準確性強等優點，但由于體積龐大，不能用于現場實時監測，而且價格昂貴，超出一般檢測用戶的承受能力，所以其應用受到很大限制。其它一些檢測設備，如半導體氣敏傳感器，靈敏度雖然比較高，但穩定性較差，工作溫度大多數在300℃以上，需要加熱裝置，一般只能用作報警器。相對而言，電化學傳感器既能滿足一般檢測中對靈敏度和準確性的需要，又具有體積小、操作簡單、攜帶方便、可用于現場監測且價格低廉等優點。

ZigBee無線傳感器網絡廣泛應用于軍事偵察、環境監測、目標定位等領域，能夠實時地感知、采集和處理網絡覆蓋范圍內的對象信息。本文采用了TI公司的CC2530無線射頻ZigBee控制器，很好地解決了功耗和成本問題，而且也有效地擴展了數據的傳輸范圍。

一、系統總體結構與功能

ZigBee毒性氣體監測系統總體結構如圖1所示。系統由信號采集終端節點、用于延長通信距離的路由器以及協調器組成。終端節點檢測的氣體濃度，經過路由器中繼的無線接力，將所有數據傳輸到遠距離外的帶有協調器節點的監控中心。基于PC機的監控中心不僅有友好的人機界面，而且具有系統歷史記錄查詢和聲光報警等功能。

圖1 系統總體結構示意圖

二、系統硬件設計

1、傳感器與毒性氣體采集終端節點

由于一氧化碳的IDLH（Immediately Dangerous to Life or Health concentration，立即威脅生命和健康的濃度）遠高于大多數其它有毒氣體，所以本文采用的電化學傳感器是Al-phasense公司的CO-AX一氧化碳(CO)傳感器。CO-AX的靈敏度在55 nA/ppm至90 nA/ppm之間，典型值為65nA/ppm；其檢測響應時間一般小于30秒；最大準確檢測上限可達2000 ppm。

圖2為毒性氣體采集終端節點電路Q1為P溝道結型場效管，在CC2530的控制下，當柵極電壓為高時，場效管導通，CO-AX參比電極RE和工作電極WE處于短路狀態，這樣延長了傳感器的使用壽命，并且縮短了氣體檢測開啟的響應時間。當柵極電壓為低時，場效管關斷，CO-AX傳感器在恒電位狀態下工作。與氣體濃度成正比的電流信號從WE流出，經跨阻放大器U2A送至CC2530。

圖2 毒性氣體采集終端節點電路

為使系統實現單電源供電，微功耗基準電壓源ADR121輸出2.5 V。雙通道微功耗運算放大器AD8502在跨阻放大（U2A）和恒電位設置（U2B）下使用。跨阻放大器U2A的輸出電壓為：

由于CO-AX傳感器的最大響應為90 nA/ppm，其最大輸入范圍為2000 ppm。因此，輸出電流i的最大值為90nA2000=180μA，輸出電壓。調整R5的值，可以使不同類型的電化學氣體傳感器適應于本電路。節點采用+3.3V單電源供電，根據公式（1）可知，差動放大器輸出范圍為3.3V-2.5V=0.8V。如果將R5設置為4kΩ，即使在傳感器最大靈敏度情況下，也能提供大約10%的超量程能力；在傳感器最低靈敏度情況下，人體長時間接觸允許的濃度50ppm時，還能提供55nA 504 kΩ=11mV的最少輸出信號。將VOUT接至P0.0腳，將2.5V基準電壓接至P0.1腳，配置CC2530的寄存器ADCCON3實現ADC為差分輸入，從而消除公式1中的2.5V項。電阻R4使跨阻放大器U2A的噪聲增益保持在合理水平。R4的值需權衡兩個因素：噪聲增益的幅度和暴露于高濃度氣體時傳感器的建立時間誤差。對于本電路，R4=47 Ω，由此可計算噪聲增益。運算放大器AD8502在0.1 Hz至10 Hz輸入噪聲峰-峰值電壓為6 μV，因此輸出端的噪聲為：866 μV=516 μV。根據傳感器的靈敏度，可知該輸出噪聲相當于=1.98ppm以上的氣體濃度，這種低頻噪聲難以濾除。幸好傳感器響應非常慢，因此由R6和C7構成的低通濾波器可以具有的截止頻率。此濾波器的時間常數秒，在傳感器最大響應時間30秒之內。

2、協調器

協調器硬件要實現CC2530與PC機串行通信。CC2530的無線射頻電路參考TI公司給出的設計方案，天線采用50Ω鞭狀天線。CC2530支持串口通信的UART模式，設置CC2530的寄存器PERCFG.U0CFG位為1，將USART0的RX和TX選擇到位置1，引腳功能選擇P0.2和P0.3通過MAX2323和PC的串口相連，如圖3所示。路由器電路不要與PC機連接，所以比圖3簡單，只需無線射頻部分。

圖3 協調器電路

三、軟件設計

1、毒性氣體采集

將傳感器的輸出連接到CC2530單片機的內置ADC差分輸入通道P0.0和P0.1口，經過數模轉換成功后，將采集的毒性氣體濃度數據封裝，利用ZigBee協議棧中的定時函數osal_start_timerEx()，實現數據的周期性發送。圖4為毒性氣體采集流程圖。

圖4 毒性氣體采集流程圖圖5協調器程序流程圖圖6路由器程序流程圖

2、ZigBee組網

ZigBee無線傳感器網絡中的協調器、路由器和終端節點這三種設備類型，是由ZigBee協議棧的編譯選項來選擇的。在ZigBee協議棧ZStack-CC2530-2.4.0-1.4.0中，對于協調器，在編譯軟件IAR的Workspace區域的下拉菜單中選擇CoordinatorEB-Pro；對于路由器，在下拉菜單中選擇RouterEB-Pro；對于終端節點，要選擇EndDeviceEB-Pro。

協調器主要作用是建立一個網絡和配置該網絡的性質參數。一旦這些完成，該協調器就成為一個路由器，其程序流程圖如圖5所示。當協調器收到路由器或終端節點發送來的數據時，首先使用osal_msg_receive()函數，從消息隊列接收到消息，然后通過GenericApp_MessageMSGCB()函數將接收到的數據通過串口發送給PC機。協調器中有串口初始化以及串口數據處理部分，而路由器和終端節點不需要與PC機進行交互，只需要執行數據采集和傳輸即可，需要注意的是路由器需要進行數據的路由轉發，所以路由器不可以休眠，但是終端節點可以休眠。在ZigBee協議棧中進行數據發送可以調用AF_DataRequest無線發送數據包函數實現，該函數會調用協議棧里面與硬件相關的函數，最終將數據通過天線發送出去，這里面涉及對射頻模塊的操作。路由器主要負責數據包的路由選擇，和進行RSSI（Received Signal Strength Indicator，接收信號強度指示）定位，其程序流程圖如圖6所示。

系統的整體工作過程如下：由協調器成功創建ZigBee網絡后，等待路由器和終端節點加入；路由器或終端節點上電后，自動查找空間中的ZigBee網絡，找到后即可加入網絡，并把該節點的物理地址發送給協調器；當PC機想要獲取某一終端節點的毒性氣體濃度時，向串口發送終端節點的物理地址及檢測命令，經協調器發送，經路由器尋找對應的終端節點；終端節點接收到命令后，啟動內部ADC進行毒性氣體濃度檢測，并向協調器發送監測結果。終端節點也可以定時地、主動地向協調器發送毒性氣體濃度監測結果。

四、終端節點的功耗分析

為了降低整個網絡的綜合能耗，終端節點采用“休眠——喚醒采集濃度數據并發送——休眠”低功耗工作模式。終端節點使用兩節1.5V的AA電池供電。市面上每節AA電池的電量為1500mA.h，對于兩節AA電池，總電量為3000mA?h，即電池以1mA電流放電，可以持續放電3000小時，同理，如果放電電流為1000mA，則可以連續放電3小時。由于終端節點的傳感器工作電路和數據發送的電流共需約60mA，則兩節AA電池可以使終端節點連續工作50小時。由于氣體監測無須連續工作，假設終端節點每2小時工作60秒，每天共工作720秒，其它時間都在休眠（休眠時工作電流在微安級，相比而言，可以忽略不計）。這樣可以計算出兩節AA電池可以使終端節點工作的時間為：503600/720=250天。這些分析是針對終端節點，對于路由器和協調器而言，要長期供電來確保數據的正確路由，所以一般不談低功耗問題。

五、結束語

本文基于ZigBee協議棧ZStack-CC2530-2.4.0-1.4.0，設計了一個無線毒性氣體監測系統。實驗結果表明了該系統具有組網靈活、開發成本低、準確度高、能量消耗低，并且安裝維護比較簡單，只需一次安裝就可以長期使用，具備了傳統氣體監測系統無法比擬的優勢，較好地解決了傳統氣體監測中效率低下、易產生監測盲區等問題。

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TP393

A

1671-5136(2014)02-0129-03

2014-04-23

2012年度湖南省高等學校科學研究項目（編號：12B011）。

朱志偉（1976-），男，湖南衡山人，長沙民政職業技術學院電子信息工程學院副教授。研究方向：電力電子技術與嵌入式系統技術。