基于Zigbee的多點布設式可燃氣體檢測系統設計

摘要：結合消防部隊對處置可燃氣體泄漏事故的作戰需要，提出一種基于Zigbee的多點布設式可燃氣體檢測系統的設計方案，以CC2530為基礎組建無線傳感網絡對各個子節點所監測到信息進行無線傳輸，實現對災害事故區域內可燃氣體濃度的可視化監測，為消防部隊的滅火作戰和戰斗預警提供有效的參考依據。

關鍵詞：Zigbee；多點布設；可燃氣體；檢測系統

隨著我國經濟發展日新月異、人民生活水平穩步提升，工業發展速度與規模也在不斷增大，與此同時，消防部隊面臨工業火災時也遇到越來越多的挑戰。液化石油氣（LPG）作為重要的化工原料和潔凈的燃料，被廣泛地運用到工業領域和民用領域。但近年來LPG在生產、運輸、儲存和使用過程中發生多起泄露事故，其易燃性、易爆性嚴重威脅人民的生命財產安全和消防員的生命安全。如表1所示，近年來發生的LPG泄露事故。消防部隊在處置此類災害事故時，最重要的工作就是保證災害現場的實時偵察工作順利進行，為指揮員作戰力量的部署提供判斷依據。針對此類問題，本文設計開發基于Zigbee的多點布設式可燃氣體檢測裝置，可實時監測事故區域內的可燃氣體的濃度信息，并在后臺實現可視化監測，為指揮員提供災害現場的預警信息和可燃氣體濃度變化情況。

一、系統的總體設計方案

多點布設式可燃氣體檢測系統包括子節點系統、網關節點系統和終端系統三部分組成，其中子節點系統利用Zigbee進行組網，主要功能是收集檢測點的溫度、濕度、可燃氣體濃度和地理位置坐標；網關節點系統是子節點系統和終端系統的門戶，用于信息的傳遞，以保證子節點系統所搜集信息的上傳和終端系統數據的下傳；終端系統是用于展示所搜集數據的可視化平臺，以數字和地圖的形式展示所探測到的所有數據信息。系統結構如圖1所示。

二、系統硬件設計

無線傳感網絡子節點是組成多點布設式可燃氣體檢測系統的基本單元，是整個可燃氣體檢測系統的核心。無線傳感網絡子節點主要工作是完成信息的采集和數據的傳輸。無線傳感網絡子節點系統包括無線通信模塊、數據處理模塊、溫濕度采集模塊、可燃氣體濃度采集模塊、地理位置采集模塊、報警包塊和電源模塊等，其具體實物圖如2所示。

1.CC2530模塊

CC2530是專門針對IEEE802.15.4和Zigbee應用采取的單芯片解決方案，具備經濟、高效和節能的特點。CC2530包含四種不同的版本：CC2530-F32/64/128/256。分別帶有32/64/128/256KB的閃存空間；它整合了全集成的高效射頻收發機及業界規范的增強型8051微控制器，8KB的RAM和其它合適的支撐功能和外設。

主要特點：

（1）支持無線閃存和高效的擦除周期，便于系統的更新；

（2）8kB RAM用于更為復雜的應用和Zigbee應用；

（3）可編程輸出功率達+4dBm；

（4）具有較低電量損耗，支持系統的超長運行；

（5）具有強大的地址甄別和數據包處理整合引擎。

實物如圖3所示。

2.溫濕度檢測模塊

本設計所選用的溫濕度傳感器為DHT11型號傳感器，它是一種具有輸出數字信號的傳感器模塊，該傳感器具有較強專業性的數字采集技術以及溫濕傳感基礎，無論可靠性還是穩定性都較強。實物如圖4所示。

3.可燃氣體濃度檢測模塊

本設計選用的可燃氣體傳感器為MQ-7氣體傳感器，該傳感器具有較強的氣敏材料，其材料使用的是在純凈的空氣中導電率較低的二氧化錫。當該氣體傳感器所處環境中含有一定可燃氣體時，傳感器的導電率將發生變化，并且隨著可燃氣體濃度的變化而變化。不需要復雜電路，只需要利用較為簡單的電路便可實現將電導率的變換轉變成為對氣體濃度的電反應，并以信號輸出的方式進行顯示。據了解，該傳感器可以檢測多類可燃氣體，是一款實用性強，性價比高的氣體傳感器。實物如圖5所示。

4.GPS定位監測模塊

本次設計運用了itrax02GPS接收定位模塊，其體積較小，并且功耗最低，并且能實現從休眠到精準定位僅需要8秒鐘時間，其芯片采用嵌入設計，可直接繼承與PCB板上，最大限制的節省了空間。實物如圖6所示。

三、系統軟件設計

1.程序開發環境IAR

IAREmbeddedWorkbench是一套開發工具，用于對匯編、C或C++編寫的嵌入式應用程序進行編譯和調試。該集成開發環境包含了IAR的C/C++編譯器，匯編器，鏈接器，文件管理器，文本編輯器，工程管理器和C-SPY調試器。通過其內置的針對不同芯片的代碼優化器，IAREmbeddedWorkbench可以為ARM芯片生成非常高效和可靠的FLASH/PROMable代碼。IAR的用戶界面如圖7所示。

2.網關節點工作流程

網關節點為Zigbee網絡的協調器，主要實現功能如下：

（1）將覆蓋區域內所有的子節點建立Zigbee網絡，實現信息互通；

（2）接收由終端提供給各個子節點的配置數據，并發送給網絡內所有的子節點；

（3）接收各個子節點所上傳的信息，包括氣體濃度、溫濕度、地理坐標等信息；

（4）終端對所上傳的數據信息進行修正，并根據事先設定的報警濃度對子節點發送相應的報警信號；

（5）子節點根據事先設定的時間對所其處位置的濃度、地理坐標、溫濕度等信息進行實時跟新上傳。

網關節點工作流程圖如圖8所示。

3.子節點系統工作流程

該系統中每個采集節點的主要功能包括溫濕度和可燃氣體濃度的采集、節點地理位置坐標信息的采集和實現節點報警功能等。當系統啟動后，子節點會自動進行網絡組建，與此同時子節點系統上傳感器會自動采集相應區域的可燃氣體濃度、溫度、濕度以及地理位置坐標等信息。無線傳感網絡組建成功后，子節點會利用組建的網絡進行信息的上傳，最終由網關節點進行信息的匯總后上傳終端，子節點系統按照實現設定的時間自動進行更新監測，并將新獲取的信息進行上傳，實現子節點系統的實時監測。子節點系統工作流程圖如圖9所示。

4.終端系統工作流程

終端負責對所接收的子節點系統的所有數據進行匯總，同時根據事先對傳感器靈敏性的檢測，對所獲取的溫度、濕度、可燃氣體濃度、地理位置坐標等數據進行修正，以保證終端系統所展示信息的準確。系統會根據事先設定的時間間隔對數據進行實時的更新，以保證所展示信息的實效性。具體工作流程如圖10所示。

四、結語

采用Zigbee技術所設計的多點布設式可燃氣體檢測系統，能夠實現后臺的可視化實時監測，不僅有利于消防部隊在處置可燃氣體泄漏事故具有良好的作戰輔助作用，而且對于儲存或生產可燃氣體廠區內的可燃氣體監控具有較好的監控作用。下一步工作主要是對系統程序編成進行進一步優化，簡化算法，提高系統的定位效果。

參考文獻：

湯殷霞，劉賢興，王洪，孫金虎.一種智能可燃氣體探測器的設計[J].自動化與儀表，2013，（12）：20-23.

袁文鼎，李昌華.ZigBee技術在氣體濃度監控系統中的應用[J].計算機工程應用技術，2009，（05）：1235-1236.

管士濤，陳均偉.基于ZigBee技術的氣體閥門泄漏檢測系統[J].石油和化工設備，2013，（10）：52-54.

王志忠，董愛華.ZigBee技術及其在井下人員定位系統中的應用[J].煤礦安全，2008，（05）：62-65.

作者簡介：王鐵，男，本科學歷，副教授，武警學院指揮系滅火救援指揮教研室，主要從事滅火及應急救援指揮研究與教學。

門群，女，本科學歷，副教授，武警學院基礎部英語教研室，主要從事英語教學和文獻翻譯研究。

范凌云，男，在讀研究生，軍隊指揮學專業，武警學院研究生部學員，研究方向：滅火及應急救援訓練。

基金項目：河北省科學技術廳基金項目（16275603）資助。項目類別：河北省科學技術廳（編號：16275603）。