ZigBee技术在气体浓度监控系统中的应用

摘要：文章介绍了基于ZigBee无线传感器网络的气体浓度监测系统的组成结构，适用于冶炼厂环境下对各种气体的检测。凭借基于ZigBee技术的无线传感器网络节点移动灵活、组网简单、成本低、网络易维护等特点，该监测系统有着很大的推广应用价值。

关键词：监控系统；无线传感器网络；ZigBee；CC2430

中图分类号：TM93 文献标识码：A 文章编号：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

无线传感网络是大量的具有无线通信能力、体积小、能源受限的传感器节点组成的无线网络。由于无线传感网络的特点，可以解决一些高危险环境下，人工方式现场采集困难，工作量大，实时性差，布线难度大、成本高等问题。

金川集团公司是中国最大的镍及贵金属生产基地，贵金属车间从镍电解阳极泥中分离出铂、钯、金、锇、铱、铑、钌等贵金属，并提纯为纯金属的过程称为贵金属的分离提纯。在提纯过程中，需要分离大量的铜，分离铜的过程采用氯气浸出工艺，在生产过程中，应用到大量的氯气，二氧化硫、甲醛等危险气体，这些气体腐蚀性强，毒性大，一旦泄漏就会危及人身安全，为保证过程安全，在生产车间不同的空间布置了大量的氯气、二氧化硫、甲醛等浓度监测传感器。原采用的测量参数传输用有线传输方式，大量的传输导线分布在车间内，因生产过程很强的腐蚀性，经常损坏传输导线，造成测量故障，空间内布置传感器由于吊装受吊装设备影响无法铺设电缆，无法实现检测，造成了测量盲区。因此无线传感网络对这类高危环境下的数据采集以及传输应用的环境监测系统具有显著的优势。

2 ZigBee 概述

ZigBee技术是一种应用于短距离范围内、低传输数据速率下的各种电子设备之间的无线通信技术。“ZigBee”的名字源于蜂群使用的赖以生存的通信方式――zig-zag形状的舞蹈，来通知同伴发现新食物的位置、距离、方向等信息。ZigBee是基于IEEE批准通过的802.15.4无线标准研制开发的，其频段是免费开放的，分别是2.4GHz（全球）、915MHz（美国）、868MHz（欧洲），分别提供250kb/s、40kb/s、20kb/s的传输速率。为了避免干扰，各频段采用直接序列扩频技术。根据节点的不同，ZigBee设备可分为全功能设备（Full-Function Device，FFD）与半功能设备（Reduced-Function Device，RFD）。

从表1 中可以看出, ZigBee 技术与其他几种无线技术相比较，其优势在于协议简单、成本低、功耗小、可靠性高、组网容易，这些特点满足工业控制、工业无线定位、家庭网络、楼宇自动化、消费产品等多个领域。

3 系统总体方案概述

系统构成框架如图1所示，在车间内安装若干无线传感器终端节点，对被测对象进行实时数据采集，通过ZigBee无线技术发送至协调器。协调器对数据进行初步处理，并通过串行通信接口以及网关连接DCS工业控制网，并将实时数据送至服务器，由连接至服务器上的监控中心对数据进行监控预警处理，根据预警策略判断是否进行安全警报及相关处理。当气体浓度超标时，进行强制通风和调整气体阀门控制气体流量操作。

4 系统硬件设计

无线传感器终端节点由数据采集单元、数据处理单元、数据传输单元、电池供电单元等功能模块组成，节点原理框图如图2。数据采集单元主要通过传感器对车间内氯气、二氧化硫、甲醛、氧气浓度进行采集；数据处理单元控制整个节点处理操作；数据传输单元完成与协调器节点的交互工作；电源供电单元负责对终端节点供电。

无线传感器终端节点是以CC2430无线模块为核心，配以相应的开发电路作为单节点终端。其中,使用的新一代射频SOC芯片CC2430 具有8 位MCU8051内核,并具备128KB闪存和8KB RAM,包含模数转换器(ADC) 、1个16位计时器和2个8位计时器、AES2128协同处理器、看门狗定时器、32 kHz晶振的休眠模式定时器、上电复位电路、掉电检测电路,以及21个可编程I/O引脚。采用0118μs CMOS工艺生产,工作时的电流损耗为27 mA,采用7 ×7 mm48脚QLP封装。

无线气体传感器对被测对象（氯气、氧气、二氧化硫、甲烷等气体）进行数据采集，将气体浓度的物理量转化为电信号，通过数据处理单元电路将采集来的信号进行电平转换、滤波、放大的信号调理，送至CC2430A/D输入引脚进行模数转换。CC2430对数据打包发送至协调器单元。由于CC2430有FLASH存储模块，对采集的数据有一定的存储能力，所以可以减少RF射频的工作次数进而降低功耗。终端节点大部分时间处于休眠状态，此时功耗小于1uA，当节点没有传感任务且不需要发送数据时，关闭节点通信模块、数据采集模块以节省能量。协调器收到数据包后，根据终端子节点地址信息，原路返回发送确认信息，与终端节点实现握手通信，如果终端节点并未受到确认消息则继续发送数据，直到收到确认消息。协调器有RS232接口，可以与其他设备相连，接入DCS工控网络，传值监测中心。终端子节点电源电路采用两节5号碱性电池供电。协调器由于一直处于收发状态，所以采用外部电源供电。

5 系统软件设计

气体浓度监控系统软件设计主要使用模块化程序设计，由传感器终端节点和协调器节点组成。由于终端节点工作模式大部分时间在休眠状态，因而可以降低功耗，使用电池寿命长。系统传感器终端节点流程图如图3所示，协调器节点程序流程图如图4所示。

6 结束语

本文提出了在高危环境下，通过基于ZigBee无线技术的传感器网络，对有毒气体的浓度监测系统的设计方案，解决了布线困难、节省了开支，提高系统的灵活性。ZigBee技术以其自身的特点，将会在今后时间里迅猛发展，应用越来越广泛。

参考文献：

[1] ZigBee Alliance, ZigBee Specification 2006 Document 053474r13[DB/OL], .

[2] Texas Instruments ,CC2430_Data_Sheet_1_02[DB/OL], /lit/ds/symlink/cc2430.pdf ,2006.

[3] 李文仲 段朝玉.《ZigBee无线网络技术入门与实战》[M].北京：北京航空航天大学出版社,2007.

[4] 孙立民等.无线传感器网络[M]. 北京：清华大学出版社,2005.