基于ZigBee无线网络的气体监测报警系统设计

摘要 利用ZigBee实现短距离无线传榆数据的技术，提出一种基于ZigBee无线网络的气体监测报警系统。该系统包括终端节点、协调器、GSM模块、手机4部分，终端节点与协调器通过ZigBee无线网络进行通信，且对系统的硬件和软件设计进行了分析。当有毒气体浓度超过警戒值，则驱动蜂鸣器和LED指示灯进行声光报警。实践证明，利用Zigee技术传输数据具有功耗低、时延小、体积小、耗费少等优点。
关键词 无线传感器网络；ZigBee；监测系统；报警系统

    目前国内外大部分气体监测系统存在不足：如系统庞大、成本高、安装困难、无法远程监控，过分依赖以电线和电缆为基础的通信设施。并且现在市场上销售的手持便携式设备，需要人员进入监测室内进行测试，测试方法为单点测量，如果要长时间进行监测，设备需要外接电源，使用不方便且对人体有危害。而且单次单点测量得到的数据不一定能代表室内空气中长期存在的污染气体浓度水平，影响监测数据的精确度。及时可靠地探测空气中某些气体的含量，及时采取有效措施进行补救，采取正确的处置方法，减少泄漏引发的事故，是避免造成重大财产和人员伤亡的必要条件。这就对气体的检测和监测设备提出了较高的要求。

1 系统总体方案设计
    系统包括终端节点、协调器、GSM(Global System of Mobile Communication)模块、手机与快速化学处理装置5部分，终端节点与协调器通过ZigBee无线网络进行通信，协调器与GSM模块通过串口进行通信，GSM模块与手机通过短信息进行通信，快速化学处理装置对有害气体进行一系列化学处理，实现零污染排放。
    目前，5种短距离无线网络技术正成为业界谈论的热点，它们分别是无线局域网(Wi—Fi)、超宽带通信(Ultra Wideband，UWB)、近场通信(Near FieldCommunication，NFC)、蓝牙(Bluetooth)、红外线数据通信IrDA和ZigBee。综合考虑硬件设计复杂度、接口方式、开发周期、开发成本以及通信距离等因素。设计采用ZigBee技术实现数据的近距离无线传输，而远距离通信则采用GSM技术。
    ZigBee有3种组网方式：星形网、网状网和簇状网。从系统设计的特点出发，采用树簇形拓扑网络结构。
    终端节点1检测MQ—135空气质量传感器的负载输出电压，当电压超过设定的正常值时，终端节点声光报警，启动快速集气处理装置，对有害气体进行收集并处理。终端节点通过ZigBee无线网络发送数据消息给协调器，协调器对接收到的数据进行判断，当判断需报警时，在LCD(Liquid Crystal Display)显示报警信息，并通过GSM网络发送短信给其绑定的手机用户，告知用户环境中有害气体浓度超标。系统结构设计总体框图如图1所示。

2 系统硬件设计
    ZigBee网络节点的结构如图2所示。ZigBee网络节点要完成来自传感器的信息的收集、无线网络的加入、以及无线数据的发送。电路应该有数据采集模块、数据处理器模块、无线通信模块和供电模块等部分组成。采集模块通过监测有害气体的浓度，将物理量转化成电信号，无线通信模块完成A／D转换及通信，供电模块负责各节点供电。ZigBee无线节点的硬件选择TI公司的CC2430作为ZigBee模块的主控芯片，CC24 30集成了一个高性能的无线射频RF模块和一个增强型的8051处理器，同时集成了TI的Z-Stack协议栈，可充当ZigBee网络中的协调器、路由节点或终端节点3种角色。终端采集节点方案如图3所示。

2．1 采集节点硬件设计
    CC2430采集节点采用开发成熟的扩展模块，其硬件原理图如图4所示。

2．2 传感器报警电路设计
    设计中，对环境中有害气体的检测采用MQ-135空气质量传感器。MQ-135气体传感器所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的Sn O2。当传感器所处环境中存在污染气体时，传感器的电导率随空气中污染气体浓度的增加而增大。使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号。MQ-135传感器对氨气、硫化物、苯系蒸汽的灵敏度高，对烟雾和其他有害气体的监测也很理想。这种传感器可检测多种有害气体，是一款适合多种应用的低成本综合性传感器。MQ-135空气质量检测传感器原理如图5所示。

2．3 GSM模块设计
    GSM模块的作用是把本地采集的数据发送到远端去。因为ZigBee网络要实现远距离传输比较困难，而现有的GSM网络已完善，覆盖率高，所以采用本地使用ZigBee网络实现传感器数据的采集与汇总，然后通过GSM网络把数据以短消息的方式传送到远端。GSM模块采用Siemens的TC35模块，它是一个GSM调制解调器，提供RS232串口可以方便地与PC机、单片机连机通讯，并采用AT格式指令。
    GSM模块电路包括以下几部分：(1)1FC35模块，这是核心部件，实现GSM通信的所有功能。(2)电源模块。(3)SIM卡接口电路，接入GSM网络必须要一张SIM电话卡。(4)RS232串口通信电路，实现与CC2430微控制器之间的通信。

3 系统软件设计
    ZigBee开发环境是TI公司的Zstack，系统采用ZStack—1．4．2—1．1．0开发工具使用IAR。ZigBee协议栈包括5层，如图6所示。设计主要针对应用层应用C语言进行开发应用。

    根据设计功能论述和原理说明，系统终端节点、协调器节点软件流程如图7所示。

4 结束语
    本设计以节能减排为目的，不同于以往的有害气体泄漏报警系统，其特点是：(1)设计采用TI公司的CC2430芯片为主控芯片，通过Zig Bee无线网络的建立，能使覆盖面更广。(2)其电路简单、结构紧凑、功能强大、使用方便、可靠地应用于家居或工业现场对空气中有害气体浓度的检测与处理，并通过GSM技术发送短消息通知用户现场环境中有害气体超标的警报。(3)当气体浓度超标时，可自动打开快速集气处理装置，快速对有害气体进行收集与可行性化学处理，实现零污染排放。(4)所研制的有害气体报警器不仅具有一般报警器的功能，且增加了周密的保护措施，确保危险及时得到解除，保障环境卫生、人身安全与财产安全。
    实践证明，此系统操作方便、探测范围广，可便于集中管理，具有较高的使用价值。同时其需要投入的成本低，经济效益高。