如何實現(xiàn)采用ZigBee協(xié)議的無線氣體監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

引言

傳統(tǒng)的氣體監(jiān)測系統(tǒng)是以電線和電纜作為基礎(chǔ)傳輸介質(zhì)組成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。目前常用的解決方案是在監(jiān)控現(xiàn)場，將傳感器布置在需要監(jiān)測的關(guān)鍵位置，將各個傳感器采集到的信號通過獨立電纜傳送到中央采集站，由中央采集站將所有連接的信號集中處理發(fā)送到上位機，進(jìn)行實時數(shù)據(jù)采集。如果需要監(jiān)測的區(qū)域很大，需要很多傳感器，相應(yīng)的監(jiān)測點分散，這種傳統(tǒng)的有線方式就會存在線路布設(shè)復(fù)雜，接線繁瑣，安裝造價高，后期的電纜維護(hù)成木高等問題。由于有線氣體監(jiān)測系統(tǒng)木身的局限性，許多特殊環(huán)境下的網(wǎng)絡(luò)覆蓋和網(wǎng)絡(luò)支持仍然是個難題。比如在某些工業(yè)現(xiàn)場，一些工業(yè)環(huán)境禁止或限制使用電纜，而在其他一些工業(yè)環(huán)境要求完全把電纜屏蔽起來以高度防止來自大多數(shù)工業(yè)設(shè)施中的機器或其它無線電控制設(shè)備的干擾，更有一些高速旋轉(zhuǎn)的設(shè)備根木無法通過電纜來傳輸數(shù)據(jù)信息。這種傳統(tǒng)的串行集中式監(jiān)測系統(tǒng)很大程度上影響系統(tǒng)的處理速度和系統(tǒng)的可靠性和靈活性。

鑒于上述情況，氣體監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計趨向于無線監(jiān)測方式，用分布式的無線技術(shù)來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的集中式有線技術(shù)，實現(xiàn)傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)之間的直接通訊。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)和發(fā)展為這一問題提供了一個新的解決途徑。本文在比較了幾種通信協(xié)議后選擇了低成本、低功耗和低速率的ZigBee協(xié)議，設(shè)計了一種基于ZigBee的無線氣體監(jiān)測系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計

1.1 系統(tǒng)的組成與結(jié)構(gòu)

整個監(jiān)測系統(tǒng)由監(jiān)測主機和ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)組成，如圖1所示。這是。個層次型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，最底部為傳感器終端節(jié)點（即無線氣體檢測變送器），向上依次是路由器，協(xié)調(diào)器和監(jiān)控主機。監(jiān)控主機上運行有數(shù)據(jù)管理軟件，為用戶提供氣體監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)訪問界面，并能夠通過協(xié)調(diào)器訪問終端節(jié)點的測量數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)保存，為用戶提供數(shù)據(jù)查詢、分析或報表生成服務(wù)。ZigBee網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集，它由協(xié)調(diào)器、路由器、終端節(jié)點和報警器組成。終端節(jié)點將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)傳給路由器；路由器將終端設(shè)備上傳的信息整合處理，再將數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器；協(xié)調(diào)器將采集的數(shù)據(jù)上傳給監(jiān)控主機或者將監(jiān)控主機的命令在網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送出去；報警器負(fù)責(zé)接收路由器發(fā)送的數(shù)據(jù)，如果數(shù)據(jù)超限則發(fā)送報警信號。整個網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)的傳輸具有就近原則，如果協(xié)調(diào)器距離比路由器近，終端節(jié)點會直接傳輸數(shù)據(jù)到協(xié)調(diào)器。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計

1.2 系統(tǒng)的特點

無線氣體監(jiān)測系統(tǒng)具有以下幾方面的特點：

（1）采用ZigBee技術(shù)作為無線通訊方式

目前常用的無線通信技術(shù)有Wi—Fi、超寬帶通信UWB、藍(lán)牙、紅外數(shù)據(jù)通信IrDA、ZigBee等，綜合比較了以上幾種無線通信方式，zigBee技術(shù)具有省電、通信可靠、成本低廉、網(wǎng)絡(luò)容量大、白組織能力強等優(yōu)點 ，因此ZigBee技術(shù)能夠很好的應(yīng)用于無線氣體監(jiān)控系統(tǒng)。

（2）低功耗

系統(tǒng)的終端節(jié)點—— 無線氣體檢測變送器數(shù)量多，由電池供電，往往放置存無人值守的地方，不便更換節(jié)點的電池，因此實現(xiàn)節(jié)點的低功耗，既是捉高節(jié)點性能的重要指標(biāo)，也是延長整個系統(tǒng)生命周期的重要下段。該系統(tǒng)的無線氣體監(jiān)測變送器采用一次性2號鋰電池供電，存正常工作條件下的使用壽命不小于2 0000小時。

2 無線氣體檢測變送器的設(shè)計

2.1 無線氣體檢測變送器的硬件設(shè)計

無線氣體檢測變送器是整個系統(tǒng)的前端采集設(shè)各，也是系統(tǒng)最核心的組件 ，該變送器由中央處理單元、測量電路、A／D轉(zhuǎn)換、數(shù)字顯示、RF無線通信等單元電路組成。敏感元件產(chǎn)生的信號繹線性放大后，經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換，直接送往單片機進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，來完成變送器的顯示、通信等功能。其原理框圖如圖2所示。

圖2 無線氣體榆測變送器的原理框圖

中央處理器采用MICROCHI P公司的帶有LCD驅(qū)動器、采用納瓦技術(shù)的64引腳8位CMOS閃存單片機PIC16F946，此單片機可以通過軟件選擇時鐘來擰制功耗管理模式，即存運行時開啟C PU和外設(shè)，空閑時開啟外設(shè)但關(guān)閉CPU，休眠時則關(guān)閉CPU和外設(shè)；A／D轉(zhuǎn)換單元采用的是TI公司的12位AD，采樣速度在200kSPS的ADS7866，在此A／D轉(zhuǎn)換單了亡中ADS7866的～ 作電壓存1.3 V，達(dá)到了節(jié)省功耗的目的。

運算放大器采用LTc1495，工作電流僅為1.5 uA，±2.5V穩(wěn)壓芯片也采用低功耗芯片，在滿足性能需要的基礎(chǔ)上，最大限度的降低功耗。其前置放大電路如圖3所示。

圖3 無線氣體檢測變送器時置放火電路圖

無線通信模塊采用Atmel公司推出的世界上首款l曲向中國無線市場、工作在780MHz頻段并符合IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的無線收發(fā)芯片AT86RF212，我圍無線個域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)無線電委員會批準(zhǔn)，開放了78 0MH z頻段，在此頻段下，空間損耗較2.4Ghz頻段小，能夠獲得更好的傳輸性能。

2.2 無線氣體檢測變送器軟件設(shè)計

變送器軟件設(shè)計的各個模塊組成如圖4所示。

主程序處理模塊用來調(diào)用其它模塊完成需要實現(xiàn)的功能；采樣處理及補償模塊負(fù)責(zé)采集并處理模數(shù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)并做相應(yīng)的線性補償；按鍵查詢處理模塊負(fù)責(zé)按鍵動作管理；顯爾模塊用來實現(xiàn)液晶顯示；參數(shù)管理模塊負(fù)責(zé)參數(shù)的保存和處理；白檢模塊負(fù)責(zé)完成初始化；無線通信模塊負(fù)責(zé)檢測數(shù)據(jù)的發(fā)送。

圖4 無線氣體檢測變送器軟件設(shè)計模塊

無線氣體檢測變送器的主要功能是通過氣體傳感器對被測對象進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過無線發(fā)送模塊發(fā)送至路由器（或協(xié)調(diào)器）。在正常工作狀念下，每1 5秒發(fā)送一次數(shù)據(jù)，報警狀態(tài)下每8秒鐘發(fā)送 次數(shù)據(jù)，其程序流程圖如圖5所示。

圖5 無線氣體柃測變送器程序流程圖

3 無線協(xié)調(diào)器的設(shè)計

3.1 無線協(xié)調(diào)器的硬件設(shè)計

無線協(xié)調(diào)器主要負(fù)責(zé)建立WSN嘲絡(luò)，通過無線通信模塊接收所有無線怖測節(jié)點發(fā)送的測量數(shù)據(jù)，并將所述測量數(shù)據(jù)傳送到PC機。其結(jié)構(gòu)相對簡單，主要由電源模塊、EMI處理模塊、微摔制器模塊、串口通信模塊和兀線通信組成，其組成框圖如圖6所示。

圖6 無線協(xié)調(diào)器的組成框圖

3.2 無線協(xié)調(diào)器的軟件設(shè)計

無線協(xié)調(diào)器是無線氣體監(jiān)摔網(wǎng)絡(luò)的發(fā)起建立者，協(xié)調(diào)器上電后，初始化完成，建立網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)收到其它節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)的請求時，給節(jié)點分配網(wǎng)絡(luò)地址，接收路由器或距離近的終端節(jié)點傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給上位機。其程序流稃圖如圖7所示。

圖7 無線協(xié)凋器程序流程圖

4 結(jié)束語

基于ZigBee的無線氣體監(jiān)測系統(tǒng)具有低成本、低功耗、動態(tài)路由、自動組網(wǎng)、協(xié)議免費、應(yīng)用簡單等優(yōu)點，解決了電纜連接時現(xiàn)場設(shè)備移動受限和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)靈活變化的問題，使數(shù)據(jù)的傳輸史加靈活和便于實現(xiàn)，岡此非常適用于存工業(yè)現(xiàn)場中使用，將會獲得越來越廣闊的發(fā)展和應(yīng)用空間。