基于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的氣體監(jiān)測報警系統(tǒng)設(shè)計

摘要 利用ZigBee實現(xiàn)短距離無線傳榆數(shù)據(jù)的技術(shù)，提出一種基于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的氣體監(jiān)測報警系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括終端節(jié)點、協(xié)調(diào)器、GSM模塊、手機4部分，終端節(jié)點與協(xié)調(diào)器通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)進行通信，且對系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計進行了分析。當有毒氣體濃度超過警戒值，則驅(qū)動蜂鳴器和LED指示燈進行聲光報警。實踐證明，利用Zigee技術(shù)傳輸數(shù)據(jù)具有功耗低、時延小、體積小、耗費少等優(yōu)點。
關(guān)鍵詞 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；ZigBee；監(jiān)測系統(tǒng)；報警系統(tǒng)

目前國內(nèi)外大部分氣體監(jiān)測系統(tǒng)存在不足：如系統(tǒng)龐大、成本高、安裝困難、無法遠程監(jiān)控，過分依賴以電線和電纜為基礎(chǔ)的通信設(shè)施。并且現(xiàn)在市場上銷售的手持便攜式設(shè)備，需要人員進入監(jiān)測室內(nèi)進行測試，測試方法為單點測量，如果要長時間進行監(jiān)測，設(shè)備需要外接電源，使用不方便且對人體有危害。而且單次單點測量得到的數(shù)據(jù)不一定能代表室內(nèi)空氣中長期存在的污染氣體濃度水平，影響監(jiān)測數(shù)據(jù)的精確度。及時可靠地探測空氣中某些氣體的含量，及時采取有效措施進行補救，采取正確的處置方法，減少泄漏引發(fā)的事故，是避免造成重大財產(chǎn)和人員傷亡的必要條件。這就對氣體的檢測和監(jiān)測設(shè)備提出了較高的要求。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計
系統(tǒng)包括終端節(jié)點、協(xié)調(diào)器、GSM(Global System of Mobile Communication)模塊、手機與快速化學(xué)處理裝置5部分，終端節(jié)點與協(xié)調(diào)器通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)進行通信，協(xié)調(diào)器與GSM模塊通過串口進行通信，GSM模塊與手機通過短信息進行通信，快速化學(xué)處理裝置對有害氣體進行一系列化學(xué)處理，實現(xiàn)零污染排放。
目前，5種短距離無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)正成為業(yè)界談?wù)摰臒狳c，它們分別是無線局域網(wǎng)(Wi—Fi)、超寬帶通信(Ultra Wideband，UWB)、近場通信(Near FieldCommunication，NFC)、藍牙(Bluetooth)、紅外線數(shù)據(jù)通信IrDA和ZigBee。綜合考慮硬件設(shè)計復(fù)雜度、接口方式、開發(fā)周期、開發(fā)成本以及通信距離等因素。設(shè)計采用ZigBee技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的近距離無線傳輸，而遠距離通信則采用GSM技術(shù)。
ZigBee有3種組網(wǎng)方式：星形網(wǎng)、網(wǎng)狀網(wǎng)和簇狀網(wǎng)。從系統(tǒng)設(shè)計的特點出發(fā)，采用樹簇形拓撲網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。
終端節(jié)點1檢測MQ—135空氣質(zhì)量傳感器的負載輸出電壓，當電壓超過設(shè)定的正常值時，終端節(jié)點聲光報警，啟動快速集氣處理裝置，對有害氣體進行收集并處理。終端節(jié)點通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送數(shù)據(jù)消息給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器對接收到的數(shù)據(jù)進行判斷，當判斷需報警時，在LCD(Liquid Crystal Display)顯示報警信息，并通過GSM網(wǎng)絡(luò)發(fā)送短信給其綁定的手機用戶，告知用戶環(huán)境中有害氣體濃度超標。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計總體框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的結(jié)構(gòu)如圖2所示。ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點要完成來自傳感器的信息的收集、無線網(wǎng)絡(luò)的加入、以及無線數(shù)據(jù)的發(fā)送。電路應(yīng)該有數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理器模塊、無線通信模塊和供電模塊等部分組成。采集模塊通過監(jiān)測有害氣體的濃度，將物理量轉(zhuǎn)化成電信號，無線通信模塊完成A／D轉(zhuǎn)換及通信，供電模塊負責各節(jié)點供電。ZigBee無線節(jié)點的硬件選擇TI公司的CC2430作為ZigBee模塊的主控芯片，CC24 30集成了一個高性能的無線射頻RF模塊和一個增強型的8051處理器，同時集成了TI的Z-Stack協(xié)議棧，可充當ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器、路由節(jié)點或終端節(jié)點3種角色。終端采集節(jié)點方案如圖3所示。