基于ZigBee的毒性氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

朱志偉 劉湘云

（長(zhǎng)沙民政職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410004）

基于ZigBee的毒性氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

朱志偉 劉湘云

（長(zhǎng)沙民政職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410004）

針對(duì)毒性氣體自動(dòng)監(jiān)測(cè)的要求，提出了一種基于Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。采用CO-AX傳感器采集一氧化碳濃度，經(jīng)過信號(hào)調(diào)理電路，利用ZigBee控制芯片CC2530對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換和無線收發(fā)。文中給出了協(xié)調(diào)器、路由器及終端節(jié)點(diǎn)的硬件原理圖及相應(yīng)程序流程圖，并對(duì)終端節(jié)點(diǎn)的能耗進(jìn)行分析。系統(tǒng)適于安裝到有線網(wǎng)絡(luò)延伸不到的區(qū)域，能夠?qū)崟r(shí)、準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)毒性氣體的濃度信息。

ZigBee；電化學(xué)傳感器；CC2530；毒性氣體監(jiān)測(cè)；功耗分析

引言

隨著人類文明的高度發(fā)展，對(duì)工農(nóng)業(yè)各種廢氣及室內(nèi)裝修散發(fā)的毒性氣體的排放進(jìn)行嚴(yán)格控制成為當(dāng)今社會(huì)的共同呼聲。當(dāng)前市面上的眾多空氣凈化裝置不能判斷環(huán)境中是否存在毒性氣體，只能盲目長(zhǎng)時(shí)間開啟凈化裝置，因此，開發(fā)具有無線化、網(wǎng)絡(luò)化、自動(dòng)化等特點(diǎn)并能對(duì)毒性氣體進(jìn)行定量定性分析的毒性氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)或設(shè)備已成為當(dāng)務(wù)之急。

目前人們對(duì)氣體的檢測(cè)手段主要方法有以下幾種：熱導(dǎo)分析、磁式氧分析、電子捕獲分析、紫外吸收分析、光纖傳感器、半導(dǎo)體氣敏傳感器、化學(xué)發(fā)光式氣體傳感器、化學(xué)分析、電化學(xué)傳感器。在眾多的檢測(cè)設(shè)備中，如化學(xué)發(fā)光式氣體分析儀等，雖然具有檢測(cè)靈敏度高、準(zhǔn)確性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但由于體積龐大，不能用于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，而且價(jià)格昂貴，超出一般檢測(cè)用戶的承受能力，所以其應(yīng)用受到很大限制。其它一些檢測(cè)設(shè)備，如半導(dǎo)體氣敏傳感器，靈敏度雖然比較高，但穩(wěn)定性較差，工作溫度大多數(shù)在300℃以上，需要加熱裝置，一般只能用作報(bào)警器。相對(duì)而言，電化學(xué)傳感器既能滿足一般檢測(cè)中對(duì)靈敏度和準(zhǔn)確性的需要，又具有體積小、操作簡(jiǎn)單、攜帶方便、可用于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)且價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。

ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)廣泛應(yīng)用于軍事偵察、環(huán)境監(jiān)測(cè)、目標(biāo)定位等領(lǐng)域，能夠?qū)崟r(shí)地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)的對(duì)象信息。本文采用了TI公司的CC2530無線射頻ZigBee控制器，很好地解決了功耗和成本問題，而且也有效地?cái)U(kuò)展了數(shù)據(jù)的傳輸范圍。

一、系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)與功能

ZigBee毒性氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)由信號(hào)采集終端節(jié)點(diǎn)、用于延長(zhǎng)通信距離的路由器以及協(xié)調(diào)器組成。終端節(jié)點(diǎn)檢測(cè)的氣體濃度，經(jīng)過路由器中繼的無線接力，將所有數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)距離外的帶有協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的監(jiān)控中心。基于PC機(jī)的監(jiān)控中心不僅有友好的人機(jī)界面，而且具有系統(tǒng)歷史記錄查詢和聲光報(bào)警等功能。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖

二、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1、傳感器與毒性氣體采集終端節(jié)點(diǎn)

由于一氧化碳的IDLH（Immediately Dangerous to Life or Health concentration，立即威脅生命和健康的濃度）遠(yuǎn)高于大多數(shù)其它有毒氣體，所以本文采用的電化學(xué)傳感器是Al-phasense公司的CO-AX一氧化碳(CO)傳感器。CO-AX的靈敏度在55 nA/ppm至90 nA/ppm之間，典型值為65nA/ppm；其檢測(cè)響應(yīng)時(shí)間一般小于30秒；最大準(zhǔn)確檢測(cè)上限可達(dá)2000 ppm。

圖2為毒性氣體采集終端節(jié)點(diǎn)電路Q1為P溝道結(jié)型場(chǎng)效管，在CC2530的控制下，當(dāng)柵極電壓為高時(shí)，場(chǎng)效管導(dǎo)通，CO-AX參比電極RE和工作電極WE處于短路狀態(tài)，這樣延長(zhǎng)了傳感器的使用壽命，并且縮短了氣體檢測(cè)開啟的響應(yīng)時(shí)間。當(dāng)柵極電壓為低時(shí)，場(chǎng)效管關(guān)斷，CO-AX傳感器在恒電位狀態(tài)下工作。與氣體濃度成正比的電流信號(hào)從WE流出，經(jīng)跨阻放大器U2A送至CC2530。

圖2 毒性氣體采集終端節(jié)點(diǎn)電路

為使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)單電源供電，微功耗基準(zhǔn)電壓源ADR121輸出2.5 V。雙通道微功耗運(yùn)算放大器AD8502在跨阻放大（U2A）和恒電位設(shè)置（U2B）下使用?？缱璺糯笃鱑2A的輸出電壓為：

由于CO-AX傳感器的最大響應(yīng)為90 nA/ppm，其最大輸入范圍為2000 ppm。因此，輸出電流i的最大值為90nA2000=180μA，輸出電壓。調(diào)整R5的值，可以使不同類型的電化學(xué)氣體傳感器適應(yīng)于本電路。節(jié)點(diǎn)采用+3.3V單電源供電，根據(jù)公式（1）可知，差動(dòng)放大器輸出范圍為3.3V-2.5V=0.8V。如果將R5設(shè)置為4kΩ，即使在傳感器最大靈敏度情況下，也能提供大約10%的超量程能力；在傳感器最低靈敏度情況下，人體長(zhǎng)時(shí)間接觸允許的濃度50ppm時(shí)，還能提供55nA 504 kΩ=11mV的最少輸出信號(hào)。將VOUT接至P0.0腳，將2.5V基準(zhǔn)電壓接至P0.1腳，配置CC2530的寄存器ADCCON3實(shí)現(xiàn)ADC為差分輸入，從而消除公式1中的2.5V項(xiàng)。電阻R4使跨阻放大器U2A的噪聲增益保持在合理水平。R4的值需權(quán)衡兩個(gè)因素：噪聲增益的幅度和暴露于高濃度氣體時(shí)傳感器的建立時(shí)間誤差。對(duì)于本電路，R4=47 Ω，由此可計(jì)算噪聲增益。運(yùn)算放大器AD8502在0.1 Hz至10 Hz輸入噪聲峰-峰值電壓為6 μV，因此輸出端的噪聲為：866 μV=516 μV。根據(jù)傳感器的靈敏度，可知該輸出噪聲相當(dāng)于=1.98ppm以上的氣體濃度，這種低頻噪聲難以濾除。幸好傳感器響應(yīng)非常慢，因此由R6和C7構(gòu)成的低通濾波器可以具有的截止頻率。此濾波器的時(shí)間常數(shù)秒，在傳感器最大響應(yīng)時(shí)間30秒之內(nèi)。

2、協(xié)調(diào)器

協(xié)調(diào)器硬件要實(shí)現(xiàn)CC2530與PC機(jī)串行通信。CC2530的無線射頻電路參考TI公司給出的設(shè)計(jì)方案，天線采用50Ω鞭狀天線。CC2530支持串口通信的UART模式，設(shè)置CC2530的寄存器PERCFG.U0CFG位為1，將USART0的RX和TX選擇到位置1，引腳功能選擇P0.2和P0.3通過MAX2323和PC的串口相連，如圖3所示。路由器電路不要與PC機(jī)連接，所以比圖3簡(jiǎn)單，只需無線射頻部分。

圖3 協(xié)調(diào)器電路

三、軟件設(shè)計(jì)

1、毒性氣體采集

將傳感器的輸出連接到CC2530單片機(jī)的內(nèi)置ADC差分輸入通道P0.0和P0.1口，經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換成功后，將采集的毒性氣體濃度數(shù)據(jù)封裝，利用ZigBee協(xié)議棧中的定時(shí)函數(shù)osal_start_timerEx()，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的周期性發(fā)送。圖4為毒性氣體采集流程圖。

圖4 毒性氣體采集流程圖圖5協(xié)調(diào)器程序流程圖圖6路由器程序流程圖

2、ZigBee組網(wǎng)

ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器、路由器和終端節(jié)點(diǎn)這三種設(shè)備類型，是由ZigBee協(xié)議棧的編譯選項(xiàng)來選擇的。在ZigBee協(xié)議棧ZStack-CC2530-2.4.0-1.4.0中，對(duì)于協(xié)調(diào)器，在編譯軟件IAR的Workspace區(qū)域的下拉菜單中選擇CoordinatorEB-Pro；對(duì)于路由器，在下拉菜單中選擇RouterEB-Pro；對(duì)于終端節(jié)點(diǎn)，要選擇EndDeviceEB-Pro。

協(xié)調(diào)器主要作用是建立一個(gè)網(wǎng)絡(luò)和配置該網(wǎng)絡(luò)的性質(zhì)參數(shù)。一旦這些完成，該協(xié)調(diào)器就成為一個(gè)路由器，其程序流程圖如圖5所示。當(dāng)協(xié)調(diào)器收到路由器或終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送來的數(shù)據(jù)時(shí)，首先使用osal_msg_receive()函數(shù)，從消息隊(duì)列接收到消息，然后通過GenericApp_MessageMSGCB()函數(shù)將接收到的數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送給PC機(jī)。協(xié)調(diào)器中有串口初始化以及串口數(shù)據(jù)處理部分，而路由器和終端節(jié)點(diǎn)不需要與PC機(jī)進(jìn)行交互，只需要執(zhí)行數(shù)據(jù)采集和傳輸即可，需要注意的是路由器需要進(jìn)行數(shù)據(jù)的路由轉(zhuǎn)發(fā)，所以路由器不可以休眠，但是終端節(jié)點(diǎn)可以休眠。在ZigBee協(xié)議棧中進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送可以調(diào)用AF_DataRequest無線發(fā)送數(shù)據(jù)包函數(shù)實(shí)現(xiàn)，該函數(shù)會(huì)調(diào)用協(xié)議棧里面與硬件相關(guān)的函數(shù)，最終將數(shù)據(jù)通過天線發(fā)送出去，這里面涉及對(duì)射頻模塊的操作。路由器主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)包的路由選擇，和進(jìn)行RSSI（Received Signal Strength Indicator，接收信號(hào)強(qiáng)度指示）定位，其程序流程圖如圖6所示。

系統(tǒng)的整體工作過程如下：由協(xié)調(diào)器成功創(chuàng)建ZigBee網(wǎng)絡(luò)后，等待路由器和終端節(jié)點(diǎn)加入；路由器或終端節(jié)點(diǎn)上電后，自動(dòng)查找空間中的ZigBee網(wǎng)絡(luò)，找到后即可加入網(wǎng)絡(luò)，并把該節(jié)點(diǎn)的物理地址發(fā)送給協(xié)調(diào)器；當(dāng)PC機(jī)想要獲取某一終端節(jié)點(diǎn)的毒性氣體濃度時(shí)，向串口發(fā)送終端節(jié)點(diǎn)的物理地址及檢測(cè)命令，經(jīng)協(xié)調(diào)器發(fā)送，經(jīng)路由器尋找對(duì)應(yīng)的終端節(jié)點(diǎn)；終端節(jié)點(diǎn)接收到命令后，啟動(dòng)內(nèi)部ADC進(jìn)行毒性氣體濃度檢測(cè)，并向協(xié)調(diào)器發(fā)送監(jiān)測(cè)結(jié)果。終端節(jié)點(diǎn)也可以定時(shí)地、主動(dòng)地向協(xié)調(diào)器發(fā)送毒性氣體濃度監(jiān)測(cè)結(jié)果。

四、終端節(jié)點(diǎn)的功耗分析

為了降低整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的綜合能耗，終端節(jié)點(diǎn)采用“休眠——喚醒采集濃度數(shù)據(jù)并發(fā)送——休眠”低功耗工作模式。終端節(jié)點(diǎn)使用兩節(jié)1.5V的AA電池供電。市面上每節(jié)AA電池的電量為1500mA.h，對(duì)于兩節(jié)AA電池，總電量為3000mA?h，即電池以1mA電流放電，可以持續(xù)放電3000小時(shí)，同理，如果放電電流為1000mA，則可以連續(xù)放電3小時(shí)。由于終端節(jié)點(diǎn)的傳感器工作電路和數(shù)據(jù)發(fā)送的電流共需約60mA，則兩節(jié)AA電池可以使終端節(jié)點(diǎn)連續(xù)工作50小時(shí)。由于氣體監(jiān)測(cè)無須連續(xù)工作，假設(shè)終端節(jié)點(diǎn)每2小時(shí)工作60秒，每天共工作720秒，其它時(shí)間都在休眠（休眠時(shí)工作電流在微安級(jí)，相比而言，可以忽略不計(jì)）。這樣可以計(jì)算出兩節(jié)AA電池可以使終端節(jié)點(diǎn)工作的時(shí)間為：503600/720=250天。這些分析是針對(duì)終端節(jié)點(diǎn)，對(duì)于路由器和協(xié)調(diào)器而言，要長(zhǎng)期供電來確保數(shù)據(jù)的正確路由，所以一般不談低功耗問題。

五、結(jié)束語

本文基于ZigBee協(xié)議棧ZStack-CC2530-2.4.0-1.4.0，設(shè)計(jì)了一個(gè)無線毒性氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了該系統(tǒng)具有組網(wǎng)靈活、開發(fā)成本低、準(zhǔn)確度高、能量消耗低，并且安裝維護(hù)比較簡(jiǎn)單，只需一次安裝就可以長(zhǎng)期使用，具備了傳統(tǒng)氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)無法比擬的優(yōu)勢(shì)，較好地解決了傳統(tǒng)氣體監(jiān)測(cè)中效率低下、易產(chǎn)生監(jiān)測(cè)盲區(qū)等問題。

[1]基于電化學(xué)傳感器的ADI微功耗有毒氣體檢測(cè)解決方案[EB/OL].http://www.analog.com/zh/content/gas_detection_and_analysis_solution_2012/fca.html,2012-07-10．

[2]李勛濤，余曉芬，胡佳文等.有毒氣體無線監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2010，23(6)：888-891．

[3]章偉聰，俞新武，李忠誠.基于CC2530及ZigBee協(xié)議棧設(shè)計(jì)無線網(wǎng)絡(luò)傳感器節(jié)點(diǎn)[J].計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用，2011，20(7)：184-187．

[4]王小強(qiáng)，歐陽駿，黃寧淋.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2012.5-7．

[5]高守瑋，吳燦陽．ZigBee技術(shù)實(shí)踐教程[M]．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2009.404-417．

TP393

A

1671-5136(2014)02-0129-03

2014-04-23

2012年度湖南省高等學(xué)?？茖W(xué)研究項(xiàng)目（編號(hào)：12B011）。

朱志偉（1976-），男，湖南衡山人，長(zhǎng)沙民政職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息工程學(xué)院副教授。研究方向：電力電子技術(shù)與嵌入式系統(tǒng)技術(shù)。