气体检测报警系统_基于ZigBee网络的气体监测报警系统设计
时间：2020-03-11 07:19:49 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
文章编号：1003-6199(2011)04-0122-04� 摘 要：针对现有气体监测系统的不足，提出一种基于ZigBee技术的气体监测报警系统。该系统采用TI公司的CC2430作为主控芯片，终端节点通过MQ-9气体传感器的负载电压变化来判断气体是否超标，并驱动蜂鸣器和LED指示灯闪烁报警，同时通过ZigBee网络发送警报消息至协调器节点，协调器节点收到警报消息后，通过协调器串口连接的GSM模块，将气体超标警报消息发送至用户手机。
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关键词：无线传感器网络；ZigBee；气体传感器；监测系统；报警系统�
中图分类号： TP393 文献标识码：A
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Design of Gas Monitoring and Alarm System Based on ZigBee Network
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LUO Zhong�liang�1，WANG Hua�bin�2， WU Jing�1，LIU Gang�3�
（1.Dept. of Electronic Science,Huizhou University,Huizhou 516007,China ；�
2.Dept. of Computer Science,Huizhou University,Huizhou 516007,China；�
3.Dept. of Computer Engineering, Nanhai College , South China Normal University ,Foshan 528225, China）
Abstract:Aiming at the shortage of gas monitoring system, a new gas monitoring and alarm system based on ZigBee network is put forward. The system uses TI"s CC2430 as the master chip, the terminal nodes through the MQ-9 gas sensors to determine the load voltage is excessive gas, and drive the alarm buzzer and flashing LED lights, and send alert messages via a ZigBee network to coordinator node.The coordinator node receives an alert message through the serial port connection coordinator GSM module, and put the gas exceeded the alert message sent to the user"s mobile phone.
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Key words:wireless sensor networks；zigBee；gas sensor；monitoring system；alarm system
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1 引 言�
近年来，全国燃气行业发展迅猛，液化气 天然气 煤制气等城市燃气作为清洁能源已在工商业和城镇居民用户中得到广泛应用，燃气行业发展潜力巨大,根据国务院发展研究中心市场经济研究所的调查预测，未来的五年，我国城市居民家庭对可燃气体报警器产品的需求旺盛。因此，在石油化工、安全生产、环境监测、智能家居等领域，对气体尤其是有毒或可燃气体成分的监测是必不可少的一项目内容［1-2］。 在许多情况下，常常要对气体的浓度进行必要监测，若某些气体浓度过高，则可能给家庭、工业生产或国家造成巨大损失［1］。可燃气体报警器通过将气体传感器探头安装在充满可燃、易爆 有毒、有害气体的环境中，尤其在生产运输等场所可燃气体报警器可以更早的探测到有毒、有害和可燃气体的存在，当气体超过了报警极限后发出动作，将事故控制在事故发生率最低的情况下，起到提前预防的功效。然而目前大部分气体监测系统存在很多不足：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基础通信设施［1-3］。本文以分布于各监测现场的传感器，如家居报警可通过半导体气体传感器分别检测厨房、浴室等现场危险气体浓度。再采用TI公司的CC2430芯片为主控芯片设计的ZigBee无线传感器网络将现场信息发送出去，在协调节点通过GSM模块进行远距离的传输，实现对危险环境的远程监测。所设计的气体监测报警系统，具有安全、抗干扰、高灵敏度、低功耗，高寿命等特点，同时可实现四道防护。第一，现场声光报警；第二，现场排除气体；第三，安全监控，协调节点声光报警并驱动LCD显示相关信息；第四，远距离交互，通过GSM模块向远距离发送报警信息给指定手机。这样可满足工业控制、工业无线定位、家庭网络、楼宇自动化、消费产品等多个领域的应用需求。
2 ZigBee技术介绍�
ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本、高寿命的无线网络通信技术，工作在2.4GHz的ISM频段上，传输速率为20 kb/s-250 kb/s，传输距离为10m-75m。适用于无线传感器网络、自动控制和远程监测报警等领域。ZigBee无线网络采用IEEE.802.15.4通信标准的物理PHY层和链路MAC层。IEEE802.15.4是高可靠、高性价比、低功耗的网络通信标准，也是低速率无线个人区域网络（LR-WPAN）指定的无线通信标准。该标准把低能量消耗、低速率传输、低成本作为重点目标，旨在为个人或家庭内不同设备之间低速率无线互连提供统一标准。ZigBee协议在IEEE802.15.4的基础上进行了完善和扩展，定义了系统的高层，包括网络层、应用汇聚层和高层应用规范［4］，其体系结构如图1所示。ZigBee联盟还开发了安全层，以保证这种便携设备不会意外泄漏其标识，而且这种利用网络的远距离传输不会被其它节点获得。
3 系统设计总体方案�
本文采用的是基于树簇型分层次网络结构，系统主要由GSM模块、协调器、路由节点、终端节点及MQ-9气体传感器组成。终端节点主要负责采集一氧化碳、甲烷、液化气的浓度，通过MQ-9传感器测量各气体浓度，通过调整电路输出气体浓度对应的电压。此电压通过AD转换后和危险气体对应的报警浓度进行多次比较，以启用声光报警，给现场人员提醒，通过控制程序自动接通排气扇进行排气，同时将报警信息通过CC2430无线收发模块间接或直接的传递给协调器，在家居安全报警时协调器一般放在客厅，以提醒危险场所以外的人员采取处理策略。另外设计中还将协调器通过串口与GSM模块连接，将报警信息以短信方式传送给用户定义的手机，告知用户气体超标信息，以多层次报送危险报警信息。由于MQ-9气体传感器对一氧化碳、甲烷，液化石油气具有很高的灵敏度和良好的选择性，所以系统的实用性较高。系统总体设计方案如图2所示。��
4 系统硬件设计�
ZigBee网络节点主要由数据采集模块、数据处理器模块、无线通信(数据收发)模块和供电模块构成。采集模块通过监测气体浓度，将气体浓度的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［5-9］。�
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，CC2430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［6-8］，可充当ZigBee网络中的协调器、路由节点或终端节点三种角色。终端采集节点（亦可设置为路由节点）方案如图3所示。��
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4.1 采集节点硬件设计�
CC2430采集节点硬件电原理图如图4所示。4.2 传感器报警电路设计�
气体监测采用MQ-9气体传感器。MQ-9气体传感器采用高低温循环检测方式，低温（1.5V加热）检测一氧化碳，高温（5.0V加热）清洗低温时吸附的杂散气体同时检测甲烷与液化石油气。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。对一氧化碳、甲烷，液化石油气具有很高的灵敏度和良好的选择性。当CO弄到达到100pm时，对人身安全会造成一定危害。通过MQ-9气体传感器特性曲线的计算，在设计电路中给定负载电阻为5.5 KΩ时，当气体浓度达到100ppm时（危险浓度），负载电压为2V。CC2430通过 ADC采样通道P0.7脚对调整电路输出端进行采样，当采样电压超过标准值2V时，P0.1脚驱动继电器打开排气扇；P1.1脚驱动LED闪烁；P1.3脚驱动蜂鸣器报警，同时将信息传送到协调节点或附近的路由节点。设计的电路图如图5所示。
5 系统软件设计�
ZigBee开发环境是TI公司的Zstack，本系统中采用ZStack-1.4.2-1.1.0，开发工具使用IAR。
5.1 ZigBee网络组建与绑定�
在开发系统定义各节点属性，并下载程序后，当协调器投入运行时，会自动形成网络，其它节点自动寻找合适的能耗最小的信道加入网络。当网络形成并稳定之后，节点指示灯亮，执行应用层事件ZDO_STATE_CHANGE。在协调器的ZDO_STATE_CHANGE事件中添加允许绑定zb_AllowBind()函数，时间为16s。在节点的ZDO_STATE_CHANGE事件中添加绑定请求zb_BindDevice()，在16S内循环直到绑定成功。修改好的子节点将自动加入网络并与协调器进行绑定。
5.2 气体浓度检测与消息发送�
CC2430内部带有12位的AD转换器，通过P0.7引脚采集煤气检测模块得到的电压，判断其是否大于标准值。如果采集得到的电压大于标准值，CC2430模块驱动蜂鸣器、LED闪烁灯作为报警，并发送消息给协调器。协调器收到消息，在LCD上显示警报信息，闪烁灯作为报警提示。
5.3 协调器与GSM模块通信�
ZigBee协调器通过串口与GSM模块相连接，当收到警报消息时，触发事件UART_TX_CB_EVT，协调器串口写入命令消息给GSM模块。当接收到返回消息时，接着写第二条命令，直到发送数据完成。
5.4 软件流程图�
根据上面设计功能论述和原理说明，系统终端节点（如设置成路由节点，程序一致）、协调器节点软件流程图如图6所示。�
6 结 论�
本设计采用TI公司的CC2430芯片为主控芯片，设计了一种基于ZigBee技术的气体监测报警系统，其电路简单，结构紧凑，功能强大，适合于石油化工、安全生产、环境监测、智能家居等领域。所研制的气体监测报警系统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。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。
参考文献�
［1］ 张芳.浅析可燃气体报警器的应用及其发展前景［J］ 广西轻工业, 2011.2：24-25.�
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［7］ Texas Instruments．CC2430：A True System�on�Chip Solution for 2.4 GHz IEEE802.15.4/Zigbee［Z/OL］. (2005-09-14). http//www.省略/.�
［8］ 崔振宇，王荣良．基于ZigBee技术的遥感控制系统［J］．计算机测量与控制，2010，18（8）：1802-1804.�
［9］ 吕西午，刘开华，赵岩．基于Zigbee的无线监测系统设计与实现［J］．计算机工程，2010，36（5）：243-244，247.省略)；汪华斌(1978―)，男，江西婺源人,讲师，硕士，研究方向：网络与计算机通信。
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