基于ZigBee的無線氣體監測系統的設計方案

0 引言

傳統的氣體監測系統是以電線和電纜作為基礎傳輸介質組成的數據采集系統。目前常用的解決方案是在監控現場，將傳感器布置在需要監測的關鍵位置，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送到上位機，進行實時數據采集。如果需要監測的區域很大，需要很多傳感器，相應的監測點分散，這種傳統的有線方式就會存在線路布設復雜，接線繁瑣，安裝造價高，后期的電纜維護成木高等問題。由于有線氣體監測系統木身的局限性，許多特殊環境下的網絡覆蓋和網絡支持仍然是個難題。比如在某些工業現場，一些工業環境禁止或限制使用電纜，而在其他一些工業環境要求完全把電纜屏蔽起來以高度防止來自大多數工業設施中的機器或其它無線電控制設備的干擾，更有一些高速旋轉的設備根木無法通過電纜來傳輸數據信息。這種傳統的串行集中式監測系統很大程度上影響系統的處理速度和系統的可靠性和靈活性。

鑒于上述情況，氣體監測系統設計趨向于無線監測方式，用分布式的無線技術來代替傳統的集中式有線技術，實現傳感器和數據采集系統之間的直接通訊。無線傳感器網絡的出現和發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議后選擇了低成本、低功耗和低速率的ZigBee協議，設計了一種基于ZigBee的無線氣體監測系統。

1 系統整體設計

1.1 系統的組成與結構

整個監測系統由監測主機和ZigBee無線傳感器網絡組成，如圖1所示。這是。個層次型網絡結構，最底部為傳感器終端節點（即無線氣體檢測變送器），向上依次是路由器，協調器和監控主機。監控主機上運行有數據管理軟件，為用戶提供氣體監控網絡中的數據訪問界面，并能夠通過協調器訪問終端節點的測量數據，并將數據保存，為用戶提供數據查詢、分析或報表生成服務。ZigBee網絡負責數據的采集，它由協調器、路由器、終端節點和報警器組成。終端節點將監測到的數據傳給路由器；路由器將終端設備上傳的信息整合處理，再將數據發送給協調器；協調器將采集的數據上傳給監控主機或者將監控主機的命令在網絡中發送出去；報警器負責接收路由器發送的數據，如果數據超限則發送報警信號。整個網絡中數據的傳輸具有就近原則，如果協調器距離比路由器近，終端節點會直接傳輸數據到協調器。

圖1 系統總體設計

1.2 系統的特點

無線氣體監測系統具有以下幾方面的特點：

（1）采用ZigBee技術作為無線通訊方式

目前常用的無線通信技術有Wi—Fi、超寬帶通信UWB、藍牙、紅外數據通信IrDA、ZigBee等，綜合比較了以上幾種無線通信方式，zigBee技術具有省電、通信可靠、成本低廉、網絡容量大、白組織能力強等優點，因此ZigBee技術能夠很好的應用于無線氣體監控系統。

（2）低功耗

系統的終端節點—— 無線氣體檢測變送器數量多，由電池供電，往往放置存無人值守的地方，不便更換節點的電池，因此實現節點的低功耗，既是捉高節點性能的重要指標，也是延長整個系統生命周期的重要下段。該系統的無線氣體監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計
2.1 無線氣體檢測變送器的硬件設計

無線氣體檢測變送器是整個系統的前端采集設各，也是系統最核心的組件，該變送器由中央處理單元、測量電路、A/D轉換、數字顯示、RF無線通信等單元電路組成。敏感元件產生的信號繹線性放大后，經A/D轉換器轉換，直接送往單片機進行數據處理，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驅動器、采用納瓦技術的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，空閑時開啟外設但關閉CPU，休眠時則關閉CPU和外設；A/D轉換單元采用的是TI公司的12位AD，采樣速度在200kSPS的ADS7866，在此A/D轉換單了亡中ADS7866的～作電壓存1.3 V，達到了節省功耗的目的。

運算放大器采用LTc1495，工作電流僅為1.5 uA，±2.5V穩壓芯片也采用低功耗芯片，在滿足性能需要的基礎上，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標準的無線收發芯片AT86RF212，我圍無線個域網標準經無線電委員會批準，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。