基于ZigBee 的空气质量监测系统的研究设计

王霞，宋越

(1.泰州职业技术学院，江苏 泰州 225300;2.泰州市人民检察院，江苏 泰州 225300)

0 引言

近年来，在石油化工领域中，由于各种原因导致的毒气泄漏，气体爆炸等造成人员伤亡的事件时有发生，给人民的安全，给国家的经济造成了很大的损失。因此，为了避免发生重大事故和保障人民的生命财产安全，就必须具有现代化的管理体系和监控设施。

本文提出了一种基于ZigBee 无线技术的工业现场空气质量监测方案。利用终端传感器采集到的空气质量参数，通过ZigBee 无线传感网络实时地将数据发送到监控室，集中监测各个工业现场的空气质量状况。一旦发现问题，及时报警提醒工作人员采取有效地措施，有效避免重大事故的发生。

1 系统的方案设计

1.1 系统的功能概述

空气质量监测系统作为工业管理体系中的“实施和监测”环节，实时监测空气质量的状况，并实时传送到工厂的管理网络中，以提供实时、准确的现场数据。

系统将工业现场检测到的空气质量状况发送给管理网络后，监控室内的PC 机实时监测现场变化状况，一旦发现现场空气状况异常，立刻报警通知现场工作人员采取有效的措施，从而保障人们的生命财产安全。系统能够检测多个空气质量参数，主要包括:温度、湿度、CO 含量、CO2含量以及空气质量。系统还预留了多个扩展接口，可以根据实际需求，添加气体传感器模块。整个系统的技术指标如表1 所示。

表1 系统技术指标

1.2 系统的整体结构设计

空气质量监测系统由检测终端、无线路由器、无线网关以及基于PC 机的监测软件组成。系统的整体结构如图1 所示。

图1 系统整体结构图

由于在企业控制室或办公室安装空气质量监测系统时，铺设与各检测终端间的通信电缆是十分不便的，因此本空气质量监测系统在各检测终端与PC 机间采用无线通信，这不仅便于初始安装，也便于随时更换检测终端在室内的位置。

系统的无线通信部分采用了ZigBee 无线网络技术［2］。ZigBee 标准是基于802.15.4 协议栈而建立的，具备了强大的设备联网功能，它可支持3 种主要的无线网络拓扑结构，即星型结构、簇状结构(Cluster tree)和网状结构(Mesh)。其中的网状结构具有自组织能力以及很强的网络健壮性和系统可靠性。本系统正是采用了网状结构实现设备间相互通信的。

系统的工作原理:

1)无线网关组建网络，形成本网路特定的网络ID，无线路由器和检测终端自动搜索网络，找到与自身匹配的网络ID 后加入网络;

2)检测终端实时检测工业现场的温度、湿度、CO 含量、CO2含量以及空气质量，并将检测到的结果通过无线方式直接发送给网关，或通过无线路由器转发给无线网关;

3)无线网关收到终端发来的数据后，将数据通过USB 口上传给PC 机;

4)PC 机进一步处理发来的数据，实时监测各个现场的空气质量状况。

2 系统的硬件设计

系统的硬件由检测终端、无线路由器以及无线网关这三部分构成。

2.1 检测终端的设计

检测终端主要功能是检测空气中多种气体参量，主要包括:温度、湿度、CO 浓度值、CO2 浓度值以及空气质量等级指标，并将检测到的数据实时地通过ZigBee 无线方式发送给网关。

检测终端主要由传感器、信号变换电路、A/D 转换电路、微处理器、无线射频模块以及电源模块组成。温度、湿度、CO、CO2以及空气质量传感器将检测到的结果经信号变换、A/D 转换后，由微控制器读入并做工程量转换，再通过Zigbee 无线模块发送给网关。其中CO2传感器采用红外检测法［3］，红外检测法具有测量精度高、可靠性强、寿命长等特点，利用这一方法可准确测量空气中CO2的含量;CO 传感器采用的是电化学检测法，它是通过传感器的氧化还原反应，将CO 气体转化为与之成正比的电流信号，电化学传感器是目前工业上用于测量有毒气体的主流方法，使用这种方法测量精度高、反应灵敏高。除此之外，为了能更快速地和周围空气保持流通，检测终端内部还装有微型轴流风扇，起到散热的作用。检测终端的结构如图2 所示。

图2 检测终端结构图

2.2 无线路由器的设计

由于建筑物结构空间、距离不同，房间之间墙体结构不同，在检测终端与网关之间，可能存在无线信号无法一次接收得到的情况，这时就需要增设无线通信路由器设备。根据室内分布和墙体的具体情况，需要安装一个或多个带有Zigbee 模块的路由器节点。检测终端中的数据，通过无线通道将数据发到所属的路由器节点，路由器节点通过路由把数据传送到网关，网关再把数据传输到PC。这种方式网络结构简单，形成网状和簇树交错的拓扑结构，易于实现。

无线路由器由微处理器、无线射频模块以及稳压电源模块组成。其中电源模块采用交流电源供电，从而保证路由器能长时间、高效率的工作。无线路由器的硬件结构如图3 所示。

图3 无线路由器结构图

2.3 无线网关的设计

系统的无线网关实际上担当着ZigBee 网络中的协调器的角色，ZigBee 网络中包含3 种设备类型:即ZigBee 协调器、路由器以及终端设备。协调器是整个ZigBee 网络的中心，它负责建立、维持和管理网络、分配网络地址等功能。本系统中网关在组建完网络后，等待终端发来数据，然后将收到的数据通过USB 接口上传给PC 机。

无线网关主要由微处理器、无线射频模块、USB 通信模块［4］以及电源转换模块组成。其中微处理器与USB 模块间采用串口(UART)通信;网关采用USB 供电，电源转换模块是将USB 电压转换为微处理器的工作电源。无线网关的硬件结构如图4 所示。

图4 无线网关结构图

3 系统的软件设计

系统软件由下位机和上位机这两部分软件组成。其中下位机软件主要完成数据的采集和传输，上位机软件则完成数据的接收和处理。

3.1 下位机软件的设计

下位机软件主要包括:各硬件设备的初始化工作、检测终端的数据采集以及数据的传输。系统采用的是Zig-Bee 无线通信技术，而本系统下位机软件是基于TI 的ZStack 协议栈基础上开发的［5］。

1)各硬件设备的初始化工作。在设备通电后，需要完成硬件平台和软件架构所需要的各个模块的初始化，为操作系统的运行做好准备。初始化工作主要包括:初始化芯片的各个硬件模块、初始化系统时钟、初始化堆栈、初始化Flash 存储器、形成终端的MAC 地址、初始化一些非易失变量、初始化MAC 层、初始化应用框架层以及初始化操作系统。

2)检测终端的数据采集。检测终端内置多个传感器，主要测量温湿度值、CO 和CO2浓度值以及空气质量等级指标。微处理器读入各个传感器采集到的数据，然后进行相应的计算和软件滤波处理。其中软件滤波是很重要的一个步骤，用于去除一些受干扰的数据，提高数据的准确性。数据采集的流程如图5 所示。

图5 检测终端数据采集流程图

检测终端数据采集程序通过调用Temperature()、Humidity()、AIR_sensor()、CO2_sensor()以及CO_sensor()这五个函数，用于采集空气中的温度、湿度、空气质量、CO2以及CO 参量。由于系统是实时监测工业现场的空气质量变化状况，因此，这五个函数是定时被调用的，定时时间可根据实际需求设定。

3)数据的传输。检测终端采集这5 个参数后，将它们按照一定的格式排列，并在数据串前头加入终端设备的MAC 地址，然后进行打包保存。其中，MAC 地址是在PC机收到数据包时，用于区分哪个终端发来的数据，这样，一个网络里面就可以同时存下若干个终端设备了。

终端在将打包好的数据发送前，先要检测区域内是否有可用的ZigBee 无线网络。当发现周围有允许的网络后，加入网络，然后将数据无线发送出去，网络将根据最佳路径最终将数据发送给无线网关。网关将收到的数据通过串口发送给USB 模块，USB 模块再将数据通过USB 线上传给PC 机。这里，USB 模块与PC 机正常通信前，应根据USB 芯片的型号，在PC 机上安装对应型号的虚拟串口驱动程序。

3.2 上位机软件的设计

上位机软件是系统人机交互的主要方式，用户可以从中读取信息或者输入命令来控制系统的工作状态。PC 机通过USB 接口将工业现场的数据读入后，上位机软件对其进行一定地处理，然后将结果以图形和文字的方式直观的展现给用户，用户只需在监控室内，就能够观察各个现场的空气质量状况。

本系统借助VB 语言设计图形界面的特点，设计空气质量监测系统软件。监测软件的程序流程如图6所示。

图6 中，初始化图形界面主要包括:初始化各个气体参数柱形图和曲线图、初始化串行通信端口以及初始化工作状态等信息。串行通信端口的设定需要查看PC 机在安装虚拟串口驱动程序时分配的串口号。程序通过调用VB 中的串口控件(MSComm)，将数据包读入程序内，然后对数据包进行解析，提取数据包内的终端MAC地址、温度、湿度、CO2含量、CO 含量以及空气质量信息。程序将提取的MAC 地址转换为终端设备号，并且根据提取的五个空气质量参数调用柱形图和曲线图显示函数，在对应终端设备号的监测画面中实时更新空气质量信息。

图6 监测软件程序流程图

4 结语

本文设计的空气质量监测系统，能够实时、准确地监测工业现场的空气质量状况。一旦发现问题，快速报警提示工作人员采取有效措施，达到早发现早治理的目的，从而保障人员的生命财产安全。

整个系统具有如下特点:

1)多种气体同时测量。由于终端内置多个传感器，可变单一成分的检测为多种主要成分的检测。并且终端预留了扩展接口，可根据实际需要，增加多个气体传感器。

2)测量精度高、速度快。空气质量监测系统中的CO2采用红外检测法，CO 采用电化学检测法，使用这两种方法可以定量测出空气中CO2和CO 的浓度值。测量精度高，反应灵敏。

3)监控范围广。系统无线通信部分采用了ZigBee 无线网络技术。ZigBee 技术的特点之一就是网络容量大，最多能容纳多达65 000 多个节点。因此，一个无线网络可以容纳若干个检测终端，能适应大规模的监控。

［1］Shang Rubin，Chen Jun，Industrial Engineering Institute of Chinese Mechanical Engineering Society(IEI/CMES)et al.HSE Management System＇s Influence on Traditional Facility Management in Petrol-chemical Industry (ID:8-062)［A］.13th International Conference on Industrial Engineering and Engineering Management vol.5:Industrial Engineering and Management Innovation in New-era［C］.2006 .

［2］Shizhuang Lin，Jingyu Liu，Yanjun Fang.ZigBee Based Wireless Sensor Networks and Its Applications in Industrial［A］.2007 IEEE International Conference on Automation and Logistics (ICAL 2007)，vol.4［C］.2007.

［3］SeungHwan Yi，YoungHwan Park，SeungOh Han.NOVEL NDIR CO{sub}2 SENSOR FOR INDOOR AIR QUALITY MONITORING［A］.13th International Conference on Solid-State Sensors，Actuators and Microsystems (TRANSDUCERS ＇05)，vol.2［C］.2005.

［4］彭琰.USB 设备控制器的硬件电路设计与实现［D］.长沙:湖南大学，2009.

［5］高守玮，吴灿扬.ZigBee 技术实践教程:基于CC2430/31 的无线传感器网络解决方案［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2009.