基于ZigBee的毒性气体监测系统的设计

朱志伟 刘湘云

（长沙民政职业技术学院电子信息工程学院，湖南长沙 410004）

基于ZigBee的毒性气体监测系统的设计

朱志伟 刘湘云

（长沙民政职业技术学院电子信息工程学院，湖南长沙 410004）

针对毒性气体自动监测的要求，提出了一种基于Zigbee无线传感器网络技术的监测系统。采用CO-AX传感器采集一氧化碳浓度，经过信号调理电路，利用ZigBee控制芯片CC2530对数据进行A/D转换和无线收发。文中给出了协调器、路由器及终端节点的硬件原理图及相应程序流程图，并对终端节点的能耗进行分析。系统适于安装到有线网络延伸不到的区域，能够实时、准确地监测毒性气体的浓度信息。

ZigBee；电化学传感器；CC2530；毒性气体监测；功耗分析

引言

随着人类文明的高度发展，对工农业各种废气及室内装修散发的毒性气体的排放进行严格控制成为当今社会的共同呼声。当前市面上的众多空气净化装置不能判断环境中是否存在毒性气体，只能盲目长时间开启净化装置，因此，开发具有无线化、网络化、自动化等特点并能对毒性气体进行定量定性分析的毒性气体监测系统或设备已成为当务之急。

目前人们对气体的检测手段主要方法有以下几种：热导分析、磁式氧分析、电子捕获分析、紫外吸收分析、光纤传感器、半导体气敏传感器、化学发光式气体传感器、化学分析、电化学传感器。在众多的检测设备中，如化学发光式气体分析仪等，虽然具有检测灵敏度高、准确性强等优点，但由于体积庞大，不能用于现场实时监测，而且价格昂贵，超出一般检测用户的承受能力，所以其应用受到很大限制。其它一些检测设备，如半导体气敏传感器，灵敏度虽然比较高，但稳定性较差，工作温度大多数在300℃以上，需要加热装置，一般只能用作报警器。相对而言，电化学传感器既能满足一般检测中对灵敏度和准确性的需要，又具有体积小、操作简单、携带方便、可用于现场监测且价格低廉等优点。

ZigBee无线传感器网络广泛应用于军事侦察、环境监测、目标定位等领域，能够实时地感知、采集和处理网络覆盖范围内的对象信息。本文采用了TI公司的CC2530无线射频ZigBee控制器，很好地解决了功耗和成本问题，而且也有效地扩展了数据的传输范围。

一、系统总体结构与功能

ZigBee毒性气体监测系统总体结构如图1所示。系统由信号采集终端节点、用于延长通信距离的路由器以及协调器组成。终端节点检测的气体浓度，经过路由器中继的无线接力，将所有数据传输到远距离外的带有协调器节点的监控中心。基于PC机的监控中心不仅有友好的人机界面，而且具有系统历史记录查询和声光报警等功能。

图1 系统总体结构示意图

二、系统硬件设计

1、传感器与毒性气体采集终端节点

由于一氧化碳的IDLH（Immediately Dangerous to Life or Health concentration，立即威胁生命和健康的浓度）远高于大多数其它有毒气体，所以本文采用的电化学传感器是Al-phasense公司的CO-AX一氧化碳(CO)传感器。CO-AX的灵敏度在55 nA/ppm至90 nA/ppm之间，典型值为65nA/ppm；其检测响应时间一般小于30秒；最大准确检测上限可达2000 ppm。

图2为毒性气体采集终端节点电路Q1为P沟道结型场效管，在CC2530的控制下，当栅极电压为高时，场效管导通，CO-AX参比电极RE和工作电极WE处于短路状态，这样延长了传感器的使用寿命，并且缩短了气体检测开启的响应时间。当栅极电压为低时，场效管关断，CO-AX传感器在恒电位状态下工作。与气体浓度成正比的电流信号从WE流出，经跨阻放大器U2A送至CC2530。

图2 毒性气体采集终端节点电路

为使系统实现单电源供电，微功耗基准电压源ADR121输出2.5 V。双通道微功耗运算放大器AD8502在跨阻放大（U2A）和恒电位设置（U2B）下使用。跨阻放大器U2A的输出电压为：

由于CO-AX传感器的最大响应为90 nA/ppm，其最大输入范围为2000 ppm。因此，输出电流i的最大值为90nA2000=180μA，输出电压。调整R5的值，可以使不同类型的电化学气体传感器适应于本电路。节点采用+3.3V单电源供电，根据公式（1）可知，差动放大器输出范围为3.3V-2.5V=0.8V。如果将R5设置为4kΩ，即使在传感器最大灵敏度情况下，也能提供大约10%的超量程能力；在传感器最低灵敏度情况下，人体长时间接触允许的浓度50ppm时，还能提供55nA 504 kΩ=11mV的最少输出信号。将VOUT接至P0.0脚，将2.5V基准电压接至P0.1脚，配置CC2530的寄存器ADCCON3实现ADC为差分输入，从而消除公式1中的2.5V项。电阻R4使跨阻放大器U2A的噪声增益保持在合理水平。R4的值需权衡两个因素：噪声增益的幅度和暴露于高浓度气体时传感器的建立时间误差。对于本电路，R4=47 Ω，由此可计算噪声增益。运算放大器AD8502在0.1 Hz至10 Hz输入噪声峰-峰值电压为6 μV，因此输出端的噪声为：866 μV=516 μV。根据传感器的灵敏度，可知该输出噪声相当于=1.98ppm以上的气体浓度，这种低频噪声难以滤除。幸好传感器响应非常慢，因此由R6和C7构成的低通滤波器可以具有的截止频率。此滤波器的时间常数秒，在传感器最大响应时间30秒之内。

2、协调器

协调器硬件要实现CC2530与PC机串行通信。CC2530的无线射频电路参考TI公司给出的设计方案，天线采用50Ω鞭状天线。CC2530支持串口通信的UART模式，设置CC2530的寄存器PERCFG.U0CFG位为1，将USART0的RX和TX选择到位置1，引脚功能选择P0.2和P0.3通过MAX2323和PC的串口相连，如图3所示。路由器电路不要与PC机连接，所以比图3简单，只需无线射频部分。

图3 协调器电路

三、软件设计

1、毒性气体采集

将传感器的输出连接到CC2530单片机的内置ADC差分输入通道P0.0和P0.1口，经过数模转换成功后，将采集的毒性气体浓度数据封装，利用ZigBee协议栈中的定时函数osal_start_timerEx()，实现数据的周期性发送。图4为毒性气体采集流程图。

图4 毒性气体采集流程图图5协调器程序流程图图6路由器程序流程图

2、ZigBee组网

ZigBee无线传感器网络中的协调器、路由器和终端节点这三种设备类型，是由ZigBee协议栈的编译选项来选择的。在ZigBee协议栈ZStack-CC2530-2.4.0-1.4.0中，对于协调器，在编译软件IAR的Workspace区域的下拉菜单中选择CoordinatorEB-Pro；对于路由器，在下拉菜单中选择RouterEB-Pro；对于终端节点，要选择EndDeviceEB-Pro。

协调器主要作用是建立一个网络和配置该网络的性质参数。一旦这些完成，该协调器就成为一个路由器，其程序流程图如图5所示。当协调器收到路由器或终端节点发送来的数据时，首先使用osal_msg_receive()函数，从消息队列接收到消息，然后通过GenericApp_MessageMSGCB()函数将接收到的数据通过串口发送给PC机。协调器中有串口初始化以及串口数据处理部分，而路由器和终端节点不需要与PC机进行交互，只需要执行数据采集和传输即可，需要注意的是路由器需要进行数据的路由转发，所以路由器不可以休眠，但是终端节点可以休眠。在ZigBee协议栈中进行数据发送可以调用AF_DataRequest无线发送数据包函数实现，该函数会调用协议栈里面与硬件相关的函数，最终将数据通过天线发送出去，这里面涉及对射频模块的操作。路由器主要负责数据包的路由选择，和进行RSSI（Received Signal Strength Indicator，接收信号强度指示）定位，其程序流程图如图6所示。

系统的整体工作过程如下：由协调器成功创建ZigBee网络后，等待路由器和终端节点加入；路由器或终端节点上电后，自动查找空间中的ZigBee网络，找到后即可加入网络，并把该节点的物理地址发送给协调器；当PC机想要获取某一终端节点的毒性气体浓度时，向串口发送终端节点的物理地址及检测命令，经协调器发送，经路由器寻找对应的终端节点；终端节点接收到命令后，启动内部ADC进行毒性气体浓度检测，并向协调器发送监测结果。终端节点也可以定时地、主动地向协调器发送毒性气体浓度监测结果。

四、终端节点的功耗分析

为了降低整个网络的综合能耗，终端节点采用“休眠——唤醒采集浓度数据并发送——休眠”低功耗工作模式。终端节点使用两节1.5V的AA电池供电。市面上每节AA电池的电量为1500mA.h，对于两节AA电池，总电量为3000mA?h，即电池以1mA电流放电，可以持续放电3000小时，同理，如果放电电流为1000mA，则可以连续放电3小时。由于终端节点的传感器工作电路和数据发送的电流共需约60mA，则两节AA电池可以使终端节点连续工作50小时。由于气体监测无须连续工作，假设终端节点每2小时工作60秒，每天共工作720秒，其它时间都在休眠（休眠时工作电流在微安级，相比而言，可以忽略不计）。这样可以计算出两节AA电池可以使终端节点工作的时间为：503600/720=250天。这些分析是针对终端节点，对于路由器和协调器而言，要长期供电来确保数据的正确路由，所以一般不谈低功耗问题。

五、结束语

本文基于ZigBee协议栈ZStack-CC2530-2.4.0-1.4.0，设计了一个无线毒性气体监测系统。实验结果表明了该系统具有组网灵活、开发成本低、准确度高、能量消耗低，并且安装维护比较简单，只需一次安装就可以长期使用，具备了传统气体监测系统无法比拟的优势，较好地解决了传统气体监测中效率低下、易产生监测盲区等问题。

[1]基于电化学传感器的ADI微功耗有毒气体检测解决方案[EB/OL].http://www.analog.com/zh/content/gas_detection_and_analysis_solution_2012/fca.html,2012-07-10．

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TP393

A

1671-5136(2014)02-0129-03

2014-04-23

2012年度湖南省高等学校科学研究项目（编号：12B011）。

朱志伟（1976-），男，湖南衡山人，长沙民政职业技术学院电子信息工程学院副教授。研究方向：电力电子技术与嵌入式系统技术。