基于ZigBee的烟气连续检测系统

李 洁 强 龙

(内蒙古科技大学信息工程学院，内蒙古 包头 014010)

近年来，北方多地遭遇严重雾霾，环境问题日益严峻，因此控制烟气污染物的排放刻不容缓。烟气检测是环境保护的重要基础，《环境检测管理办法》中规定，县级以上环保部门必须实时监控企业燃烧作业中产生的粉尘和各种有害气体。余兰兰等以城市污水厂剩余污泥为原料，利用固相共混法负载金属氧化物的改性方法制备工业烟气脱硫吸附剂[1]。由于工业现场环境恶劣、分析时间较长、过程繁琐和测量准确度低的缺点，气体检测系统向着无线检测方式发展，用先进的分布式无线通信技术实现传感器与数据采集系统的直接通信[2]。

笔者采用成本低廉、速率低且功耗也低的ZigBee协议设计了烟气连续检测系统(CEMS)。

1 无线CEMS系统的构成①

基于ZigBee协议的无线烟气连续检测系统的结构如图1所示。系统通过SO2传感器、NOx传感器和CO传感器采集烟气中的各种污染气体的浓度，将采集到的信号送至ZigBee无线节点；同时采用ZigBee技术的星形网络拓补结构，建立了1个主节点与3个子节点的无线网络，从子节点采集的数据每隔一定时间便发送至主节点，主节点将收到的数据通过RS485串口传给PLC，PLC再通过RS485串口将数据传送给上位机进行监控。

图1 CEMS系统结构

2 硬件

笔者设计的CEMS系统的硬件包括：气体传感器，完成对烟气中污染气体的采集；电流放大模块；ZigBee无线采集模块，可采集4路4～20mA的标准信号，并对采集到的信号进行A/D转换，该模块也是整个无线网络的子节点，向主节点发送数据；ZigBee无线模块，接收子节点传送的数据，并将数据传送至PLC，是整个无线网络的主节点，并且起着主协调器的作用；PLC模块。

2.1 数据处理系统

数据处理系统将气体传感器采集到的微弱电流信号放大后，通过电流/电压变换电路变换为符合A/D模块输入要求的0.0～3.3V的电压信号，再通过数据采集模块将处理完成的数字信号传输给ZigBee模块。数据处理系统的结构如图2所示。

2.2 ZigBee无线模块

ZigBee无线模块由射频收发器(符合ZigBee协议标准)和微处理器组成，可实现远距离通信，同时有较强的抗干扰能力和组网灵活的特性；可实现点对点、点对多点以及多点对多点的数据透明传输；可组成星形网络结构和MESH型网状网络结构。

图2 数据处理系统结构示意图

ZigBee的协议栈结构如图3所示，由一系列层组成。下层为上层执行一组特定的服务：数据传输服务由数据实体提供，其他所有服务由管理实体提供。每一个服务实体与上层通过接口进行连接。该接口是一个服务接入点(SAP)，每个服务接入点能够解析多种服务原语，并实现所要求的功能。

图3 ZigBee协议栈结构

2.3 电化学传感器

电化学传感器的工作原理(图4)是：被测气体由进气口进入气室，通过隔膜与电解液接触，被测气体与电解液发生化学反应，同时产生与气体浓度成正比的电信号。电化学传感器主要由工作电极和对比电极组成，通过两电极间的电阻，与被测气体浓度成正比的电流会在正、负两极之间流动，对此电流进行测量即可确定被测气体的浓度。

图4 电化学传感器的工作原理

3 软件

ZigBee星形网络如图5所示，由一个主节点和一系列子节点组成辐射状网络。主节点负责数据和网络命令的传输，每个子节点只能与主节点通信，子节点的相互通信需要主节点转发完成。星形网络具有结构简单、成本低、路由管理量少及容易管理和维护的优点，因此被大量应用于智能家居、工业控制、远程检测及控制等领域。

图5 ZigBee星形连接示意图

3.1 主节点程序

在CEMS系统的星形网络中，主节点组网时的信道参数为默认值，不需要进行网络信道扫描。首先经过初始化后直接进入网络监听等待状态，当子节点发来连接请求时，主节点依次从子节点的地址列表中选择一个16位短地址，同时发送到子节点作为其网络通信地址，然后主节点将入网确认信息发送到子节点，此时建立连接。当子节点向主节点发送信息时，主节点接收该数据信息并进行数据包解析，同时判断数据信息的真假，然后判断是否是发送给自己的信息，确定后提取信息负载。主节点的程序流程如图6所示。

图6 主节点程序流程

3.2 子节点网络

星形网络中子节点负责发起与主节点的联网请求，并向主节点发送数据信息。现从子节点入网和子节点数据发送两方面进行设计。

3.2.1子节点入网

首先初始化子节点，然后向星形网络发送入网信标请求，最后进入接收状态，当主节点回复信标请求时向主节点发送连接请求命令。若无回复，子节点继续向星形网络发送入网信标请求，并且对应入网信标计数器加1，当计数器值大于预设的最大重试次数时，提示入网失败。之后子节点需要一定时间的接收等待，等待期间若收到主节点发送的响应信息，则对其进行解析，否则提示入网失败。如果响应信息解析结果提示连接响应正确，那么节点入网成功，否则节点入网失败。程序流程如图7所示。

图7 子节点入网程序流程

3.2.2子节点数据发送

星形网络中子节点只能与主节点通信，子节点的相互通信需要主节点转发。此处设定子节点之间不能进行通信。子节点发送数据时，协议栈从上层到下层依次为数据包添加数据包头，其中在MAC层的数据包头控制域中，地址字段的源地址设定为由主节点选择发送的16位短地址，子节点不存在目的地址，设置目的和源PAN标示符为默认值，并且默认值相同。最后通过物理层将配置好的数据包发送出去。

4 结果分析

采用笔者设计的CEMS系统测量环境中的标准SO2、NOx和CO气体，试验结果见表1，可以看出所测气体浓度在满量程范围内相对误差均小于±3.0%，低于国标规定。多次的试验结果证实系统运行稳定。

表1 气体体积浓度测量结果

毛彩芳、夏芳和葛鹏分别将CEMS系统应用于工业锅炉烟气、催化裂化装置烟气脱硫系统等工业场所，实现了烟气的实时连续测量，数据传输灵敏，实现了企业生产废气中污染物的达标排放[3～5]。

5 结束语

基于ZigBee的烟气连续检测系统具有自组网、功耗低、通信协议免费、应用简单及成本低等优势，解决了传统气体检测系统由人工取样导致的工作量大、分析时间长、误差大，而且无法实现实时检测生产中烟气排放数据的缺陷，人工操作过程复杂而测量准确度又低，并且使工作人员远离了现场的恶劣环境，数据传输也更加灵敏易于实现，不但非常适用于烟气检测，还有利于控制烟气污染物的排放，对环境保护起到了推进作用。