基于ZigBee无线传感器网络的CO监测系统设计

赵建伟，张东亮，胡祥超，赵咏梅

（西北核技术研究所，西安 710024）

CO（一氧化碳）是一种对人体健康十分有害的无色、无臭气体，大量吸入会出现头痛、恶心、头晕等感觉，严重时可导致死亡。在部分工业生产、科研实验等场所，可能会产生或泄漏一定量的CO，对现场工作人员造成伤害。因此对CO浓度进行实时在线监测，对保证人员的安全具有重要意义。常规的CO浓度监测方法，一是使用手持式监测仪进行监测，这种方法不适用于多点、大范围使用。二是利用CO传感器和数据采集仪等进行有线数据传输，只满足部分应用场合。本文应用中传感器布点位置较为分散，且有其他条件限制，测量现场不宜铺设数据传输及供电电缆，故采用ZigBee无线传感器网络完成CO在线监测，并扩展了通信距离，获取了有效数据。

ZigBee是一种短距离、低速率无线网络技术，通信效率非常高。其物理层和MAC层协议为IEEE802.15.4协议标准，网络层由ZigBee联盟制定，应用层可根据用户自己的项目需要，对其进行开发利用[1-2]。与其他无线短距离通信技术相比，ZigBee具有成本低、功耗低、可靠性高、安全性高、网络容量大等优点。在工业控制、物联网、智能建筑、环境监测等领域有着广阔的应用前景。

1 系统总体设计

CO监测现场区域较大，监测点多且相对分散，传统的有线测量方式就存在线路布设复杂、接线繁琐、供电困难、后期维护成本高等问题。因此在本系统中采用ZigBee无线通信方式。根据现场特点，通信网络采用星型结构。另外，由于场地有一定起伏，监测前端与监控中心之间有山坡阻隔，无法直接通视，故系统中增加路由节点，起到中继作用。系统网络拓扑结构如图1所示。

图1 系统网络拓扑结构图Fig.1 Topology structure of the system

系统由3部分组成，即终端节点（end device）、路由节点（router）和协调器（coordinator）。 其中，终端节点配置CO传感器，负责数据采集并向路由节点发送数据。路由节点负责通信转发，在本系统中实际起到中继作用。协调器作为网关，是网络的核心，负责建立整个无线网络，且与监控主机相连，将主机的指令转发给前端传感器节点，并将接收到的监测数据通过串口交与主机处理。

2 系统硬件设计

系统硬件设计主要包括终端节点、路由节点、协调器等的设计。其中，路由节点和协调器功能一致，硬件完全相同，只是在软件设计中有所区别。

2.1 CO监测终端节点的设计

CO监测终端节点即工作在测量现场的传感器节点，完成CO气体浓度采集与通信功能，工作环境相对恶劣。节点中的CO采集选用英国Alphasense生产的小型带过滤膜的CO-AF型传感器，该型传感器采用电化学原理，灵敏度好（55～90 nA/ppm），响应时间短（<25 s），过载能力强（200%），适用于工业现场等环境。

节点的无线通信模块选用TI公司的CC2530F256芯片，该芯片采用2.4 GHz频率，IEEE 802.15.4标准，ZigBee技术具有极高的接收灵敏度和抗干扰性能，能够以非常低的材料成本建立强大的网络节点[3-4]。同时，CC2530F256内部集成工业标准增强型8051 MCU，以及8通道输入可配置12位AD转换器，可完成CO传感器的数据采集及转换。

CC2530芯片的射频信号的收发是采用差分方式来实现的，这种平衡电路的实现方式不仅能够减少信号的散射、抑制噪声的干扰，也能够使电路中电流所产生的磁场相互抵消而不会对外界产生干扰。但在本系统中，由于通信距离相对较远，达到上千米，所以需要增大发射功率，以满足远距离通信需求。系统中选用TI公司推出的功率放大芯片CC2591，它的工作频率为2.4 GHz，面向低功耗与低电压应用，具有集成度很高的射频前端[5]。其内部集成的功率放大器增益为22 dB，最大发射功率为+22 dBm，接收部分内部集成的低噪声放大器分高低接收增益分别为11 dBm、1 dBm，相较于CC2530-97 dBm的接收灵敏度，CC2591可以将接收灵敏度改善6 dB。同时，选用CC2591，则无需采用平衡/非平衡转换电路实现双-单端口信号转换的巴伦电路，降低了电路设计的复杂度。CC2591芯片内置了转换电路，使其RF信号可通过ANT单端口输出，通过匹配电路直接连接到天线。CO监测终端节点结构框图如图2所示。

图2 终端节点结构框图Fig.2 Structure diagram of end device

2.2 协调器设计

协调器为系统中的无线信号接收端，负责前端传感器与监控主机之间的信号转换。无线通信网络需要维护双向的通信通道，系统中的数据大部分都是上行数据，即由传感器节点发往监控中心，只有当监控中心发送采集数据等控制指令时，才有数据的下行传输。同样，协调器无线通信模块仍然采用CC2530F256芯片，与传感器节点的区别是无数据采集模块，而是增加了与监控主机连接的串口通信模块，由MAX3232完成RS232电平与TTL电平之间的转换，将收到的数据通过此串口传输至监控主机[5-7]。协调器节点主要电路如图3所示。

图3 协调器节点主要电路Fig.3 Hardware circuit of coordinator

RF信号经CC2530的RF_N和RF_P端口出来，经过差分信号阻抗匹配、滤波后送入CC2591进行功率放大，后通过CC2591的ANT口与天线相连。协调器中利用CC2530的P0口对CC2591的HGM、EN、PAEN进行逻辑控制，使其正常工作。另外由于CC2591工作高电压为1.8 V，CC2530端口电压为2.0 V～3.6 V，所以二者之间需要增加分压电路。

路由节点与协调器硬件设计完全相同，但是不启用串口功能，只是在软件上进行调整，将获取的前端数据转发给协调器，或将协调器的控制指令转发给传感器节点。

3 系统软件设计

软件设计是整个监测系统的重要部分，包括传感器节点、协调器及监控主机的软件设计[8-9]。传感器节点和协调器部分的代码由IAR Embedded Workbench IDE来实现，并以TI公司CC2530支持的ZStack协议栈为基础进行开发。监控主机部分的代码由Delphi2010实现。下面主要介绍传感器节点和协调器的工作流程。

3.1 传感器节点工作流程

传感器节点的主要功能为根据监控主机控制指令获取现场CO气体浓度，并向协调器发送此数据。其工作流程为上电后首先进行初始化，使能MCU和RF收发器，然后向协调器发送入网请求，成功后则等待控制指令。接收到监测的控制指令后，启动A/D，进行取样，获取CO传感器的数据，并发送数据，然后继续等待下一条控制指令。程序流程如图4所示。

图4 传感器节点流程图Fig.4 Flow chart of sensor nodes program

3.2 协调器工作流程

协调器作为整个网络的核心，起着至关重要的作用，主要实现网络的组建、管理、数据的收发等。其工作流程为上电后首先进行初始化，与传感器节点一致，然后扫描频段内的信道，组建网络，接着按预设地址以“点名”的方式获取各传感器节点信息，成功后等待监控主机从串口发来的控制指令。收到指令后立即向传感器节点转发指令，并等待传感器节点传回的测量数据，然后向主机发送数据。协调器节点程序流程如图5所示。

图5 协调器流程图Fig.5 Flow chart of coordinator program

协调器通过串口进行数据通信时，发送数据以帧的形式在网络层进行传输，表1为部分数据帧的定义。

表1 部分数据帧定义Tab.1 Some data frames definition

4 系统测试

现场的CO气体浓度为相对缓变信号，对采集频率要求不高，但现场空间分布较广，对信号传输距离有一定要求。本文设计的基于ZigBee无线传感器网络的CO在线监测系统经过实验室测试，在通视条件下，传输距离可达1.5 km，且信号传输稳定。在现场，布设了约30个传感器节点。由于与监控中心之间有山坡阻隔，无法通视，故增加了中继路由节点。系统采用蓄电池供电。同时，为进一步增强信号强度，采用高增益吸盘天线，架设高度约2 m。监测结果表明，在1min内可完成1轮所有传感器节点的数据获取，且系统工作稳定可靠，信号传输距离满足要求，抗干扰能力强，有效保证了现场CO浓度监测。

5 结语

基于ZigBee协议设计了CO无线监测系统，通过采用CC2530与CC2591相结合的方式，扩展了通信距离，做到了低功耗、低成本、高可靠的无线传输，采用星型结构，实现了多点、大范围CO在线监测。系统结构相对简单，易于扩展，在实际应用中可快速获取现场CO浓度值，对保证现场工作人员的安全具有重要意义。

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