基于ZigBee 技术的室内可燃气体监测系统

张鹏　秦飞舟

摘要：由于可燃气体具有易燃易爆的特点，一旦发生泄漏往往会酿成严重的事故。为了对室内可燃气体浓度进行实时监测，本文设计实现了一种室内可燃气体监测系统。该系统采用MQ系列传感器和cc2530芯片来构建传感结点和协调器结点，通过ZigBee协议组建数据采集网络，而后使用上位机对数据进行处理，并在室内可燃气体浓度超过阈值时对用户进行警告。

关键词：ZigBee；可燃气体；cc2530

中图法分类号：TP311 文献标识码： A 文章编号：1009-3044（2015）27-0204-02

随着我国能源结构的不断完善，越来越多的可燃性气体成为了人们日常生活中不可或缺的重要能源。但可燃性气体具有易燃易爆特性，如果在使用中操作不当或设备密封不好，都可能发生可燃气体泄漏现象，进而酿成火灾或爆炸事故，给国家和人民的生命财产造成损失。为了有效预防可燃气体泄漏事故，本文提出一种基于ZigBee技术的室内可燃气体监测系统，以MQ系列传感器和cc2530芯片组成传感结点和协调器结点，构成无线数据采集网络，实现对室内可燃气体的检测和预警。该系统具有功耗低、稳定可靠、易于维护等特点。

1 系统总体方案设计

本系统由信息收集处理结点和传感器结点组成，系统结构如图1所示：

从图1中可以看出，系统由协调器结点、传感结点、上位机和WEB服务器组成。传感结点负责采集室内可燃气体的浓度，然后将浓度值转换成相应的电压信号，再通过处理电路对信号进行比较、放大、滤波，最后将信号通过ZigBee协议发送给协调器结点。协调器结点通过ZigBee协议，建立一个以自己为中心的星型网络，等待传感结点加入网络并接收传感结点发来的可燃气体浓度信息。上位机通过串口与协调器结点相连，对协调器结点发来的数据进行处理。上位机一方面通过网络将数据发送到WEB服务器，以便用户通过访问WEB服务器进行实时查看，另一方面在室内可燃气体的浓度超过阈值时，使用内置的移动通信模块（如GSM模块）直接向用户的手机发送警报信息。

2 协调器结点

协调器结点是整个系统的核心部件，它不仅要负责建立ZigBee网络，而且要负责将传感结点发来的信息转发给上位机进行处理。为了快捷可靠地实现ZigBee网络，本系统选择TI公司的cc2530芯片来实现协调器结点。cc2530是一款支持ZigBee协议的低功耗、低成本的SOC解决方案，具有丰富的外设控制功能，已经在汽车电子、工业控制和无线传感领域得到了广泛的应用[1，2]。协调器结点的工作流程如图2所示：

从图2中可以看出，协调器结点首先初始化硬件，配置相应的寄存器，而后在整个可用频段内依次搜索可用的信道。如果当前信道被占用，协调器结点将检查下一个信道。如果当前信道没有被占用，协调器结点选择当前信道作为本系统的工作信道，而且配置相应的参数（如个域网标识PANID），建立以自己为中心的星型网络，等待传感结点的加入。如果收到一个传感结点发送的入网请求，协调器结点将向该传感结点发送回应信息，同意其加入网络。同时，协调器结点给该传感结点分配16位短地址，并且将需要配置的其它网络信息传递给传感结点。

在传感结点加入网络后，围绕协调器结点组建的星型数据采集网络就可以基本形成。由于本系统的数据是通过上位机进行处理，因此协调器结点还需要把采集到的数据通过串口发送给上位机。ZigBee网络在收发数据时采用的是数据帧形式，而上位机与协调器结点通信采用的是数据流形式，因此协调器结点在收到传感结点发送的数据帧后，需要对该数据帧进行拆分，从中取出可燃气体浓度数据，然后按照预设的串口协议格式，将数据组成串口数据流发送给上位机。

3 传感结点设计

由于准确采集可燃气体浓度是整个系统正常工作的基础，因此本系统采用灵敏度较高的MQ系列传感器（如MQ5，MQ7等）来构建传感结点。

MQ系统传感器使用在清洁空气中电导率较低的SnO2作为气敏材料，当传感器所处环境中存在可燃气体时，传感器的电导率随空气中可燃气体浓度的增加而增大，使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出，因此MQ系统传感器具有响应恢复特性快、使用寿命长、稳定性可靠、抗烟雾、抗干扰的特点。对于传感结点的主控芯片，本系统同样采用cc2530，由该芯片对MQ传感器进行控制。传感结点的结构如图3所示：

从图3中可以看出，MQ传感器对室内可燃气体浓度进行采集、放大和降噪滤波之后，将其转化为模拟信号并对该信号进行输出。由于MQ传感器的模拟输出端连接到cc2530的模拟输入端，因此cc2530可以通过内置的12位的ADC（模数转换器）对输入的模拟信号进行转换。传感结点在完成AD转换（模数转换）之后，将气体浓度数据组成ZigBee网络中使用的数据帧，然后将该数据帧发送给协调器结点。传感结点的工作流程如图4所示：

从图4中可以看出，传感结点首先进行硬件初始化，而后向协调器结点发送加入网络的请求。在得到协调器结点的回应后，传感结点接收协调器结点分配的短地址和其他网络参数，然后根据这些参数进行寄存器的配置。在配置完成之后，传感结点开始通过MQ传感器对室内可燃气体的浓度进行采集，然后将其转换成数据信息并通过ZigBee网络发送给协调器结点。由于本系统需要持续监测室内可燃气体的浓度，因此传感结点在加入ZigBee网络后会不断地重复浓度采集、AD转换和数据发送的过程，使得整个系统可以及时发现室内可燃气体的浓度变化。

4 上位机设计

上位机是整个系统的数据处理中枢，它负责处理协调器结点收集到的可燃气体浓度数据。上位机与协调器结点的连接如图5所示：

从图5中可以看出，上位机与协调器结点通过串口相連。协调器结点收集到的室内可燃气体浓度数据可以通过串口源源不断地发传给上位机。除此之外，上位机还包含与WEB服务器通信的网络模块和与用户移动终端通信的移动通信模块。通过网络模块，上位机可以将室内可燃气体的浓度信息发送到WEB服务器上，方便用户进行实时查看。在室内可燃气体浓度超过阈值时，上位机还可以通过移动通信模块及时向用户发出警报信息。

为了降低系统发出错误警报的比率，本系统中使用了多个传感结点，上位机根据多个传感结点采集的数据计算室内可燃气体浓度的平均值。如果平均值低于设定的阈值，上位机只将数据上传到WEB服务器，用户可以随时通过访问WEB服务器进行查看。相反，如果室内可燃气体浓度的平均值高于设定的阈值，上位机在继续将数据上传到WEB服务器的同时，立即通过移动通信模块向用户发出警报。

5 总结

本文基于ZigBee协议设计了一种室内可燃气体监测系统，可以实现对室内可燃气体浓度的实时监测。系统采用建立协调器结点、传感结点的方法，组成室内可燃气体浓度的采集网络，将采集到的信息传输到上位机进行处理。上位机不仅可以将气体浓度数据上传到WEB服务器，而且可以在气体浓度超过阈值时直接通过移动通信模块向用户发送警报。通过实验调试和实践验证，该采集系统达到了设计要求，效果良好。

参考文献：

[1] 蒋耘晨，刘秋丽，杨明.基于ZigBee技术的天然气联合站监控系统设计[J].无线电通信技术，2007， 33（01）： 56-58.

[2] 代成，叶焱，刘太君等.基于 WEB 的远程自动控制系统研究和实现[J].无线电通信技术， 2014， 40（3）： 90-93.