基于XBee的粉尘传感器网络节点设计∗

赵广元 王平

（西安邮电大学自动化学院西安710121）

基于XBee的粉尘传感器网络节点设计∗

赵广元 王平

（西安邮电大学自动化学院西安710121）

为了方便准确地获取厂区粉尘浓度，研究开发了一种基于XBee的无线传感器网络节点，包括数据采集节点和数据汇聚节点两类。数据采集节点负责实时采集粉尘传感器数据并传送至数据汇聚节点，数据汇聚节点负责收集各数据采集节点监测数据。节点均以Arduino开发板为控制核心，并基于XBee模块实现无线通信及组网功能。论文介绍了无线传感器节点的研究背景、粉尘传感器通讯协议及其软硬件结构，重点介绍了节点的设计原理，并对多节点组网及组网后形成的小型无线传感网络系统的功能进行了测试。测试结果验证了设计方案的可行性，表明该无线传感节点使用方便，数据传输及时稳定，适于对厂区粉尘浓度实时监测。

无线传感网络；节点；XBee；Arduino；实时

Class NumberTP212

1 引言

目前，我国大多数的厂区环境数据收集和统计工作还停留在人工读数查表的落后水平。没有配备粉尘监测除尘装置，小则造成施工人员患尘肺病，大则造成粉尘爆炸。近几年，由于粉尘浓度未能及时控制，已造成多起爆炸事件，如：

1）2016年4月，深圳精艺星五金加工厂发生粉尘爆炸，造成4人死亡、11人受伤［1］。

2）2014年8月，苏州市中荣有限公司发生粉尘爆炸，当天造成75人死亡、185人受伤［2］。

对此，国家相关部门高度重视。2014年8月，《严防企业粉尘爆炸五条规定》以国家安全监管总局令形式发布，第二条规定：必须按标准规范设计、安装、使用和维护通风除尘系统［3］。2016年05月19日，国务院印发《国家创新驱动发展战略纲要》中指出：发展污染治理和资源循环利用的技术与产业，建立大气重污染天气预警分析技术体系，发展高精度监控预测技术［4］。

无线传感网络的主要组成部分是无线传感网络节点，这些散落在监测区域内的节点依照功能可划分为数据采集节点和汇聚节点。组成无线传感网络的这些功能节点的工作过程是：待监测区域内分布着数量较多的数据采集节点，这些节点是随机部署的，在监测区域内节点以自组织形式构成无线传感器网络，然后将各自采集到的传感信息以单跳或多跳的方式传输到汇聚节点，最后通过串口发送至上位机。本文使用无线传感网络（Wireless Sen⁃sor Network，WSN）和应用开发功能强大的Arduino相结合，研究出基于XBee的粉尘传感器网络节点设计方案，使得粉尘监测值及时、准确地发送给相关人员。

2 设计背景

本系统基于WSN对工厂进行粉尘监控。WSN是一组数据采集节点以Ad hoc方式组成的无线网络，其目的是协作地感知、收集和处理传感器网络所覆盖地理区域中感知对象的信息，并传递给观察者。这种传感器网络集中了传感器技术、嵌入式计算机技术和无线通信技术，能协作地感知、监测和收集各种环境下所感知对象的信息，通过对这些信息的协作式信息处理，然后通过Ad hoc方式传送给需要这些信息的用户。图1为粉尘检测系统的整体框架示意图。

图1粉尘监测系统示意图

本文重点对数据采集节点和数据汇聚节点的设计进行详细介绍，其中包括粉尘传感器的通讯协议分析、无线通讯模块组网测试和节点软硬件结构。

3 无线通信模块

在本文节点设计中，无线通信模块选择XBee模块。XBee模块是一种远距离低功耗的数传模块，频段有2.4G，900M，868M三种同时可兼容802.15.4协议［5］。每个模块都可以做为终端、协调端，可通过X-CTU或Zigbee Operator两款软件进行设置。

配置两个Arduino-XBee扩展板，两个节点的ZigBee通信网络即可实现，可以完成Arduino之间的无线通信。使用多个Arduino-XBee扩展板，即可实现多个节点组成的复杂网络。XBee模块与Arduino之间通过串行接口（即Tx和Rx引脚）进行通信。点对点通信是通过串口向XBee模块写入数据可实现数据的发送，当XBee模块通过无线通道接收到数据时，通过读串口即可获得数据，完成无线通信。

4 节点主控制器选择

在控制器选择中，本文选用性价比高，功能全面的Arduino控制器。它是一个较为完整的开源硬件开发平台，它由一块单板的微控制器（各型号的Arduino板）和开发软件（Arduino IDE）所构成［6］。Arduino作为控制器，其有跨平台、交互性好和第三方资源丰富的优势。开发软件主要包含两个内容，一个是计算机上的标准编程语言开发环境Ardui⁃no IDE，另一个是在开发板上运行的烧录程序。Arduino可以和各种传感器、电子元件、开关等相连接，来感知周边的环境。Arduino有多种型号，本文使用Arduino Mega2560控制器，Arduino Mega2560实物图如图2。

图2Arduino Mega2560实物图

5 粉尘传感器选择

本文在众多的粉尘传感器中选择了SDS198粉尘传感器，相比其他传感器，SDS198传感器的主要特性为以下几点：

1）数据准确：激光检测，稳定、一致性好；

2）响应快速：数据更新频率为1Hz；

3）便于集成：串口输出（或IO口输出可定制），自带风扇；

4）分辨率高：分辨颗粒最小直径达1微米。

5.1 SDS198传感器

SDS198传感器使用激光散射原理，能得到空气中1～100微米悬浮颗粒物质量浓度，使用进口激光器与感光部件，数据稳定可靠［7］。由于风力风向等因素影响，很多情况下浓度空间分布并不均匀，如工地、煤矿、水泥加工厂等，此时更适合用SDS198传感器进行多布点测试。

5.2 SDS198传感器原理分析

当激光照射到通过检测位置的颗粒物时会产生微弱的光散射，在特定方向上的光散射波形与颗粒直径有关，通过不同粒径的光学积分统计及换算公式可以得到不同粒径的实时颗粒物的数量浓度，按照标定方法得到跟官方单位统一的质量浓度［7］。

5.3 传感器通讯协议

SDS198传感器通讯协议如表1所示。

表1 SDS198传感器通讯协议

串口通讯协议：9600 8N1。（速率9600，数据位8，校验位无，停止位1）。

串口上报通讯周期：1.2s。

数据帧（10字节）：报文头+指令号+数据（6字节）+校验和+报文尾。

6 基于Arduino的XBee无线传感节点软件设计

6.1 数据采集工作流程

本设计采用SDS198粉尘传感器进行粉尘浓度的采集。具体操作过程如下：首先对传感器进行初始化操作，传感器接收数据，输出采集数值，然后主控制器Arduino判断所接收的采集值是否有效，如果有效，则由控制器Arduino将接收的采集数据转换为浓度值，若数据无效，传感器将继续接收数据。

浓度计算公式根据粉尘传感器内部设定，定义接收的数据data，输出的浓度指标设为C：

C=（（PM100高字节*256）+PM100低字节）

传感器采集数据流程如图3所示。

图3参数采集流程图

6.2 无线通信模块工作流程

整个系统分为数据采集节点和数据汇聚节点两大部分，数据采集端由Arduino控制器模块分别与无线通信模块、粉尘状态监测模块相连接，数据汇聚节点由Arduino主控制器模块分别与无线通信模块、上位机相连接。

每个数据采集节点采集数据后，将数据转化为浓度值，发送数据时在浓度值前加上标志位，最后将封装好的数据发送给数据汇聚节点，数据汇聚节点根据各个数据采集节点的标志位即可识别是哪个数据采集节点发送来的数据，数据汇聚节点控制上位机实时地显示数据采集节点发送的粉尘浓度。图4和图5分别表示无线模块的发送流程与接收流程。

图4无线发送端流程

图5无线接收端流程

7 基于Arduino的XBee无线传感节点测试与分析

7.1 粉尘传感器调试

SDS198传感器驱动条件：工作电压范围在5V左右，工作电流最大值是70mA，湿度范围最大90%；存储时，温度范围-20℃～60℃，工作时，温度范围-10℃～50℃，加热器电源接通约1min后，传感器工作趋于稳定。

SDS198传感器调试过程：SDS198插上电源后1s内会正常地运作，可以进行检出。对SDS198输出电压的绝对值，并不是判定检出的有无，无尘时，从输出电压的变化量来做判定。

7.2 无线通信模块调试

XBee驱动条件：XBee的电源电压为2.8V～3.4V，发送时工作电流一般为45mA（3.3V），接收时电流为50mA（3.3V），工作温度范围是-40℃～85℃。

使用X-CTU软件调试三块XBee模块。其中一个为数据汇聚节点（数据接收方），另两块为数据采集节点（数据的发送方）。数据汇聚节点与数据采集节点建立无线连接时，PAN ID（Personal Area Network）要相同。

7.2.1 XBee模块地址修改

设置无线模块的数据汇聚节点，打开调试软件，选择COM3口作为协调端的连接口，功能设置为ZIGBEE COORDINATOR AT，然后设置PAN ID改为1234，DH（Destination Address High）设置为0，DL设置为FFFF。数据采集节点设置功能为ZIG⁃BEE DEVICE AT，PAN ID设置为1234，DH和DL分别输入数据汇聚节点地址。

7.2.2 三块XBee模块数据交互检测

在3个XBee模块都与电脑建立联系的情况下，打开三个串口调试助手页面，给数据采集节点1输入666，数据采集节点2输入777，数据汇聚节点输入333。这时协调器端会接收到数据采集节点1和数据采集节点2发送来的数据666和777，数据采集节点1和数据采集节点2将分别接收到数据汇聚节点发出的数据333。调试结果如图6、图7、图8所示。

此时无线通信建立就已调试完成了。

7.3 系统整体测试结果

本系统能够检测出环境中的粉尘浓度及其变化，终端发送检测到的浓度指标，数据汇聚节点统一接收并存储终端数据至数据库，最终显示在上位机如图9、图10所示。

图6数据采集节点1显示信息

图7数据采集节点2显示信息

图8数据汇聚节点显示信息

图9数据汇聚节点接收数据显示至上位机

图10数据采集节点分类显示图

8 结语

根据粉尘数据，通过无线网络从而实时了解设备的运行状态，捕捉污染征兆，并对产生污染的源头、原因及发展趋势做出判断，做出针对性的控制计划，是降低污染、保护环境、获得最大企业效益、实现企业设备管理现代化的良好途径。

本粉尘监测节点相较于以往的监测节点来说，具有以下两个优点：

1）本粉尘监测节点具有开放式、模块化的特点，灵活性强，便于系统的升级处理；

2）融合了无线传感技术，将厂区分成不同部分集中监测和处理，相较于传统的环境技术监测管理系统来说，极大地节省了人力、物力。

无线传感器网络具有灵活、方便、快捷的优势。市场上水泥加工厂粉尘监控节点多采用有线与人工的方式进行，费时费力且误差较大。将无线传感器网络技术应用到工厂中，方便了粉尘的集中监测，提高了系统工作效率，具有广阔的发展前景。

［1］Notice of the General Office of the State Administration of Work Safety on the“4·29”dust explosion accident in Shenzhen Jingyi Star Hardware Factory［J］.State Adminis⁃tration of Work Safety，State Administration of Coal Mine Safety Supervision Bureau Notice，2016（6）：39-42.

［2］Tianjin Port“8·12”special major fire and explosion inves⁃tigation report released［J］.Chinese fire，2016（4）：8-9.

［3］State Administration of Safety Supervision issued a“five enterprises to prevent dust explosion regulations”［J］.Sci⁃ence and Technology of Safety Production in China，2014（8）：38.

［4］The CPC Central Committee and State Council issued the“National Innovation-Driven Development Strategy”［J］. Bulletin of the State Council of the People's Republic of China，2016（15）：5-14.

［5］Digi［DB/OL］.https：//www.digi.com/products/xbee，2016-11-22/2016-12-09.

［6］Arduino［DB/OL］.https：//www.arduino.cc/，2016-12-06/ 2016-12-09.

［7］NovoElectronics［DB/OL］.http：//inovafitness.com/ product-40.html，2016-11-14/2016-12-09.

［8］WANG Jingxia.An RF module compatible with ZigBee/ 802.15.4 protocol XBee/XBee Pro and its application［J］. Electronics Engineer，2007（3）：24-27.

［9］WANG Hongda，LIU Na，CUI Zhonghui.Design and Im⁃plementation of Wireless Data Acquisition System Based on［J］.Electronic technology，2016（1）：67-70，55.

［10］GUO Wengchuan，CHENG Hanjie，LI Reiming，et al. Greenhouse Environment Information Monitoring System Based on Wireless Sensor Network［J］.Journal of Agri⁃cultural Mechanization，2010（7）：181-185.

［11］JIAO Shangbin，SONG Dan，ZHANG qing，et al.Coal mine Monitoring System based on ZigBee Wireless Sen⁃sor Network［J］.Journal of Electronic Measurement&In⁃strumentation，2013（5）：436-442.

［12］LI Zangming，LI Quan，YIN Peifeng.Design of Wireless Sensor Network Node Based on ZigBee for Environmen⁃tal Monitoring［J］.Electronic measurement technology，2010（6）：118-122.

［13］LI Zongcheng.Research and Design of Environmental Monitoring System Based on Wireless Sensor Network［J］.Computer Measurement and Control，2008（7）：929-931，958.

Design of XBee-based WSN Node for Dust Monitoring

ZHAO GuangyuanWANG Ping
（School of Automation，Xi'an University of Posts and Telecommunications，Xi'an710121）

In order to conveniently and accurately obtain the dust concentration in the factory，a wireless sensor network node based on XBee is researched and developed，Including data collection nodes and data aggregation nodes.Data acquisition node is re⁃sponsible for real-time collection of dust sensor data and sent to the data aggregation node，the data aggregation node is responsible for collecting the monitoring data of each data acquisition node.Nodes are Arduino development board for the control of the core，and based on the XBee module to achieve wireless communication and networking capabilities.This paper introduces the research back⁃ground of wireless sensor node，the communication protocol of dust sensor and its hardware and software structure，The design prin⁃ciple of the node is mainly introduced，and the function of the small wireless sensor network system formed by multi-node network⁃ing and networking is tested.The test result verifies the feasibility of the design scheme，It shows that the wireless sensor node is easy to use，data transmission in a timely and stable，suitable for real-time monitoring of dust concentration in the factory.

WSN，node，Xbee，Arduino，real-time

TP212

10.3969/j.issn.1672-9722.2017.07.031

2017年1月3日，

2017年2月17日

2015年度西安市科技计划项目（编号：2015.6101.00124.2015.00210）；2015年大学生创新创业训练计划项目（编号：201511664457）资助。

赵广元，男，硕士，副教授，研究方向：嵌入式开发，无线传感器网络，网络多媒体技术与应用。王平，男，硕士研究生，研究方向：无线传感器网络、嵌入式开发。