一种基于ZigBee的烷径类气体检测控制系统设计

何江芸，刘天成，田学军

(1.广东海洋大学 数学与计算机学院， 广东 湛江 524088；2.岭南师范学院 机电工程学院， 广东 湛江 524037)

在温室大棚作物培养的过程中，由于有机肥料、铵态氮化肥的过量追施、煤的不完全燃烧和农用塑料薄膜溶解等原因将产生各类日光温室有害气体，包括氨气、SO2、烷径类等气体，特别是烷径类气体，对农作物的生长成熟带来严重影响及使大棚内存在着一定的安全隐患.如果可以对烷径类气体进行严格的检测并施加控制，将更好的影响温室作物生长及大棚的安全管理. 与此同时，信息技术高速发展的今天，传统的有线数据传输方式已不能满足人们对通信的需求，寻求一种综合性能优良的无线通信方式成为当前科技发展的主流.ZigBee作为一种新兴的网络技术，具有低功耗和易于组网的优势，系统成本低、移植性强，非常适合用于温室无线传感器网络的组建.

1 系统组网结构设计

基于ZigBee技术的气体检测系统网络拓扑结构如图1所示.系统主要由和网关和ZigBee节点组成.

网关是全功能设备，它充当网络协调器，完成网络初始化，主导网络的建立，监督网络的正常运行并具设备控制等功能.ZigBee节点主要负责实时气体浓度信息的采集和信息的发送，查询响应等，只能与网关之间进行通信，相互之间不能进行通信.

该种组网方式的优点在于，数据传输的通讯路线是不固定的，当组网的路由器中某个节点通讯出现故障，该组网方式在传送数据是会自动寻找节点建立通信链接，并把数据通过这种临时的连接通道，一级一级的传送到中心协调器，由协调器进行数据处理运算，而不会造成数据的阻塞和滞后.

图1 气体检测控制系统系统结构框图

该种组网方式的另一个优点在于，开发板的射频模块会在采集数据发送前，查询数据传送通道是否处于工作状态，发现有其他数据在传送市，网络会自动间隔不定的短时间，进行下一次的查询，直到传送通道处于空闲状态，这时，发送处于等待的数据到中心协调器，而不会造成数据的紊乱和滞后，即时传输数据进行运算[3].

2 系统的硬件设计

2.1 节点的硬件设计

节点由传感器MQ-135和无线模块cc2530构成，通过气体传感器的信息采集，将气体的浓度信息经信号调理电路处理后，通过A/D转换得到可被识别的数字信号，该信号经过微处理器的处理后通过射频天线由无线网路传输至中心协调器处理，数据采集节点的结构框图如下图所示：

电源模块气体传感器模块⇔⇔cc2530无线模块节点

图2数据采集节点组成

CC2530 结合了领先的RF 收发器的优良性能，业界标准的增强型8051 CPU，系统内可编程闪存，8-KB RAM 和许多其它强大的功能,结合了德州仪器的业界领先的黄金单元ZigBee协议栈(Z-StackTM)，提供了一个强大和完整的ZigBee 解决方案.而针对CC2530芯片的Zigbee开发套件可与IAR Embedded Workbench集成开发环境相结合使用[4]，操作以及连接都很方便，通过USB接口连接电脑，让代码高速下载，可以进行在线调试，断点、单步、变量观察，寄存器观察等功能，CC2530F256的原理图如图5所示.

图3 CC2530F256原理图

2.2 中心协调器的硬件设计

中心协调器是系统设计中重要的部分，中心协调器负责处理各子网络节点发送传感器测量的数据，并将这些数据经过算法运算，得出各个传感器节点所对应地理位置的测量气体浓度,进一步的作出相应的响应动作.中心协调器硬件设计方案如下:

cc2530无线模块协调器⇔⇔电源模块控制终端

图4中心协调器硬件设计

3 系统的软件设计

图5协调器建网流程

系统的软件部分包括协调器组建网络、传感器节点连网络和蜂鸣器报警.主要部分是协调器组建网络的软件设计和传感器节点加入网络软件设计.

3.1 ZigBee协调器组网程序设计

当无线模块cc2530被设置为中心协调器时，会在开始工作时尝试建立网络，协调器首先完成自身程序初始化，开始尝试并建立网络，当建网成功后，开始监听下级路由器发送的信号，没有下级路由器加入节点，则继续监听，知道有下级路由器申请加入网络，此时，中心协调器分配带地理位置信息的物理地址给下级路由，并实时接收下级路由信号[5].中心协调器建网程序设计流程图如右图：

3.2 节点连接网络设计

当一个新的ZigBee网络建立成功后，当中的协调器和路由器才能允许节点设备连接网络.当一个点的节点加入网络成功后，一个新的父子节点设备关系就完成，可以进行数据的传送和信息的交换.节点加入网络程序流程如图：

图6节点入网流程

当传感器节点接入组建好的ZigBee网络中后，系统的组网连接就完成了，只需要将系统处于待测环境中，就可以正常工作.

4 系统的调试

调试过程分为协调器组网调试及数据采集节点连网调试.

1)协调器组网调试：将程序烧写入模块后，模块被设置成为协调器，微处理器开始初始化，进行组网，观察单片机组网指示灯，指示灯亮，组网成功.

2)数据采集节点连网调试：将模块设置为节点，打开电源，节点自初始化，然后发现附近zigbee网络并申请加入，加入网络成功后，就会实时传送传感器测量的烷径类气体浓度情况，发送到协调器，协调器实时显示传感器节点状态.实验中将打火机中气体放置MQ-135传感器附近，协调器接收到该地理位置的节点气体异常信息，传感器节点加入ZigBee网络成功.

5 结果与分析

5.1 固定距离实验现象及分析

在20℃的温度下，三种烷径类气体浓度下进行多次实验，反复验证后得出结果.

实验结果表格如下图.

表1 固定距离实验结果

表格中只列举3种烷径类气体浓度条件下5次试验数据的结果.

实验现象分析：在传感器和中心协调器的距离固定且通讯状态良好的条件下，系统能在检测到一定的较高浓度烷径类气体时及时发出报警信号，显示检测到烷径类气体，提醒烷径类气体异常.

5.2 固定高浓度烷径类气体实验现象及分析

在固定的气体浓度下，传感器节点固定不动，移动中心协调器远离节点距离分别为1m、2m、4m、6m、8m，得出ZigBee网络烷径类气体检测控制系统的网络传输距离.实验现象表格如下：

实验现象分析：排除实验过程中异常的数据，试验结果表明，协调器和传感器节点相距在5 m以内，此基于ZigBee网络烷径类气体监测控制系统工作状态良好，能够及时有效的发出报警信号，显示气体异常；8 m以外，工作状态不稳定.因此，该系统的相邻节点相距在5 m以内工作时，网络连接及通讯状况较好.

5.3 系统出现的问题及解决办法

通过实验进行分析，对系统出现的问题提出解决办法：

(1)控制系统是根据传感器检测到周边环境的烷径类气体浓度的大小，而判断是否需要报警，而浓度的报警值需要根据温室大棚内农作物的品种进行相应设置.

(2)单一传感器是不能完整检测整个温室大棚，而对于庞大的温室大棚，将利用该系统组建一个多传感器的区域检测、信息互通的网络，将控制系统大面积地覆盖整个温室大棚.

(3)系统默认ZigBee为低的发射频率，这样是为了减少系统电能的消耗.而发射频率低会导致信号传递给5 m外的目标时出现异常，信息未能传递到目标位置.如果信号想发射地更远更稳定，只需要在程序中的ZigBee协议栈中将发射频率调高，这样就可以解决传送距离短的问题.

6 结 论

本文研究的基于ZigBee网络的烷径类气体监测控制系统，能够准确有效的检测出烷径类气体浓度异常情况，并及时发出报警显示信号.但是ZigBee组网的网络通讯信号传输距离有限，需要多网络节点，进行数据整合及传输.本文研究的基于ZigBeee网络的烷径类气体监测控制系统不仅能应用于农业温室大棚烷径类气体检测控制，还可拓展应用与其他预警报警相关领域，在智能农业领域有很大的应用前景.

[1] 巢玉江.基于ZigBee和GPRS技术的温室环境数据采集系统设计[J].机电一体化，2013，19(8)：69-71 .

[2] CC2530开发板 CC2530模块 CC2530开发件[DB/OL].http://www.eeworm.com/dl/544/10848.html.

[3] 百科文章，科学，自然科学，Zigbee技术Zigbee实验Zigbee教程[DB/OL]. http://w.baike.com/5cd389fb3cc943fc95d029b74a872bb.

[4]吴呈瑜, 孙运强. 基于ZigBee技术的短距离无线数据传输系统[J]. 仪表技术与传感器, 2008(5):178-178.

[5] 姜钧严.基于ZigBee技术的温室温湿度检测系统[J].森林工程，2014，30(2)：105-108.