基于Zigbee的煤气检测系统设计与实现

苏智华

(西安欧亚学院， 西安 710065)

1 概述

随着计算机技术，信息技术和控制技术的发展，人们生活与信息的关系越来越密切。目前，信息技术正在慢慢地改变人们传统的生活方式和工作方式，智能化已经成为人们日常生活不可缺少内容，移动互联技术的发展推进了各行业设备的自动化以及互联化。用气安全是家庭基本安全的重点之一，如何实现对家庭用气安全的实时监测是家庭、政府以及社会所必须关注问题，利用信息技术、无线互联技术等高科技将各类煤气安全监测设备与监测信息系统进行互联，为家庭用户以及煤气运营商提供实时的监测数据[1]。

煤气检测在行业内已有了多种解决方案，主要面向的对象(用户群)也均由差异，所谓检测就是利用专业的传感器技术对环境中存在的某种物质进行密度、浓度以及所散发的范围进行传感监测，并将各类监测数据汇总发送到分析系统，由分析系统进行按照专业化模型进行分析比对，为最终用户提供准确性较高的参考数据。煤气检测的终端用户包含煤气使用者、煤气运营商以及相关执法机构。

ZigBee技术作为短距离通信的高可靠性通信标准协议，在众多的在线检测系统中得到了应用，该协议遵循IEEE802.15.4标准，其低功耗的特性为特殊行业的传感器应用提供了可监测周期长、自组织等可行性。煤气作为日常生活所必不可少生活必需品，作为家庭用户，确保家庭用气安全是第一位的；作为煤气运营商，确保所辖区域煤气用户以及输气管道安全是企业运营的基础。本文设计实现了一套基于ZigBee通信的煤气监测系统[2]，系统主要应用场景为家庭煤气安全监测以及煤气运营部门对所监管区域煤气安全监控等。

2 系统总体设计

系统由3层架构组成，按照当前典型的应用系统体系架构分为采集层、传输层以及应用层。其中采集层主要由各类煤气监测传感器构成，传输层主要由短距离无线通信网络以及家庭网络组成，应用层主要由应用分析以及预警系统组成。系统的总体架构图，如图1所示。

图1 系统总体架构

传感层主要由煤气传感器构成，该传感器主要对煤气浓度进行监测，分别对煤气(0.1%-0.5%)、天然气(0.1%-1%)以及液化石油气(0.1%-0.5%)的泄露浓度进行检测，传感器原理采用电化学反应原理，当表面层与煤气接触后会产生电物理特性的转变，从而达到信号传感的目的，因文本主要对检测系统的设计，在传感器设计方面仅作为成品应用作简要介绍。

家庭网络是系统的重要结构基础。它建立了网络与传感层的数据连接，实现了传感数据的传输。家庭网络可以实现各种能源管理功能[3]，家庭网络可以使用有线或无线通信模式，与传统的有线解决方案相比，无线解决方案更易于安装和维护。此外，无线网络可以增强系统的可扩展性。与其他短距离无线技术相比，ZigBee无线网络是建立家庭网络的首选[4]。 ZigBee技术作为基于IEEE 802.15.4标准的双向无线网络技术，具有成本低，功耗低，距离短，复杂度低，安全性高的特点[5]。此外，支持ZigBee技术的芯片非常便宜，对于民用化有较大的优势。本系统的家庭网络采用由ZigBee中继器和多个终端节点组成的ZigBee无线网络。 ZigBee中继器负责建立和管理整个ZigBee无线网络，其通信距离可以覆盖正常的生活环境，因此使用星形拓扑，所有终端节点可以直接与中继器进行通信。目前，ZigBee协调器采用CC2530[6]，该程序由IAR Embedded Workbench[7]编译，ZigBee终端节点位于不同的位置。终端节点连接到电能计量模块，以收集设备的电能信息，并且还连接到中继模块，以便通过触发继电器来执行由协调器发送的控制命令。

应用系统主要包含面向终端用户的分析以及报警模块，其中分析模块主要完成对传感器数据的采集、处理以及分析功能，按照各类专业的煤气监测模型对目标数据进行处理，并分析当前所检测环境的煤气含量并决定是否报警。应用系统主要包含面向终端用户以及运营商，对运营商来说主要关注所辖区域用气情况以及输气管道安全等信息，并定期汇总向上级有关部门进行汇报。

3 应用端系统设计

应用端系统是煤气监测系统的管理中心。根据系统设计分为数据通信模块，终端控制模块、数据查询模块以及后台数据存储模块4个模块。

3.1 数据通信模块

应用系统通过Socket与移动终端通信，并通过串行端口与ZigBee中继器进行通信。

1) 与ZigBee进行串行通信

系统通过PC的串行端口连接到ZigBee中继器，并通过串行通信传输数据。MFC提供封装的MSComm控件，可以使用串口发送和接收数据。 MSComm控件支持访问串行端口的应用程序，使串行通信更可靠，使ZigBee中继器和服务器可以方便地使用串行端口进行数据传输。MSComm控件的主要特性主要设置CommPort、Settings、PortOpen、Input、Output等参数。将串口控制添加到项目后，串口被初始化，串口参数和串口号也被设置。服务器端应用程序通过MSComm控件的Input属性和Output属性直接读取串口的接收和发送缓冲区，以便接收协调器发送的数据并向协调器发送数据[8][9]。

2) 与移动终端进行套接字通信

服务器可以通过Socket进行远程移动终端的通信，Socket是TCP / IP协议的流行编程方法。套接字通信是基于客户端/服务器模型的通信模式，基于IP地址和端口号。服务器是Socket通信的服务器，而移动终端是客户端(针对终端用户)。端口号设置完成后，主服务器等待来自客户端的连接请求，客户端首先向服务器发起Socket连接请求，收到请求后，服务器将建立连接并打开侦听端口，服务器和客户端通过线程实现Socket通信。服务器端程序使用单独的线程来处理来自每个客户端的Socket请求和反馈[10]。当有新的客户端在线时，将创建一个新线程来接收和发送数据。当客户端脱机时，服务器将关闭线程。

3.1.2 终端控制

服务器可以实现所管理监控设备的交换控制，可对监测传感器的监控频率、发送数据内容进行远程配置，流程如下：服务器端应用程序接收移动终端发送的控制命令，然后发送给ZigBee中继器。例如，控制命令“& S Y1”表示打开设备Y1，“& N Y1”表示关闭设备Y1。最后，ZigBee中继器向传感器终端发送控制命令，实现设备的切换控制。

3.1.3 数据查询

服务器端应用程序可以查询数据库中每个设备的实时采集数据和历史数据。当用户通过移动客户端或服务器的控制接口查询设备的实时数据时，服务器将向ZigBee中继器发送查询命令。在从终端节点接收到数据后，服务器通过数据处理获取设备的监测数据和运行状态，然后将设备的信息发送到移动终端。结果显示在控制界面上，如图2所示。当用户要查询设备的历史数据时，移动终端将发送查询命令到服务器。例如，“SLY1@20170701 * 0000 * 2359”是指需要在2017年7月1日从00:00到23:59的设备Y1的历史数据。根据查询命令，服务器在后台数据库中查找相应时间段内的设备历史数据，并按照一定的格式将其返回给移动终端。

4 系统功能

煤气监测系统的系统功能主要通过函数接口进行设计，根据实际的业务需求共包含远程控制、数据分析、数据上传、系统报警等功能，各功能主要的函数定义，如表1所示。

表1 函数定义函数定义

操作界面的功能是为用户提供直观的移动终端界面，方便用户能够实施获取用气情况以及是否有泄露风险。用户可以通过操作界面查看各设备的连接状态和切换状态。同时，用户可以查询每个传感设备的监测的历史记录[11-14]。

系统总体业务如图2所示。

图2 系统业务流程图

服务端通过数据采集接口对所辖区域的传感数据进行收集，通过ZigBee局域网络将数据传输到服务端，服务端应用程序分别执行数据存储以及与监测模型计算工作，通过与专业的煤气监测模型对采集数据进行处理、分析，判断不同类型的气体数据是否达到了预警临界值，并未用户提供报警信息[15]。

系统面向个体用户以及运营商用户，个体用户主要对家庭煤气监测进行管控，可远程对传感器监测频率等参数进行修改，以及实时查询传感器的监测数据；运营商用户主要指煤气运营单位，系统为该类型用户提供煤气管道数据周期性上传、用户用气数据统计以及与上级主管部门交互的一些数据报表等信息。

经过进一步的验证，证明移动终端可以保持与服务器的稳定网络通信，同时，服务器端程序定期存储每个传感器的传感数据，并且可以通过服务器的查询界面查看后台数据库中的有效数据。例如，2017月07日02日浓度监测结果如图3所示。测试证明该系统有效，运行良好。

图3 测试结果界面

5 总结

本文设计并实现了一种基于ZigBee技术的煤气监测系统，该系统可以通过专业传感器对煤气数据进行周期性采集，并设计了3层体系架构，服务端程序主要完成对数据处理分析工作，客户端程序主要针对不同的用户完成特定的功能体验。文中对系统功能的数据传输模块、控制模块、查询模块等进行了介绍，并且对系统整体工作流程进行了分析介绍，通过实验验证，系统可实时检测所辖区域煤气浓度信息。

[1] 汤元斌,杨彬,涂继辉. 基于Zigbee的煤气监测报警系统设计与实现[J]. 电子设计工程,2014(8):61-64.

[2] 杨佳,肖伟坤,陈燕霞. 基于ZigBee人体跌倒检测系统的设计与实现[J]. 福建电脑,2016(6):41-42.

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[15] 魏纯,刘红艳. 温室超低功耗无线传感器智控系统设计-基于MSP430和ZigBee[J]. 农机化研究,2017(1):207-211.