鄧 超，許麗娟

（1. 廣東科技學(xué)院，東莞 523083；2. 廣東工業(yè)大學(xué) 華立學(xué)院，廣州 511325）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展以及快速城市化進(jìn)程,城市生活垃圾的產(chǎn)生量迅猛增長,對(duì)環(huán)境的影響越來越嚴(yán)重,如何合理處理城市生活垃圾已成為社會(huì)發(fā)展必須解決的問題。其中，一些人口密度大、土地資源缺乏的城市將未能回收利用的生活垃圾進(jìn)行現(xiàn)代化的焚燒處理。為了減少焚燒過程中產(chǎn)生的廢氣對(duì)周邊環(huán)境造成的污染，避免垃圾焚燒處理與周邊居民發(fā)生環(huán)境糾紛事件，利用現(xiàn)代化的監(jiān)測手段, 加強(qiáng)對(duì)設(shè)施的監(jiān)管是環(huán)境監(jiān)管的迫切任務(wù), 也是構(gòu)建和諧社會(huì)的需要。

本文將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和LabVIEW遠(yuǎn)程面板技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計(jì)一種低功耗、低成本、組網(wǎng)靈活、人機(jī)界面友好、可方便進(jìn)行現(xiàn)場和遠(yuǎn)程管理的城市生活垃圾焚燒監(jiān)測系統(tǒng)。

1 IEEEl451_5標(biāo)準(zhǔn)簡介

基于IEEE 1451_5標(biāo)準(zhǔn)的無線傳感器技術(shù)定義了無線通信與變送器電子數(shù)據(jù)表格，在已有的IEEE 1451框架下，構(gòu)筑一個(gè)開放的標(biāo)準(zhǔn)無線傳感器接口，主要是為智能傳感器的連接提供無線解決方案，盡量減少有線傳輸介質(zhì)的使用，以滿足工業(yè)自動(dòng)化等不同應(yīng)用領(lǐng)域的需求。IEEEl451_5標(biāo)準(zhǔn)的核心是TEDS，其結(jié)構(gòu)極其緊湊，具有靈活性與擴(kuò)展性，可以適應(yīng)不同類型傳感器的要求。TEDS 信息分為以下幾個(gè)關(guān)鍵部分：第一部分即基本TEDS, 包含了必要的傳感器識(shí)別信息；第二部分是IEEE 標(biāo)準(zhǔn)TEDS, 包含傳感器專用的“數(shù)據(jù)表”信息，一般是正確配置電氣接口并將測量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為工程單位所需要的數(shù)據(jù)；最后一部分用來存放傳感器中自定義數(shù)據(jù)和信息。TEDS應(yīng)包含的信息有廠商信息、模塊編號(hào)、版本信息、產(chǎn)品序列號(hào)、靈敏度、測量范圍、物理單位、傳輸功能、輸出范圍、校準(zhǔn)信息以及用戶數(shù)據(jù)等。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)采用了分布式體系結(jié)構(gòu)，將各個(gè)垃圾焚燒點(diǎn)的PC機(jī)群通過以太網(wǎng)連接到檢測系統(tǒng)。系統(tǒng)的整體框架如圖1所示[1]。

系統(tǒng)可以分為下位機(jī)系統(tǒng)部分和上位機(jī)系統(tǒng)部分。系統(tǒng)的上位機(jī)系統(tǒng)又可以分為數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和Web 服務(wù)器。中轉(zhuǎn)服務(wù)器負(fù)責(zé)與氣體監(jiān)測儀器的數(shù)據(jù)交互；數(shù)據(jù)庫服務(wù)器負(fù)責(zé)存取和管理各系統(tǒng)數(shù)據(jù)和環(huán)境數(shù)據(jù)；Web 服務(wù)器負(fù)責(zé)與外界的數(shù)據(jù)交互。下位機(jī)系統(tǒng)負(fù)責(zé)現(xiàn)場環(huán)境氣體數(shù)據(jù)的采集、暫存和傳輸,主要由氣體數(shù)據(jù)采集模塊、無線通訊模塊及數(shù)據(jù)處理模塊構(gòu)成。數(shù)據(jù)采集模塊主要對(duì)垃圾焚燒產(chǎn)生的二氧化碳、氮氧化物、氯化氫等廢氣參數(shù)進(jìn)行檢測和變送；數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)部分將采集來的信號(hào)轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)和操作人員可識(shí)別的數(shù)據(jù)量, 并存儲(chǔ)在存儲(chǔ)芯片中；數(shù)據(jù)傳輸部分將存儲(chǔ)在芯片中的數(shù)據(jù),根據(jù)上位機(jī)部分的請求或者以主動(dòng)上報(bào)的方式, 傳送給上位機(jī)。整個(gè)系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)模塊硬件框圖如圖2所示。

由節(jié)點(diǎn)框圖可以看出，系統(tǒng)的核心組成部分是 WTIM（Wireless Transducer Interface Module，無線變送器接口模塊）和NCAP（Network Capable Application Processor，網(wǎng)絡(luò)適配器）。WTM的功能主要是實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)調(diào)理、觸發(fā)、模/數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)/模轉(zhuǎn)換、命令處理、TEDS（Transducer Electronic Data Sheet，變送器電子數(shù)據(jù)表）存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)傳輸、通信功能；NCAP的功能包括通信、接口控制、路由、變送器探測、數(shù)據(jù)校正、TEDS解析、消息編碼和解碼、參數(shù)映射、用戶應(yīng)用處理和LAN接口。WTIM和NCAP硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示[2]。

3 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集過程中首先由TGS2600氣體傳感器負(fù)責(zé)讀取垃圾焚燒產(chǎn)生的廢氣信號(hào)，然后由AT89C52單片機(jī)控制處理數(shù)據(jù)，并通過SPI方式將數(shù)據(jù)傳送給通信模塊子節(jié)點(diǎn)。

3.1 氣體傳感器

系統(tǒng)檢測采用日本FIGARO公司開發(fā)生產(chǎn)的一種新型半導(dǎo)體氣體傳感器TGS2600，它能夠靈敏地感知空氣中的低濃度污染物的異味，如空氣中的低濃度香煙污染物和其他異味，對(duì)NO2、CO等有較高的敏感度。TGS2600具有成本低、體積小、壽命長、選擇性和穩(wěn)定性好等特性，它構(gòu)造簡單，由傳感器基板，氣敏元件和傳感器蓋帽組成。氣敏元件由一個(gè)以金屬鋁做襯底的金屬氧化物敏感芯片和一個(gè)完整的加熱器組成。利用加熱器加熱，以偵測氣體附著于金屬氧化物表面而產(chǎn)生的電阻值的變化。在檢測氣體時(shí)，傳感器的傳導(dǎo)率依賴于空氣中氣體濃度的變化。在目標(biāo)氣體不存在的狀態(tài)下，大量附著的空氣中的O2會(huì)捕捉電子，而呈現(xiàn)出高阻狀態(tài)；相反的，若有目標(biāo)氣體存在，則因?yàn)闀?huì)與氧產(chǎn)生一種燃燒反映，自由電子的量增加，而電阻值則降低。用一個(gè)測量電路能將該傳導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)化成對(duì)應(yīng)于氣體濃度變化的輸出信號(hào)。TGS2600傳感器基本測量電路如圖4所示[3]。

3.2 AT89C52單片機(jī)

系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集模塊主要以AT89C52單片機(jī)為控制處理核心，由它完成對(duì)氣體傳感器輸出數(shù)據(jù)的采集處理，并控制數(shù)據(jù)的無線傳輸。AT89C52芯片有40個(gè)引腳，32個(gè)外部雙向輸入/輸出(I/O)端口。同時(shí)內(nèi)含2個(gè)外中斷tel，3個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器，2個(gè)全雙工串行通信tel，2個(gè)讀寫口線。AT89C52單片機(jī)具有快速8051內(nèi)核、8 KB Flash E2PROM、256字節(jié)RAM。為實(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸，采用無限收發(fā)一體數(shù)據(jù)傳送MODEM模塊PTR2000器件，該器件內(nèi)部集成高頻接收、PLL合成、PSK調(diào)制/解調(diào)、參量放大、功率放大、頻道切換等功能，完全符合無線數(shù)據(jù)通信的硬件要求。

系統(tǒng)采用C語言對(duì)AT89C52單片機(jī)進(jìn)行編程,調(diào)用采集程序?qū)贌龔U氣數(shù)據(jù)的采集、完成A/D轉(zhuǎn)換、濾波、ASCII碼轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)后利用SPI方式將數(shù)據(jù)傳給通信子節(jié)點(diǎn)。其控制流程如圖5所示。

4 節(jié)點(diǎn)無線通訊模塊

系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)無線通訊接口由Chipcon公司生產(chǎn)的CC2430芯片控制，它具有高性能、低功耗的8051微控制器核，集成符合IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的2.4GHz的RF無線收發(fā)機(jī)，具有優(yōu)良的無線接收靈敏度和強(qiáng)大的抗干擾性、數(shù)字化的RSSI/LQl支持和強(qiáng)大的DMA功能，集成了14位模/數(shù)轉(zhuǎn)換功能。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示，在單個(gè)芯片上整合了ZigBee 射頻(RF)前端、內(nèi)存和微控制器。它使用1 個(gè)8 位MCU（8051），具有128 KB可編程閃存和8 KB的RAM，還包含模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)、幾個(gè)定時(shí)器（Timer）、AES128 協(xié)同處理器、看門狗定時(shí)器（Watchdog timer）、32 kHz晶振的休眠模式定時(shí)器、上電復(fù)位電路(Power On Reset)、掉電檢測電路(Brown out detection)，以及21 個(gè)可編程I/O 引腳。芯片采用0.18μm CMOS 工藝生產(chǎn)，在接收和發(fā)射模式下，電流損耗分別低于27 mA 或25 mA，并且，CC2430 從休眠模式轉(zhuǎn)換到主動(dòng)模式的時(shí)間超短，延長了電池壽命。

5 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用基于B/S模式的LabVIEW遠(yuǎn)程面板技術(shù)開發(fā)，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、分析和遠(yuǎn)程監(jiān)控。在硬件連接檢測正常情況下，啟動(dòng)軟件獲取傳感器采集的數(shù)據(jù)，自動(dòng)識(shí)別傳感器編號(hào)，下載TEDS表格數(shù)據(jù)并顯示數(shù)據(jù)。用戶可以進(jìn)行本地?cái)?shù)據(jù)訪問，也可以通過遠(yuǎn)程訪問。登錄系統(tǒng)后進(jìn)入如圖7所示氣體數(shù)據(jù)采集模塊，選擇采集節(jié)點(diǎn)、采集通道和采集間隔時(shí)間進(jìn)行氣體采樣，并可以將結(jié)果保存下來。完成數(shù)據(jù)采集后顯示采集數(shù)據(jù)，并可以根據(jù)我國《生活垃圾焚燒污染控制標(biāo)準(zhǔn)》要求中生活垃圾焚燒廠大氣污染物排的放指標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

6 結(jié)論

本文基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù), 設(shè)計(jì)了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的城市生活垃圾焚燒在線檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用傳感器節(jié)點(diǎn)采集處理垃圾焚燒廢氣、并通過NCAP控制數(shù)據(jù)進(jìn)行無線傳輸，工作人員可分別在監(jiān)測現(xiàn)場和遠(yuǎn)程端通過應(yīng)用軟件來獲取監(jiān)測數(shù)據(jù)并作出分析。綜上所述，本文的研究在傳感器數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域和智能監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)領(lǐng)域具有實(shí)際參考價(jià)值。

[1] 馬巧娟. 基于IEEE+1451.5無線傳感網(wǎng)絡(luò)的研究與設(shè)計(jì)[D]. 西華大學(xué), 2010.

[2] 楊毅, 許楊文. 基于IEEE標(biāo)準(zhǔn)的智能監(jiān)測系統(tǒng)集成研究[J]. 通信技術(shù), 2009, 42(09): 115.

[3] 張兢. 空氣傳感器TGS2600在空氣質(zhì)量監(jiān)測中的應(yīng)用.中國傳動(dòng)網(wǎng), 2008.