黃青龍，游勝玉，何月順

（東華理工大學(xué) 軟件學(xué)院，江西 南昌 330046）

0 引 言

可燃性氣體作為燃料，除用于居民生活外，更廣泛應(yīng)用在發(fā)電、制造業(yè)、公共建筑、公共交通等領(lǐng)域[1]。但可燃性氣體具有易燃易爆特性，如果在使用過程中操作不當(dāng)或設(shè)備密封不好，都可能發(fā)生可燃?xì)怏w泄漏現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)引起火災(zāi)或發(fā)生爆炸事故，給國家和人民的生命財(cái)產(chǎn)造成重大損失[2]?？扇?xì)怏w泄漏造成的危害已引起人們的廣泛關(guān)注，因此對(duì)可燃?xì)怏w進(jìn)行監(jiān)控尤為重要。為減少可燃?xì)怏w泄漏帶來的損失，文中基于ZigBee技術(shù)和CC2530微控制器設(shè)計(jì)了一種可以實(shí)時(shí)監(jiān)控可燃?xì)怏w泄漏并實(shí)現(xiàn)泄漏報(bào)警、顯示泄漏方位的系統(tǒng)，系統(tǒng)具有成本低、功耗低、復(fù)雜度低、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。

1 技術(shù)簡(jiǎn)介

1.1 ZigBee技術(shù)

ZigBee技術(shù)是根據(jù)IEEE 802.15.4協(xié)議（無線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)）開發(fā)的一種短距離、低功耗無線通信技術(shù)[3]。TI公司的CC2530芯片為ZigBee提供硬件支持。ZigBee技術(shù)具有網(wǎng)容量大、自組網(wǎng)、安全性高等特點(diǎn)，適合應(yīng)用在距離短、能耗低、成本低的無線通信系統(tǒng)中。

1.2 傳感器技術(shù)

傳感器是一種把被測(cè)量（主要是非電量）轉(zhuǎn)化為與特定量有確定關(guān)系、便于應(yīng)用的某種物理量（主要是電量）的測(cè)量裝置[4]。本文選用MQ-9B可燃性氣體傳感器，該型可燃?xì)怏w傳感器對(duì)甲烷、一氧化碳、丙烷、液化氣有較高的靈敏度[5]。器件工作原理簡(jiǎn)單，工作環(huán)境和條件易于提供，可在不同條件下對(duì)多種可燃性氣體進(jìn)行監(jiān)測(cè)。MQ-9B傳感器具有靈敏度高、壽命長(zhǎng)、成本低、驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。MQ-9B傳感器標(biāo)準(zhǔn)工作條件見表1所列，環(huán)境條件見表2所列，靈敏度特性見表3所列。

表1 標(biāo)準(zhǔn)工作條件

表2 環(huán)境條件

表3 靈敏度特性

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的是一種基于ZigBee技術(shù)并結(jié)合第四代移動(dòng)通信技術(shù)和傳感器檢測(cè)技術(shù)的可燃性氣體監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)、自動(dòng)、智能監(jiān)測(cè)可能的泄漏點(diǎn)，減少和預(yù)防不同情景下可燃?xì)怏w泄漏而引發(fā)的安全事故。系統(tǒng)初始化后，網(wǎng)關(guān)與控制節(jié)點(diǎn)將自動(dòng)搭建WSN網(wǎng)絡(luò)，建立與控制中心的連接，匯聚節(jié)點(diǎn)收集的數(shù)據(jù)通過ZigBee發(fā)送給網(wǎng)關(guān)與控制節(jié)點(diǎn)，由4G通信模塊發(fā)送給監(jiān)控中心，待監(jiān)控中心處理分析數(shù)據(jù)后實(shí)時(shí)顯示結(jié)果，并且結(jié)果可查詢，若監(jiān)測(cè)結(jié)果異常，控制中心將發(fā)出警報(bào)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)

3.1 傳感節(jié)點(diǎn)模塊設(shè)計(jì)

傳感節(jié)點(diǎn)模塊由CC2530微控制器和傳感器模塊構(gòu)成，是系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來源，傳感節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性直接影響上位機(jī)對(duì)監(jiān)測(cè)情況的判斷。傳感節(jié)點(diǎn)通電后，節(jié)點(diǎn)各模塊進(jìn)行初始化操作。初始化完成后，節(jié)點(diǎn)向網(wǎng)關(guān)與控制節(jié)點(diǎn)發(fā)送入網(wǎng)請(qǐng)求，組建WSN網(wǎng)絡(luò)。節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)成功后，節(jié)點(diǎn)接收命令，開始采集數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)發(fā)送給匯聚節(jié)點(diǎn)。該系統(tǒng)采用精度較高的MQ-9B傳感器構(gòu)建傳感模塊。傳感模塊具有雙路信號(hào)輸出、LED信號(hào)輸出指示燈、模擬量輸出為0～5 V電壓、濃度越高輸出電壓越高等特點(diǎn)。

傳感模塊將采集的信號(hào)進(jìn)行簡(jiǎn)單的降噪、放大處理后，通過串口將處理好的模擬信號(hào)傳送給CC2530微控制器，微控制器中ADC轉(zhuǎn)換器對(duì)信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后，將轉(zhuǎn)換好的數(shù)字信號(hào)傳送給ZigBee無線通信模塊，再由其發(fā)送給匯聚節(jié)點(diǎn)，匯聚節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)后將數(shù)據(jù)傳送給網(wǎng)關(guān)與控制節(jié)點(diǎn)。傳感節(jié)點(diǎn)整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 傳感節(jié)點(diǎn)整體結(jié)構(gòu)

3.2 網(wǎng)關(guān)與控制節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

網(wǎng)關(guān)與控制節(jié)點(diǎn)由CC2530、4G通信模塊等組成。網(wǎng)關(guān)與控制節(jié)點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)的核心，它不僅負(fù)責(zé)組建、協(xié)調(diào)、管理WSN網(wǎng)絡(luò)，還需要將匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給上位機(jī)處理，是系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉屑~。選用CC2530芯片作為網(wǎng)關(guān)與控制節(jié)點(diǎn)的微控制器。CC2530是基于2.4 GHz IEEE802.15.4、ZigBee和RF4CE應(yīng)用的片上系統(tǒng)（SoC）解決方案[6]，它能以低成本建立強(qiáng)大、可靠的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，同時(shí)擁有4種不同的運(yùn)行模式，其中3種低功耗模式PM1/PM2/PM3使得它極其適合應(yīng)用在低功耗系統(tǒng)中。運(yùn)行模式的快速轉(zhuǎn)換可再次降低電能的消耗。采用華為ME909s-821 4G模塊作為本系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)與控制節(jié)點(diǎn)的通信模塊，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)與控制節(jié)點(diǎn)和控制中心間的通信。

網(wǎng)關(guān)與控制節(jié)點(diǎn)工作流程：系統(tǒng)通電后網(wǎng)關(guān)與控制節(jié)點(diǎn)完成初始化，CC2530處理傳感節(jié)點(diǎn)發(fā)來的入網(wǎng)請(qǐng)求，判斷傳感節(jié)點(diǎn)是否具有入網(wǎng)資格，拒絕或允許節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)。為允許加入網(wǎng)絡(luò)的傳感節(jié)點(diǎn)分配網(wǎng)絡(luò)地址，接著網(wǎng)關(guān)和控制節(jié)點(diǎn)開始接收匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)簡(jiǎn)單處理后通過4G無線通信模塊發(fā)送給控制中心進(jìn)行分析處理，數(shù)據(jù)發(fā)送完成后4G通信模塊進(jìn)入睡眠狀態(tài)以降低能耗。網(wǎng)關(guān)與控制節(jié)點(diǎn)工作流程如圖3所示。

圖3 網(wǎng)關(guān)與控制節(jié)點(diǎn)工作流程

4 監(jiān)控中心設(shè)計(jì)

監(jiān)控中心由PC機(jī)和服務(wù)器組成，使用Java語言編寫控制中心軟件程序以及系統(tǒng)人機(jī)交互界面。監(jiān)控中心可以管理和控制監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、處理、分析、查詢、顯示，且有權(quán)限查看每個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)地址，可對(duì)傳感節(jié)點(diǎn)輸入對(duì)應(yīng)的位置信息。監(jiān)控中心可以管控監(jiān)控系統(tǒng)，一旦氣體泄漏，控制中心將觸發(fā)報(bào)警器（聲光報(bào)警），顯示氣體泄漏方位以便搶修人員迅速確定氣體泄漏地點(diǎn)，并通過4G無線通信網(wǎng)絡(luò)把報(bào)警信息發(fā)送至移動(dòng)終端（如管理人員的手機(jī)等），及時(shí)報(bào)警。

5 結(jié) 語

本文闡述了基于ZigBee技術(shù)的可燃?xì)怏w報(bào)警系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)思路和各單元的功能實(shí)現(xiàn)過程及其原理。設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)甲烷、丙烷、一氧化碳、液化氣等可燃?xì)怏w的實(shí)時(shí)監(jiān)控與報(bào)警，預(yù)防因可燃?xì)怏w泄漏而引發(fā)重大安全事故。系統(tǒng)還有進(jìn)一步發(fā)展的潛力，可以通過更改傳感器種類和上位機(jī)算法更好地實(shí)現(xiàn)對(duì)有害氣體的預(yù)警監(jiān)控。