基于 ZigBee 的有害气体信息采集系统设计 丁承君, 赵艳辉, 张明路 (河北工业大学 机械工程学院, 天津 300130) 摘要: 针对石化危险环境下泄露气体信息采集问题,研究开发了基于无线传感网络技术的多点传感信息采集系 统. 利用 ZigBee 协议, 通过星形网络实现数据采集和传输, 采用串口通信技术与上位机 ARM7 嵌入式开发 系统通信, 实现了无线传感器网络在石化气体泄露检测中的应用. 关键词: 有害气体; 信息采集; 系统设计; 数据采集; ZigBee; 串口通信 中图分类号: TH113.1 文献标志码: A 文章编号: 员远苑员原园圆源载 (圆园12) 园1原园园77原园4 System design of harmful gas information collection based on ZigBee DING Cheng-jun, ZHAO Yan-hui,ZHANG Ming-lu (College of Mechanical Engineering , Hebei University of Technology, Tianjin 300130, China) Abstract:Aiming at the problem of the harmful gas leaking in the petrochemical dangerous environment袁amulti-node harmful gases acquisition system based on wireless sensor network technology was presented. By using ZigBee protocol袁data acquisition and transformation communicated with supervisory computer through serial port communication technology袁data processing and display of the wireless system via ARM7 embedded system was completed. The application of wireless sensor network in petrochemical gas leak detection as achieved . Key words: harmful gas; information collection; system design; data acquisition; ZigBee; serial communication 第31 卷第1期圆园12 年2月天津工业大学学报允韵哉砸晕粤蕴 韵云 栽陨粤晕允陨晕 孕韵蕴再栽耘悦匀晕陨悦 哉晕陨灾耘砸杂陨栽再 Vol.31 No.1 February 2012 收稿日期: 2011-11-10 基金项目: 河北省科技支撑计划项目 (08213516D) ; 天津市科技支撑计划项目 (10ZCKFSF01400) 通信作者: 丁承君 (1973—) , 男, 博士, 教授. E-mail: dcj@hebut.edu.cn 随着市场和经济发展对石油产品和石化产品需 求量的不断增长, 石化行业的生产规模和产能不断扩 大, 恶性事故也频繁发生. 其中, 缺乏完善的监控预警 系统是导致事故的重要原因[1] , 而事故前的综合感知 和预警以及事故后迅速地确定事故点位, 可为及时正 确处置提供信息, 从而有效预防事故或降低损失[2] . 因 此基于定点或抛洒无线传感器、多传感器信息融合、 无线数据中继和路由等理论和技术, 研究实现生产现 场的监测、 预警以及突发事故点定位、 紧急危害评估 等的机理和方法, 建立以石化行业为背景的事故预警 和应急辅助救援系统,具有重要的社会和经济意义. 基于在广域环境中采用有线网络的方案难以实现, 加 之石化等危险的工业现场禁止布线的要求, 本文提出 了采用 ZigBee 技术的无线气体浓度测量与信息传输 的方案, 在上位机 ARM7 嵌入式系统中构成多点无线 气体信息采集系统, 实现对网络采集的石化泄露气体 数据统一管理分析. 该系统具有快速展开、 稳定可靠、 可维护性好等特点. 1 基于 ZigBee 的采集系统总体设计 本系统采用对液化气、 天然气、 煤气有较好的灵 敏度的 MQ-5 传感器采集气体的浓度信息, 该传感器 具有响应恢复特性快、 使用寿命长、 稳定性可靠、 抗烟 雾、 抗干扰的特点[3] . 传感器感知周围气体的浓度值, 并根据浓度值转换成响应的电压信号后, 通过检测电 路对信号进行处理, 完成信号的比较、 放大、 滤波, 将 信号送至 ZigBee 无线节点,采用 ZigBee 无线技术的 星型网络拓扑结构, 建立一个采集节点, 多个传感节 点的无线网络, 传感节点加入网络后, 将采集的有害 气体浓度信息传输给采集节点、 采集节点收到数据后 通过串口将各个节点的有害气体浓度信息传给上位 天津工业大学学报第31 卷机. 本文采用 ARM7 嵌入式设备作为上位机,通过上 位机的串口程序打印出采集气体浓度的信息, 系统总 体结构布置如图 1 所示. 2 系统的硬件设计 2.1 气体传感器的选择 气体浓度的采集由 MQ-5B 完成. MQ-5 气敏元件 是由 Al2O3 陶瓷管、 SnO2 敏感层、 测量电极和加热器构 成的敏感元件固定在塑料或不锈钢制成的腔体内, 加 热器为气敏元件, 提供必要的工作条件[4] . MQ-5 的回 路电压 Vc臆15 V, 加热电压为: (5.0依0.2) V, 加热电阻 为(31依3) 赘, 加热功耗臆900 mW. 标准工作条件: 温度 为20依2益, Vc: (5.0依0.1) V, 相对湿度为 65%依5%, Vh 为(5.0依0.1) V, MQ-5 有优良的抗乙醇、 烟雾干扰的能力. 2.2 数据采集传感节点的设计 传感节点主要有以下 5 个模块组成: 淤气体传感 器模块. 可以通过可燃、有毒气体传感器感知现场周 围空气中气体的浓度值, 并根据浓度值转换出相应的 电压信号使后续电路能够识别. 于测量电路模块. 气 体传感器把气体浓度值转换成为电压信号后, 经过该 模块电路进行信号处理, 完成电压信号的比较、 放大、 滤波等过程. 盂控制及传输模块. 从测量电路得到的 信号经过芯片 CC2430 完成 AD 转换和线性化处理等 功能, 然后以无线编码的方式发射出去, 传递给完成 组网的路由器和协调器,直到上位机. 榆电源供电模 块. 提供气体传感器所需的加热电压, 测量模块运放、 比较器、 模拟开关的供电, 以及 CC2430 所需的工作电 压,保证整个系统的安全可靠运行. 虞可扩展选用的 报警声光显示. 可以通过 LED 指示灯清楚的看到气体 浓度级别, 传感节点的设计框图如图 2 所示. 本方案选用 Chipcon 公司的 CC2430 做节点的主 要处理芯片, CC2430 是Chipcon 公司提供的全球首款 支持 ZigBee 协议的 SOC 解决方案, TI 公司对芯片提 供了更丰富的技术支持, 提供全球先进的 ZigBee 协议 栈、 工具包和参考设计, 具有领先业界的 ZigBee 解决 方案. 目前, 该产品已经在汽车电子、 工业控制和无线 传感领域得到了广泛的应用,同时也适用于 2.4 GHz 频率以外的其他设备[5] . 利用 AltiumDesigner 电路板设计软件设计的采集 有害石化气体信息的传感子节点如图 3 所示. 电路板采用 4 层设计, 两面走信号线, 中间两层 分别为电源层和 GND 层,电源层又分割为分为 3.3 V 和5V两块,图3左图为用 AltiumDesigner 电路板设 图1系统总体结构图 Fig.1 Structure of whole system 传感节点 传感节点 传感节点 传感节点 传感节点 采集节点 ARM7 加热电路 (可以考虑 高频加热) 保护电路 气敏探头 探头测温 以及温度 补偿电路 信号比较 信号放大 信号降噪滤波 电源供电模块 调零及校正 模拟开关CC2430 模块 控制单元 监测单元 通信单元 数据处理 (AD 转换、 线性化处理) 图2传感节点设计框图 Fig.2 Design diagram of collecter sensor node 图3传感器节点 PCB 布置图 Fig.3 PCB routing of collecter sensor node 78 — — 第1期计软件设计的 PCB 图, 右图为实际加工后的 PCB 图, ZigBee 芯片外围的电路中电阻电容均采用 0402 封装, 为了保证较好的射频信号的完整性, 电源部分以 及滤波电路远离 ZigBee 射频部分在 PCB 设计中给天 线留出了较大的空余空间,以便信号能降低干扰, 从 而有效地收发信号. 整个电路板采用方形设计长度为 60 mm, 宽度为 30 mm, 厚度为 1.6 mm. 2.3 射频收发天线的设计 由于石化行业作业空间广、 区域大, 为做到 Zig原Bee 网的全覆盖, 同时为了减少 ZigBee 网络内节点过 多引起的信息冗余与有效信息失真, 本文从天线着手 研究最优化设计, 增强灵敏度, 提高通信质量, 提高通 信距离. 本文研究的信息采集节点间的单点对单点通 信距离逸90 m. ZigBee 网络组建后单个网络的覆盖范 围高达 10 000 m. 由于 ZigBee 网络具有可大可小并且 可以 "无限扩展" 的性质, 可以用一个 ZigBee 网络或多 个网络达到对广域危险环境的覆盖. 射频信号的收发采用差分方式,信号从 RF_N 与RF_P 两口输入与输出. 其最佳差分负载为 115+j180 赘, 信号阻抗匹配电路根据该负载值进行微调. 设计采 用50 赘 单极子非平衡天线, 由于 CC2430 的差分射频 端口具有两个端口,而天线是单端口输入与输出, 因 此采用巴伦电路 (平衡/非平衡转换电路) 完成双端口 到单端口的转换. 因为设计中通过弯形走线的阻抗来匹配 50 赘电阻要求, 所以在 PCB 设计中对弯形走线的长度、 宽度、 PCB 板材均有严格要求. 2.4 采集节点的程序设计 ZigBee 采集节点即协调器, 完成中心数据管理的 任务[6] . 采集节点完成多个子传感节点采集数据的无线 收发任务. 采集节点需要组建 ZigBee 网络、允许传感 节点加入网络、 绑定传感节点、 将气体浓度信息传送 给上位机. 采集节点上电后, 先搜索信道, 选定信道后将完 成初始化和建立网络的任务,包括 PANID 的设定、 传 感节点地址的设定和其他一些网络参数的设定. 如果 有传感节点加入网络时, 其发送的信息正确, 采集节 点将允许其加入网络,并分配给传感节点一个 16 位 的短地址与相关的网络参数. 如果采集节点收到了传感节点的绑定请求, 采集 节点将相应传感节点的绑定请求. 关于接受到的数 据, 采集节点在接受到数据的同时, 还要将数据通过 串口发送到上位机, 来检测气体浓度的变化, 采集节 点的程序流程图如图 4 所示. 3 ADC 数据采集软件实现 CC2430 芯片自带一个 14 位的 ADC (模/数转换 器) ,与其他一般的片上系统处理器具有的 8 位模数 转换不同. 该14 位转换器具有 1 个参考电压发生器、 8 个独立的可进行配置的通道、电压发生器和通过 DMA 模式把模数转换后的结果写入内存的控制器[7] . 使用 ADC 时要注意的是, 必须配置 IO 口里的 P0 口作为 8 位ADC 输入的转换口[8] ; 此时, ADCCFG 相 依的位应该设置为 1, 否则寄存器 ADCCFG 的各位初 始值为 0,不能完成 ADC 转换使用. ADC 程序编写流 程如图 5 所示. 允许传感节点加 入并分配短地址 等待加入网络 开始绑定采集节点 接收数据 搜索信道 硬件初始化 建立网络 是否成功 有节点加入? 发送完成 格式是否正确? 接收完成 串口发送数据包 Y N N Y Y Y N Y N N 图4采集节点的程序流程 Fig.4 Program flow of sensor node 图5ADC 程序编写流程 Fig.5 ADC programming process 通讯模块初始化 发送数据 ADC 转换状态位 选择信道 选择输出功率 选择发送数据包 开始接受数据 选择增益 通信模式选择 (发送/接收) 丁承君, 等: 基于 ZigBee 的有害气体信息采集系统设计 79 — — 天津工业大学学报第31 卷 相关寄存器的使用有: ADCCFG (ADC 输入配置 寄存器) 、 ADCL (ADCL 数据转换后低位) 、 ADCH (AD原CL 数据转换后高位) 、 ADCCON1 (ADCL 控制寄存器 1) 、 ADCCON (ADCL 控制寄存器 2) 、 ADCCON3 (ADCL 控制寄存器 3) . 4 采集节点与上位机的通信 数据无线发射后, 传输给采集节点 (协调器) , 最 后传输给上位机. 在协调器与上位机传输时,使用到 CC2430 的UART 模式. UART 采用的是一种全双工传 送方式, 接收器的位同步不影响发送功能[9] . 具有 US原ART0 和USRT1 两个串行通信接口模式. 这2个串口 可工作在 UART (异步通信) 模式或者 SPI (同步通信) 2 种方式,由串口控制/状态寄存器的 U0CSR.MODE 来 选择串口工作模式, 传送的 UART 字节有: 1 个起始数 据位、 8 个数据位、 1 个第 9 数据位 (作为可选项) 或者 奇偶校验位、 1 个 (或 2 个) 停止位. 在传感节点和采集节点 (协调器) 建立绑定关系 后, 终端节点会启用气体浓度采集程序, 传感节点每 隔5s采集 1 次数据, 并将数据发送给采集节点, 采集 节点通过串口将数据发送给上位机, 在上位机的串口 程序上显示出来. 5 结束语 本文针对广域危险环境下有害气体浓度的测量, 采用了 MQ-5B 传感器实现对危险气体信息的采集, 实现了一种基于 ZigBee 星型网络, 数据处理平台基于 ARM7 嵌入式系统的多点无线有害气体浓度的采集, 完成了对传感节点和采集节点的硬件设计, 并在 Zig原Bee 协议栈的基础上进行了软件编程,实现了星型网 络的组建、 数据采集、 无线通信和串口通信的功能. 通 过实验调试和实践验证, 该采集系统达到了设计要 求, 效果良好. 参考文献: [1] 吴宗之援 重大危险源控制技术研究现状及若干问题探讨[J]援 中国安全科学学报, 1994 (4) : 17-22. [2] 虞汉华,虞谦. 大型城市重大危险源监管与应急救援体 系的研究[J]. 2005, 9: 96-99. [3] 陈洪程, 贾良菊, 应鹏展, 等援 气敏传感器的研究现状与发 展趋势[J]援 煤矿机械, 2005 (4) : 3-5. [4] 苏铁力, 关振海, 孙继红, 等援 传感器及其接口技术[M]援北京: 中国石化出版社, 1998: 49-52. [5] KIM Tae-gu, KIM Jeong-hie. Current risk management status of the Korean petrochemical industry[J]援Journal of Loss Preven原tion in the Process Industries, 2002,15: 311-318. [6] RAMASUBRAMANIAN V, CHANDRA R, MOSSE D. "SRL: A Bidirectional Abstraction for Unidirectional Ad -Hoc Net原works, " INFOCOM 2002, June 23-27,New York, 2002. [7] 马巧娟, 郑萍, 王晓光, 等. 基于 ZigBee 和LabVIEW 的多 点无线温湿度采集系统设计[J]. 中国仪器仪表, 2009, 4: 49-50. [8] 崔莉, 苗 勇援 无线传感器网络研究进展[J]援 计算机研究 与发展, 2005, 42 (1) : 163-174. [9] AKYILDIZ I F,WANG X. Survey on wireless mesh networks [J]. IEEE Communications Magazine, 2005, 4: 23-30. 80 — —
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基于 ZigBee 的有害气体信息采集系统设计 丁承君, 赵艳辉, 张明路 (河北工业大学 机械工程学院, 天津 300130) 摘要: 针对石化危险环境下泄露气体信息采集问题,研究开发了基于无线传感网络技术的多点传感信息采集系 统. 利用 ZigBee 协议, 通过星形网络实现数据采集和传输, 采用串口通信技术与上位机 ARM7 嵌入式开发 系统通信, 实现了无线传感器网络在石化气体泄露检测中的应用. 关键词: 有害气体; 信息采集; 系统设计; 数据采集; ZigBee; 串口通信 中图分类号: TH113.1 文献标志码: A 文章编号: 员远苑员原园圆源载 (圆园12) 园1原园园77原园4 System design of harmful gas information collection based on ZigBee DING Cheng-jun, ZHAO Yan-hui,ZHANG Ming-lu (College of Mechanical Engineering , Hebei University of Technology, Tianjin 300130, China) Abstract:Aiming at the problem of the harmful gas leaking in the petrochemical dangerous environment袁amulti-node harmful gases acquisition system based on wireless sensor network technology was presented. By using ZigBee protocol袁data acquisition and transformation communicated with supervisory computer through serial port communication technology袁data processing and display of the wireless system via ARM7 embedded system was completed. The application of wireless sensor network in petrochemical gas leak detection as achieved . Key words: harmful gas; information collection; system design; data acquisition; ZigBee; serial communication 第31 卷第1期圆园12 年2月天津工业大学学报允韵哉砸晕粤蕴 韵云 栽陨粤晕允陨晕 孕韵蕴再栽耘悦匀晕陨悦 哉晕陨灾耘砸杂陨栽再 Vol.31 No.1 February 2012 收稿日期: 2011-11-10 基金项目: 河北省科技支撑计划项目 (08213516D) ; 天津市科技支撑计划项目 (10ZCKFSF01400) 通信作者: 丁承君 (1973—) , 男, 博士, 教授. E-mail: dcj@hebut.edu.cn 随着市场和经济发展对石油产品和石化产品需 求量的不断增长, 石化行业的生产规模和产能不断扩 大, 恶性事故也频繁发生. 其中, 缺乏完善的监控预警 系统是导致事故的重要原因[1] , 而事故前的综合感知 和预警以及事故后迅速地确定事故点位, 可为及时正 确处置提供信息, 从而有效预防事故或降低损失[2] . 因 此基于定点或抛洒无线传感器、多传感器信息融合、 无线数据中继和路由等理论和技术, 研究实现生产现 场的监测、 预警以及突发事故点定位、 紧急危害评估 等的机理和方法, 建立以石化行业为背景的事故预警 和应急辅助救援系统,具有重要的社会和经济意义. 基于在广域环境中采用有线网络的方案难以实现, 加 之石化等危险的工业现场禁止布线的要求, 本文提出 了采用 ZigBee 技术的无线气体浓度测量与信息传输 的方案, 在上位机 ARM7 嵌入式系统中构成多点无线 气体信息采集系统, 实现对网络采集的石化泄露气体 数据统一管理分析. 该系统具有快速展开、 稳定可靠、 可维护性好等特点. 1 基于 ZigBee 的采集系统总体设计 本系统采用对液化气、 天然气、 煤气有较好的灵 敏度的 MQ-5 传感器采集气体的浓度信息, 该传感器 具有响应恢复特性快、 使用寿命长、 稳定性可靠、 抗烟 雾、 抗干扰的特点[3] . 传感器感知周围气体的浓度值, 并根据浓度值转换成响应的电压信号后, 通过检测电 路对信号进行处理, 完成信号的比较、 放大、 滤波, 将 信号送至 ZigBee 无线节点,采用 ZigBee 无线技术的 星型网络拓扑结构, 建立一个采集节点, 多个传感节 点的无线网络, 传感节点加入网络后, 将采集的有害 气体浓度信息传输给采集节点、 采集节点收到数据后 通过串口将各个节点的有害气体浓度信息传给上位 天津工业大学学报第31 卷机. 本文采用 ARM7 嵌入式设备作为上位机,通过上 位机的串口程序打印出采集气体浓度的信息, 系统总 体结构布置如图 1 所示. 2 系统的硬件设计 2.1 气体传感器的选择 气体浓度的采集由 MQ-5B 完成. MQ-5 气敏元件 是由 Al2O3 陶瓷管、 SnO2 敏感层、 测量电极和加热器构 成的敏感元件固定在塑料或不锈钢制成的腔体内, 加 热器为气敏元件, 提供必要的工作条件[4] . MQ-5 的回 路电压 Vc臆15 V, 加热电压为: (5.0依0.2) V, 加热电阻 为(31依3) 赘, 加热功耗臆900 mW. 标准工作条件: 温度 为20依2益, Vc: (5.0依0.1) V, 相对湿度为 65%依5%, Vh 为(5.0依0.1) V, MQ-5 有优良的抗乙醇、 烟雾干扰的能力. 2.2 数据采集传感节点的设计 传感节点主要有以下 5 个模块组成: 淤气体传感 器模块. 可以通过可燃、有毒气体传感器感知现场周 围空气中气体的浓度值, 并根据浓度值转换出相应的 电压信号使后续电路能够识别. 于测量电路模块. 气 体传感器把气体浓度值转换成为电压信号后, 经过该 模块电路进行信号处理, 完成电压信号的比较、 放大、 滤波等过程. 盂控制及传输模块. 从测量电路得到的 信号经过芯片 CC2430 完成 AD 转换和线性化处理等 功能, 然后以无线编码的方式发射出去, 传递给完成 组网的路由器和协调器,直到上位机. 榆电源供电模 块. 提供气体传感器所需的加热电压, 测量模块运放、 比较器、 模拟开关的供电, 以及 CC2430 所需的工作电 压,保证整个系统的安全可靠运行. 虞可扩展选用的 报警声光显示. 可以通过 LED 指示灯清楚的看到气体 浓度级别, 传感节点的设计框图如图 2 所示. 本方案选用 Chipcon 公司的 CC2430 做节点的主 要处理芯片, CC2430 是Chipcon 公司提供的全球首款 支持 ZigBee 协议的 SOC 解决方案, TI 公司对芯片提 供了更丰富的技术支持, 提供全球先进的 ZigBee 协议 栈、 工具包和参考设计, 具有领先业界的 ZigBee 解决 方案. 目前, 该产品已经在汽车电子、 工业控制和无线 传感领域得到了广泛的应用,同时也适用于 2.4 GHz 频率以外的其他设备[5] . 利用 AltiumDesigner 电路板设计软件设计的采集 有害石化气体信息的传感子节点如图 3 所示. 电路板采用 4 层设计, 两面走信号线, 中间两层 分别为电源层和 GND 层,电源层又分割为分为 3.3 V 和5V两块,图3左图为用 AltiumDesigner 电路板设 图1系统总体结构图 Fig.1 Structure of whole system 传感节点 传感节点 传感节点 传感节点 传感节点 采集节点 ARM7 加热电路 (可以考虑 高频加热) 保护电路 气敏探头 探头测温 以及温度 补偿电路 信号比较 信号放大 信号降噪滤波 电源供电模块 调零及校正 模拟开关CC2430 模块 控制单元 监测单元 通信单元 数据处理 (AD 转换、 线性化处理) 图2传感节点设计框图 Fig.2 Design diagram of collecter sensor node 图3传感器节点 PCB 布置图 Fig.3 PCB routing of collecter sensor node 78 — — 第1期计软件设计的 PCB 图, 右图为实际加工后的 PCB 图, ZigBee 芯片外围的电路中电阻电容均采用 0402 封装, 为了保证较好的射频信号的完整性, 电源部分以 及滤波电路远离 ZigBee 射频部分在 PCB 设计中给天 线留出了较大的空余空间,以便信号能降低干扰, 从 而有效地收发信号. 整个电路板采用方形设计长度为 60 mm, 宽度为 30 mm, 厚度为 1.6 mm. 2.3 射频收发天线的设计 由于石化行业作业空间广、 区域大, 为做到 Zig原Bee 网的全覆盖, 同时为了减少 ZigBee 网络内节点过 多引起的信息冗余与有效信息失真, 本文从天线着手 研究最优化设计, 增强灵敏度, 提高通信质量, 提高通 信距离. 本文研究的信息采集节点间的单点对单点通 信距离逸90 m. ZigBee 网络组建后单个网络的覆盖范 围高达 10 000 m. 由于 ZigBee 网络具有可大可小并且 可以 "无限扩展" 的性质, 可以用一个 ZigBee 网络或多 个网络达到对广域危险环境的覆盖. 射频信号的收发采用差分方式,信号从 RF_N 与RF_P 两口输入与输出. 其最佳差分负载为 115+j180 赘, 信号阻抗匹配电路根据该负载值进行微调. 设计采 用50 赘 单极子非平衡天线, 由于 CC2430 的差分射频 端口具有两个端口,而天线是单端口输入与输出, 因 此采用巴伦电路 (平衡/非平衡转换电路) 完成双端口 到单端口的转换. 因为设计中通过弯形走线的阻抗来匹配 50 赘电阻要求, 所以在 PCB 设计中对弯形走线的长度、 宽度、 PCB 板材均有严格要求. 2.4 采集节点的程序设计 ZigBee 采集节点即协调器, 完成中心数据管理的 任务[6] . 采集节点完成多个子传感节点采集数据的无线 收发任务. 采集节点需要组建 ZigBee 网络、允许传感 节点加入网络、 绑定传感节点、 将气体浓度信息传送 给上位机. 采集节点上电后, 先搜索信道, 选定信道后将完 成初始化和建立网络的任务,包括 PANID 的设定、 传 感节点地址的设定和其他一些网络参数的设定. 如果 有传感节点加入网络时, 其发送的信息正确, 采集节 点将允许其加入网络,并分配给传感节点一个 16 位 的短地址与相关的网络参数. 如果采集节点收到了传感节点的绑定请求, 采集 节点将相应传感节点的绑定请求. 关于接受到的数 据, 采集节点在接受到数据的同时, 还要将数据通过 串口发送到上位机, 来检测气体浓度的变化, 采集节 点的程序流程图如图 4 所示. 3 ADC 数据采集软件实现 CC2430 芯片自带一个 14 位的 ADC (模/数转换 器) ,与其他一般的片上系统处理器具有的 8 位模数 转换不同. 该14 位转换器具有 1 个参考电压发生器、 8 个独立的可进行配置的通道、电压发生器和通过 DMA 模式把模数转换后的结果写入内存的控制器[7] . 使用 ADC 时要注意的是, 必须配置 IO 口里的 P0 口作为 8 位ADC 输入的转换口[8] ; 此时, ADCCFG 相 依的位应该设置为 1, 否则寄存器 ADCCFG 的各位初 始值为 0,不能完成 ADC 转换使用. ADC 程序编写流 程如图 5 所示. 允许传感节点加 入并分配短地址 等待加入网络 开始绑定采集节点 接收数据 搜索信道 硬件初始化 建立网络 是否成功 有节点加入? 发送完成 格式是否正确? 接收完成 串口发送数据包 Y N N Y Y Y N Y N N 图4采集节点的程序流程 Fig.4 Program flow of sensor node 图5ADC 程序编写流程 Fig.5 ADC programming process 通讯模块初始化 发送数据 ADC 转换状态位 选择信道 选择输出功率 选择发送数据包 开始接受数据 选择增益 通信模式选择 (发送/接收) 丁承君, 等: 基于 ZigBee 的有害气体信息采集系统设计 79 — — 天津工业大学学报第31 卷 相关寄存器的使用有: ADCCFG (ADC 输入配置 寄存器) 、 ADCL (ADCL 数据转换后低位) 、 ADCH (AD原CL 数据转换后高位) 、 ADCCON1 (ADCL 控制寄存器 1) 、 ADCCON (ADCL 控制寄存器 2) 、 ADCCON3 (ADCL 控制寄存器 3) . 4 采集节点与上位机的通信 数据无线发射后, 传输给采集节点 (协调器) , 最 后传输给上位机. 在协调器与上位机传输时,使用到 CC2430 的UART 模式. UART 采用的是一种全双工传 送方式, 接收器的位同步不影响发送功能[9] . 具有 US原ART0 和USRT1 两个串行通信接口模式. 这2个串口 可工作在 UART (异步通信) 模式或者 SPI (同步通信) 2 种方式,由串口控制/状态寄存器的 U0CSR.MODE 来 选择串口工作模式, 传送的 UART 字节有: 1 个起始数 据位、 8 个数据位、 1 个第 9 数据位 (作为可选项) 或者 奇偶校验位、 1 个 (或 2 个) 停止位. 在传感节点和采集节点 (协调器) 建立绑定关系 后, 终端节点会启用气体浓度采集程序, 传感节点每 隔5s采集 1 次数据, 并将数据发送给采集节点, 采集 节点通过串口将数据发送给上位机, 在上位机的串口 程序上显示出来. 5 结束语 本文针对广域危险环境下有害气体浓度的测量, 采用了 MQ-5B 传感器实现对危险气体信息的采集, 实现了一种基于 ZigBee 星型网络, 数据处理平台基于 ARM7 嵌入式系统的多点无线有害气体浓度的采集, 完成了对传感节点和采集节点的硬件设计, 并在 Zig原Bee 协议栈的基础上进行了软件编程,实现了星型网 络的组建、 数据采集、 无线通信和串口通信的功能. 通 过实验调试和实践验证, 该采集系统达到了设计要 求, 效果良好. 参考文献: [1] 吴宗之援 重大危险源控制技术研究现状及若干问题探讨[J]援 中国安全科学学报, 1994 (4) : 17-22. [2] 虞汉华,虞谦. 大型城市重大危险源监管与应急救援体 系的研究[J]. 2005, 9: 96-99. [3] 陈洪程, 贾良菊, 应鹏展, 等援 气敏传感器的研究现状与发 展趋势[J]援 煤矿机械, 2005 (4) : 3-5. [4] 苏铁力, 关振海, 孙继红, 等援 传感器及其接口技术[M]援北京: 中国石化出版社, 1998: 49-52. [5] KIM Tae-gu, KIM Jeong-hie. Current risk management status of the Korean petrochemical industry[J]援Journal of Loss Preven原tion in the Process Industries, 2002,15: 311-318. [6] RAMASUBRAMANIAN V, CHANDRA R, MOSSE D. "SRL: A Bidirectional Abstraction for Unidirectional Ad -Hoc Net原works, " INFOCOM 2002, June 23-27,New York, 2002. [7] 马巧娟, 郑萍, 王晓光, 等. 基于 ZigBee 和LabVIEW 的多 点无线温湿度采集系统设计[J]. 中国仪器仪表, 2009, 4: 49-50. [8] 崔莉, 苗 勇援 无线传感器网络研究进展[J]援 计算机研究 与发展, 2005, 42 (1) : 163-174. [9] AKYILDIZ I F,WANG X. Survey on wireless mesh networks [J]. IEEE Communications Magazine, 2005, 4: 23-30. 80 — —