陶苗苗

【摘要】    针对高校无线传感器网络及Zigbee技术的课程，设计了教学案例基于Zigbee技术的气体监测系统，可方便、精确地监测环境中的气体浓度，该系统充分利用Zigbee技术短距离、低功耗、低成本的特点。系统以CC2530为控制核心，采集气体浓度信息、发送并实时显示。通过测试，节点模块能准确地检测气体浓度，且节点间可顺利实现数据的传输。

【关键词】    Zigbee    无线网络    气体浓度监测    CC2530

引言

无线传感器网络（Wireless Sensor Networks， WSN）本身便是分布式傳感网络的一种，其末梢能够很好的对外界传感器进行感知和检查。无线传感器网络本身便是通过无线通信技术把传感器节点以自由式进行组织与结合进而形成的网络形式，其组建方式自由、灵活。

针对高校开设的无线传感器网络课程及ZigBee技术相关课程实践的需要，设计了一套基于ZigBee技术的气体监测系统，能实时监测环境中的有害气体浓度，预防安全事故。该系统结合单片机、气体传感器、无线传输等技术，利用传感器检测气体浓度，单片机分析处理数据，并结合Zigbee无线传输网络将检测结果传输到控制室，及时通知管理人员。当有毒有害气体泄漏时能及时将报警信息传递到控制室，便于管理人员采取措施补救，尽量地减少人员伤亡和财产损失。

一、系统概述

本系统由四部分组成：气体检测、终端节点、协调器节点和上位机。系统检测气体浓度信息，并通过Zigbee网络将信息传送给上位机。在Zigbee网络中，进行协调器节点网络的建立，并将节点加入进来，终端节点能够发现并加入到网络中来，网络将完成信息的采集、处理和通信功能。终端节点与传感器相连，采集气体浓度、预处理、发送;协调器节点与上位机相连，通过RS232将接收到的信息发送给上位机实时显示。

二、硬件设计

系统采用模块化的设计方法进行硬件设计，方便以后增加功能和升级，增强系统的兼容性和扩展性。该系统主要包含气体检测模块、Zigbee节点模块（终端节点和协调器节点）、上位机显示模块三部分，主要由CC2530芯片、MQ系列传感器和电脑等组成。

2.1 气体检测模块

MQ系列传感器属于半导体气敏传感器，敏感材料本身的活性很高，一般都是金属氧化物半导体，具有广泛的探测范围、选择性好、灵敏度高、稳定性好等特点。可用于家庭和工厂的气体检测，适用于液化气、丁烷、丙烷、甲烷、酒精、氢气、烟雾等多种气体的探测。MQ型传感器由微型陶瓷管、敏感层、测量电极和加热器等构成，传感器电阻随着气体浓度的增加而减少，相应的输出电压则会变大[3]。若是传感器环境中有待检测的气体，传感器电导率也会随着气体浓度的不断增加而不断的加大。通过较为简单的电路便能够把电导率变化转变成为和气体浓度对应的信号并输出出去。

2.2 Zigbee节点模块

ZigBee无线通信网络主要由协调器、路由节点及终端节点3种节点组成。协调器是启动网络和维护网络;路由节点是转发数据包;终端节点是发送和接收数据。在刚刚进行网络建立的时候，每个网络的协调器节点往往只有一个，其需要做好发起网络、设定参数、管理和维护信息相关的工作，也能够协助进行应用层和安全层绑定。协调器节点主要由处理器模块、RF前端、电源管理模块及各外部接口等组成。终端节点是具体执行的数据收集传送的设备，无法连接到其他节点并且不能传送其他节点的消息，是整个网络的最后一点，只能直接向协调器返回数据。

CC2530芯片是TI公司推出的Zigbee/IEEE802.15.4标准的系统级芯片，其网络节点建立的成本比较低，网络节点本身也比较强大。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[4]。CC2530 具有不同的运行模式，这也确保了其能够满足超低功耗要求系统。运行模式转换时间也能够降低能源消耗。以CC2530为核心，配合不同的外围电路即可构成类型的网络节点（终端节点和协调器节点）。

2.3 显示模块

终端节点采集信息显示在LCD上，协调器节点通过RS232与PC机相连显示信息。

三、软件设计

本系统在IAR Embedded Workbench开发环境下，采用TI-Zs tack协议栈，用C语言编写程序，并编译、调试。实现的功能有数据采集、存储、发送和显示等。协调器节点和终端节点的工作流程图分别如下图1和图2所示。

四、系统测试

将程序分别下载到协调器节点与终端节点。协调器连接PC机，打开串口调试助手，设置相应的COM口及波特率;带LCD显示的终端节点与气体传感器相连检测气体浓度信息。协调器建立网络后，两个节点间可按照Zigbee协议正常通信，终端节点采集信息显示在LCD上并无线发送，协调器节点无线接收到信息并发送给PC，显示在串口调试助手界面上。根据以上测试，Zigbee数据发送和接收如图3和图4所示。

五、结论

本文设计了教学案例基于Zigbee技术的气体监测系统，该系统利用Zigbee技术，以低成本、低功耗的CC2530为核心，系统结构简单、操作方便。该教学案例有助于学生更好地理解无线传感器网络与zigbee技术的应用。

参  考  文  献

[1] 高守玮， 吴灿阳. Zigbee技术实践教程[M]. 北京：北京航空航天大学出版社， 2011： 27-52

GAO S W， WU C Y. Zigbee technology practice tutorial [M]. Beijing： Beijing University of Aeronautics and Astronautics Press， 2011： 27-52

[2] 张立， 刘奕君， 赵强. 基于CC2530的重症监护病房环境实时监测系统设计[J]. 计算机测量与控制， 2014，22（8）： 2422-2424

ZHANG L， LIU Y J， ZHAO Q. The design of environmental monitoring system in the intensive care unit based on CC2530 [J]. Computer Measurement and Control， 2014， 22（8）： 2422-2424

[3] 苏润， 陈峰， 刘锦淮. 气敏传感器信号采集的研究[J]. 半导体技术， 2003，28（11）： 52-55

SU R， CHEN F， LIU J H. Study on signal acquisition of gas sensor [J]. SemiconductorTechnology， 2003， 28（11）： 52-55