基于IEEE1451_5标准的家居环境废气监测系统设计与研究

邓 超，许丽娟

（1. 广东科技学院，东莞 523083；2. 广东工业大学 华立学院，广州 511325）

0 引言

随着经济的高速发展以及快速城市化进程,城市生活垃圾的产生量迅猛增长,对环境的影响越来越严重,如何合理处理城市生活垃圾已成为社会发展必须解决的问题。其中，一些人口密度大、土地资源缺乏的城市将未能回收利用的生活垃圾进行现代化的焚烧处理。为了减少焚烧过程中产生的废气对周边环境造成的污染，避免垃圾焚烧处理与周边居民发生环境纠纷事件，利用现代化的监测手段, 加强对设施的监管是环境监管的迫切任务, 也是构建和谐社会的需要。

本文将无线传感器网络技术和LabVIEW远程面板技术相结合，设计一种低功耗、低成本、组网灵活、人机界面友好、可方便进行现场和远程管理的城市生活垃圾焚烧监测系统。

1 IEEEl451_5标准简介

基于IEEE 1451_5标准的无线传感器技术定义了无线通信与变送器电子数据表格，在已有的IEEE 1451框架下，构筑一个开放的标准无线传感器接口，主要是为智能传感器的连接提供无线解决方案，尽量减少有线传输介质的使用，以满足工业自动化等不同应用领域的需求。IEEEl451_5标准的核心是TEDS，其结构极其紧凑，具有灵活性与扩展性，可以适应不同类型传感器的要求。TEDS 信息分为以下几个关键部分：第一部分即基本TEDS, 包含了必要的传感器识别信息；第二部分是IEEE 标准TEDS, 包含传感器专用的“数据表”信息，一般是正确配置电气接口并将测量数据转换为工程单位所需要的数据；最后一部分用来存放传感器中自定义数据和信息。TEDS应包含的信息有厂商信息、模块编号、版本信息、产品序列号、灵敏度、测量范围、物理单位、传输功能、输出范围、校准信息以及用户数据等。

2 系统结构

系统采用了分布式体系结构，将各个垃圾焚烧点的PC机群通过以太网连接到检测系统。系统的整体框架如图1所示[1]。

系统可以分为下位机系统部分和上位机系统部分。系统的上位机系统又可以分为数据中转服务器、数据库服务器和Web 服务器。中转服务器负责与气体监测仪器的数据交互；数据库服务器负责存取和管理各系统数据和环境数据；Web 服务器负责与外界的数据交互。下位机系统负责现场环境气体数据的采集、暂存和传输,主要由气体数据采集模块、无线通讯模块及数据处理模块构成。数据采集模块主要对垃圾焚烧产生的二氧化碳、氮氧化物、氯化氢等废气参数进行检测和变送；数据处理和存储部分将采集来的信号转换为计算机和操作人员可识别的数据量, 并存储在存储芯片中；数据传输部分将存储在芯片中的数据,根据上位机部分的请求或者以主动上报的方式, 传送给上位机。整个系统的节点模块硬件框图如图2所示。

由节点框图可以看出，系统的核心组成部分是 WTIM（Wireless Transducer Interface Module，无线变送器接口模块）和NCAP（Network Capable Application Processor，网络适配器）。WTM的功能主要是实现模拟信号调理、触发、模/数转换、数/模转换、命令处理、TEDS（Transducer Electronic Data Sheet，变送器电子数据表）存储、数据传输、通信功能；NCAP的功能包括通信、接口控制、路由、变送器探测、数据校正、TEDS解析、消息编码和解码、参数映射、用户应用处理和LAN接口。WTIM和NCAP硬件结构如图3所示[2]。

3 数据采集

数据采集过程中首先由TGS2600气体传感器负责读取垃圾焚烧产生的废气信号，然后由AT89C52单片机控制处理数据，并通过SPI方式将数据传送给通信模块子节点。

3.1 气体传感器

系统检测采用日本FIGARO公司开发生产的一种新型半导体气体传感器TGS2600，它能够灵敏地感知空气中的低浓度污染物的异味，如空气中的低浓度香烟污染物和其他异味，对NO2、CO等有较高的敏感度。TGS2600具有成本低、体积小、寿命长、选择性和稳定性好等特性，它构造简单，由传感器基板，气敏元件和传感器盖帽组成。气敏元件由一个以金属铝做衬底的金属氧化物敏感芯片和一个完整的加热器组成。利用加热器加热，以侦测气体附着于金属氧化物表面而产生的电阻值的变化。在检测气体时，传感器的传导率依赖于空气中气体浓度的变化。在目标气体不存在的状态下，大量附着的空气中的O2会捕捉电子，而呈现出高阻状态；相反的，若有目标气体存在，则因为会与氧产生一种燃烧反映，自由电子的量增加，而电阻值则降低。用一个测量电路能将该传导率的变化转化成对应于气体浓度变化的输出信号。TGS2600传感器基本测量电路如图4所示[3]。

3.2 AT89C52单片机

系统数据采集模块主要以AT89C52单片机为控制处理核心，由它完成对气体传感器输出数据的采集处理，并控制数据的无线传输。AT89C52芯片有40个引脚，32个外部双向输入/输出(I/O)端口。同时内含2个外中断tel，3个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信tel，2个读写口线。AT89C52单片机具有快速8051内核、8 KB Flash E2PROM、256字节RAM。为实现无线数据传输，采用无限收发一体数据传送MODEM模块PTR2000器件，该器件内部集成高频接收、PLL合成、PSK调制/解调、参量放大、功率放大、频道切换等功能，完全符合无线数据通信的硬件要求。

系统采用C语言对AT89C52单片机进行编程,调用采集程序对垃圾焚烧废气数据的采集、完成A/D转换、滤波、ASCII码转换，数据存储后利用SPI方式将数据传给通信子节点。其控制流程如图5所示。

4 节点无线通讯模块

系统节点无线通讯接口由Chipcon公司生产的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标准的2.4GHz的RF无线收发机，具有优良的无线接收灵敏度和强大的抗干扰性、数字化的RSSI/LQl支持和强大的DMA功能，集成了14位模/数转换功能。其内部结构示意图如图6所示，在单个芯片上整合了ZigBee 射频(RF)前端、内存和微控制器。它使用1 个8 位MCU（8051），具有128 KB可编程闪存和8 KB的RAM，还包含模拟数字转换器(ADC)、几个定时器（Timer）、AES128 协同处理器、看门狗定时器（Watchdog timer）、32 kHz晶振的休眠模式定时器、上电复位电路(Power On Reset)、掉电检测电路(Brown out detection)，以及21 个可编程I/O 引脚。芯片采用0.18µm CMOS 工艺生产，在接收和发射模式下，电流损耗分别低于27 mA 或25 mA，并且，CC2430 从休眠模式转换到主动模式的时间超短，延长了电池寿命。

5 软件设计

本系统采用基于B/S模式的LabVIEW远程面板技术开发，进行数据采集、分析和远程监控。在硬件连接检测正常情况下，启动软件获取传感器采集的数据，自动识别传感器编号，下载TEDS表格数据并显示数据。用户可以进行本地数据访问，也可以通过远程访问。登录系统后进入如图7所示气体数据采集模块，选择采集节点、采集通道和采集间隔时间进行气体采样，并可以将结果保存下来。完成数据采集后显示采集数据，并可以根据我国《生活垃圾焚烧污染控制标准》要求中生活垃圾焚烧厂大气污染物排的放指标进行数据分析。

6 结论

本文基于无线传感器网络技术, 设计了一种基于无线传感器网络的城市生活垃圾焚烧在线检测系统。该系统利用传感器节点采集处理垃圾焚烧废气、并通过NCAP控制数据进行无线传输，工作人员可分别在监测现场和远程端通过应用软件来获取监测数据并作出分析。综上所述，本文的研究在传感器数据采集领域和智能监测系统建设领域具有实际参考价值。

[1] 马巧娟. 基于IEEE+1451.5无线传感网络的研究与设计[D]. 西华大学, 2010.

[2] 杨毅, 许杨文. 基于IEEE标准的智能监测系统集成研究[J]. 通信技术, 2009, 42(09): 115.

[3] 张兢. 空气传感器TGS2600在空气质量监测中的应用.中国传动网, 2008.