基于ZigBee通信和ARM控制器的车内有害气体浓度带电检测

刘 雁

(广州大学松田学院电气与汽车工程系,广东 广州 511370)

0 引 言

随着计算机技术、嵌入式技术以及无线传感器网络技术的迅速发展，先进的、多技术融合的嵌入式系统的应用范围越来越广。社会经济发展除带来经济的增长外，也造成了严重的环境污染和安全问题，雾霾污染严重、有害气体挥发泄露现象频繁，对人们的生命健康造成严重威胁，当前一些针对环境污染气体监测的手段和设备较为落后，且监测范围和监测效果不明显，无法对移动空间如车内的有害气体浓度实时有效监测，针对这一领域，学者进行了大量研究。文献[1]设计系统依靠无线传感网络设计气体浓度监控系统，采用红外测量模块S300作为传感器节点的核心模块对气体浓度进行测量，无法实现实时的数控管理，检测气体浓度的可靠性无法保障；文献[2]基于ARM控制器的猪舍有害气体无线检测控制系统，利用上位机上位机有线连接气体数据分析设备对气体浓度进行监测，该系统检测设备和分析设备不能距离太远，且猪舍空气流通性大，检测结果不明显，与实际含量相差较大。检测设备受到传输线限制，切不能对行驶车辆进行有害气体检测是该领域中存在的普遍问题。为解决上述问题，设计基于无线传感器的车内有害气体浓度带电检测系统，实现对车内有害气体浓度的有效带电检测。

1 基于ZigBee通信和ARM控制器的车内有害气体浓度带电检测系统

车内有害气体浓度带电检测系统的总体功能结构如图1所示。当ZigBee无线网络[3]节点连接电源后，网络建立成功，传感器节点上包括温湿度传感器、气压传感器以及测量对人体有害的一氧化碳传感器，这些传感器对车内的整体气体环境进行数据采集，传感器节点采集到的车内有害气体信息经低功耗射频模块发送出去，有害气体信息经ZigBee无线网络传输到ARM控制器[4]，通信控制器在接收到数据信息后采用ARM处理器处理，最终将结果显示出来，实现对车内有害气体浓度的有效带电检测。

图1 系统总体功能结构框图

1.1 ZigBee无线通信模块设计

Zigbee是一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术，介于无线标记技术和蓝牙之间的技术方案，适应无线传感器的低花费、低能量、高容错性等的要求，同时，网络容量大，安全性较高，传输数据可靠性较好。但成本较高，自组织网络能力一般。本文采用Zigbee技术，是因为其技术特点满足各种电子设备之间进行数据传输，以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用。该模块由路由节点、协调节点以及终端传感器节点共同组成[5]。设计ZigBee无线通信模块的功能结构如图2所示，气压传感器将采集到的模拟信号传送至微处理器内部的模数(Analog Digital,AD)转换器入口处，进行模数转换，终端传感器节点将采集到的温湿度信号传送给微处理器CC2340[6]。由终端节点微处理器CC2430检测到的数据信息采用射频的形式发送出去，实现对气体监测信息的数控管理。CC2430是一个系统芯片互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor, CMOS)解决方案。该解决方案能够提高性能并满足以ZigBee为基础的2.4 GHz 波段应用，其优点是成本较低，功耗较低。另外，路由节点对来自传感器节点信息进行协调和转发，凭借网络路由表和相邻表查找目的地址[7]。除实现上述功能外，ZigBee无线通信模块还能够对成本节点的信息进行采集。

图2 ZigBee无线通信模块功能结构框图

1.2 ARM控制器模块功能设计

ARM通信控制器模块中控制器负责接收来自所有无线通信模块传送的气体监测信息，实现对无线通信模块连接设备的把控，ARM通信控制器模块方便检测人员在车内随时采用ARM控制器连接ZigBee网络实现对相关气体浓度的检测[8]。

图3 ARM通信控制器功能结构

1.3 一氧化碳传感器测量电路设计

本文设计基于无线传感器和ARM的车内有害气体浓度带电检测系统，主要对车内的一氧化碳气体浓度进行检测，系统采用ME2-CO一氧化碳传感器进行浓度带电检测，该传感器在应用中具有测量范围广、稳定性强受外界环境干扰小以及测量精度高和功耗低等优点。该传感器测量电路结构如图4所示，其工作流程为：一氧化碳传感器输出的弱信号经过LM358滤波电路放大后，经由P0.6接口发送到CC2430，最后进入到AD转换[9]，且输出的电压结果与车内一氧化碳气体的浓度比为正数。

图4 ME2-CO一氧化碳传感器测量电路

1.4 软件设计

上位机软件为NI公司的LABview虚拟仪器[10]，其能够以图形化的语言进行编写，程序包括前面板、图标连接器以及程序框图等。系统首先进行基本的初始化配置，初始化完成后根据下位机传输的数据信息，对有害气体的数据进行定量的分析处理，处理后的结果在监控中显示，同时保存这些数据信息，系统检测到准确的数据后，将数据传输回使用者[11]。其中下位机传输的数据信息是6位字符是数据，第一个字符表示传感器的编号[12]，后五位的字符表示检测到有害气体的浓度。

系统对一氧化碳气体浓度的带电检测软件部分同样采用模块化的设计方式，软件部分包括对传感器终端节点和协调器节点设计两部分，其中终端节点的工作状态大部分为休眠状态，该工作状态可降低系统的能耗，提升系统使用寿命，图5和图6分别为传感器终端节点和协调器节点的实现流程。

图5 传感器终端节点程序流程

图6 协调器节点程序流程图

2 实验分析

实验为验证本文基于ZigBee通信和ARM控制器的车内有害气体浓度带电检测系统的有效性，实证分析本文系统的实际应用效果，且为突出比较本文系统的有效性，将基于无线传感器的气体浓度监测系统的一氧化碳气体浓度检测结果作为实验参照，对比分析本文系统的高效性。实验以人流量较大的几条上海至合肥的火车为例，检测不同车厢内一氧化碳气体的浓度，实验选取K1156、K1107和K8363三条铁路线路作为研究对象，由于空气中包含多种气体，且温度、湿度、气压等一些其它环境因素都会对一氧化碳的浓度检测结果造成影响，实验忽略其它一切外界因素的干扰，假设车厢为理想状态进行一氧化碳浓度检测。分别采用两种系统对三条铁路线中的12个车厢的一氧化碳浓度同时进行检测，验证本文系统的有效性，从单位立方米检测出有害气体浓度的准确性和得到准确浓度的用时结果两方面进行评判。

2.1 车内一氧化碳浓度检测准确度分析

实地对车厢进行一氧化碳气体浓度监测时，测试人员分别采用本文系统和基于无线传感器的气体浓度监测系统对同一车厢的同一位置进行监测，将两种系统的测试结果与标准B1010-C0一氧化碳测试仪结果进行比较，表1、2和3分别为本文系统、基于无线传感器的气体浓度监测系统以及精密B1010-CO一氧化碳测试仪的一氧化碳浓度检测结果。

表1 本文系统对车内一氧化碳浓度检测结果(mg/m3)

表2 基于无线传感器的气体浓度监测系统对车内一氧化碳浓度检测结果(mg/m3)

表3 精密B1010-CO一氧化碳测试仪对车内一氧化碳浓度检测结果(mg/m3)

将表1、2和3中数据用折线的形式描绘，将三种系统针对不同列车车内的一氧化碳浓度检测结果分别用图7、图8和图9描述。

图7 K1156列车内不同车厢的一氧化碳浓度检测结果

结合表1、2、3数据以及图7可知，采用两种系统对K1156次列车不同车厢的一氧化碳浓度的检测结果有明显差异，分析图7可知，本文系统检测不同车厢一氧化碳浓度曲线与精密B1010-CO一氧化碳测试仪的检测结果曲线的相似度较为贴近，而基于无线传感器的气体浓度监测系统与精密仪器的检测结果的差别较大，说明本文系统应用该次列车进行一氧化碳浓度带电检测具有较强的检测精度。

图8 K1107列车内不同车厢的一氧化碳浓度检测结果

同样根据表1、2、3和图8分析可知看出，在对K1107列车进行一氧化碳浓度检测时，基于无线传感器的气体浓度监测系统与精密仪器的气体浓度检测结果相差较大，本文系统的一氧化碳气体的浓度检测结果几乎与精密仪器的检测结果重合，同样说明本文系统的气体浓度检测精度高。

依次类推分析图9可知，本文系统较基于无线传感器的气体浓度检测系统的一氧化碳气体浓度检测结果精度高，系统在实际应用中具有较强的应用效果，可大范围的应用到车内用于检测对人体有害的气体的浓度。

2.2 一氧化碳检测用时分析

图9 K8363列车内不同车厢的一氧化碳浓度检测结果

评价本文系统的有效性不应单单考虑系统检测气体浓度的准确性，还应将系统检测气体的浓度用时考虑在内，系统进行气体浓度检测用时越短即可降低其它外界因素对实验结果的干扰，结果的可信度就越高，因此在进行上述实验的同时，记录两种系统和精密仪器测得稳定一氧化碳浓度的耗时结果，如表4所示。

为方便比较三种系统的一氧化碳气体浓度检测用时，将表4数据用曲线进行描绘，为节约篇幅实验仅对K1156次列车和K1107次列车中各个车厢的一氧化碳浓度检测用时进行描述，如图10和11所示。

表4 一氧化碳浓度检测用时(s)

图10 检测K1156次列车车内一氧化碳气体浓度用时(s)

图11 检测K1107次列车车内一氧化碳气体浓度用时(s)

综合分析表4和图10和11可得，在采用本文系统进行一氧化碳浓度检测时，测得K1156次列车不同车厢的一氧化碳浓度用时在4.9～10.5 s内上下波动，波动幅度为5.6 s，K1107次列车车厢一氧化碳浓度检测用时在5.5～8.5 s内波动，波幅为3 s；从图中曲线波动情况可以看出，本文系统曲线波动较为缓慢，系统整体的稳定性较强；基于无线传感器的气体浓度监测系统测得K1156次列车一氧化碳浓度用时在13.5～24.1 s波动，波动幅度为10.5，测得K1107次列车一氧化碳浓度检测用时变化区间为13.8～21.2 s，变化幅度为7.4 s；从曲线的波动情况可以看出，该系统进行气体浓度检测时波动性较大，检测结果可信度较差。

将两系统的气体浓度检测用时结果与精密仪器的检测结果对比可以看出，本文系统的用时较贴近，基于无线传感器的气体浓度监测系统用时远远高于精密仪器检测用时，因此说明本文系统在应用于检测有害气体浓度方面具有较强的效率。

3 结 语

本文设计的基于ZigBee通信和ARM控制器的车内有害气体浓度带电检测系统，借鉴无线传感器和ARM的优势进行设计，大幅度地提升了车内有害气体浓度检测结果的精度。从实验对比结果可以看出，本文系统相比单单基于无线传感器的气体密度检测精度要高，本文系统测得K1156次列车一氧化碳浓度用时在4.9～10.5 s内上下波动，基于无线传感器的气体浓度监测系统测得K1156次列车一氧化碳浓度用时在13.5～24.1 s波动，对比检测耗时结果可知，采用ARM后系统的灵敏性大大提升，检测耗时缩短，因此说明本文系统在实际应用中具有较强的应用性。