基于ZigBee技术的可燃气体监测报警系统的设计

2021-07-31黄青龙游胜玉何月顺

物联网技术 2021年7期

黄青龙，游胜玉，何月顺

（东华理工大学软件学院，江西南昌 330046）

0 引言

可燃性气体作为燃料，除用于居民生活外，更广泛应用在发电、制造业、公共建筑、公共交通等领域[1]。但可燃性气体具有易燃易爆特性，如果在使用过程中操作不当或设备密封不好，都可能发生可燃气体泄漏现象，严重时引起火灾或发生爆炸事故，给国家和人民的生命财产造成重大损失[2]。可燃气体泄漏造成的危害已引起人们的广泛关注，因此对可燃气体进行监控尤为重要。为减少可燃气体泄漏带来的损失，文中基于ZigBee技术和CC2530微控制器设计了一种可以实时监控可燃气体泄漏并实现泄漏报警、显示泄漏方位的系统，系统具有成本低、功耗低、复杂度低、可靠性高等优点。

1 技术简介

1.1 ZigBee技术

ZigBee技术是根据IEEE 802.15.4协议（无线个人区域网）开发的一种短距离、低功耗无线通信技术[3]。TI公司的CC2530芯片为ZigBee提供硬件支持。ZigBee技术具有网容量大、自组网、安全性高等特点，适合应用在距离短、能耗低、成本低的无线通信系统中。

1.2 传感器技术

传感器是一种把被测量（主要是非电量）转化为与特定量有确定关系、便于应用的某种物理量（主要是电量）的测量装置[4]。本文选用MQ-9B可燃性气体传感器，该型可燃气体传感器对甲烷、一氧化碳、丙烷、液化气有较高的灵敏度[5]。器件工作原理简单，工作环境和条件易于提供，可在不同条件下对多种可燃性气体进行监测。MQ-9B传感器具有灵敏度高、寿命长、成本低、驱动电路简单等特点。MQ-9B传感器标准工作条件见表1所列，环境条件见表2所列，灵敏度特性见表3所列。

表1 标准工作条件

表2 环境条件

表3 灵敏度特性

2 系统总体结构设计

本文设计的是一种基于ZigBee技术并结合第四代移动通信技术和传感器检测技术的可燃性气体监测报警系统，可以实时、自动、智能监测可能的泄漏点，减少和预防不同情景下可燃气体泄漏而引发的安全事故。系统初始化后，网关与控制节点将自动搭建WSN网络，建立与控制中心的连接，汇聚节点收集的数据通过ZigBee发送给网关与控制节点，由4G通信模块发送给监控中心，待监控中心处理分析数据后实时显示结果，并且结果可查询，若监测结果异常，控制中心将发出警报。系统结构如图1所示。

图1 系统结构

3 系统模块设计

3.1 传感节点模块设计

传感节点模块由CC2530微控制器和传感器模块构成，是系统的数据来源，传感节点数据的准确性直接影响上位机对监测情况的判断。传感节点通电后，节点各模块进行初始化操作。初始化完成后，节点向网关与控制节点发送入网请求，组建WSN网络。节点入网成功后，节点接收命令，开始采集数据并将数据发送给汇聚节点。该系统采用精度较高的MQ-9B传感器构建传感模块。传感模块具有双路信号输出、LED信号输出指示灯、模拟量输出为0～5 V电压、浓度越高输出电压越高等特点。

传感模块将采集的信号进行简单的降噪、放大处理后，通过串口将处理好的模拟信号传送给CC2530微控制器，微控制器中ADC转换器对信号进行A/D转换后，将转换好的数字信号传送给ZigBee无线通信模块，再由其发送给汇聚节点，汇聚节点接收数据后将数据传送给网关与控制节点。传感节点整体结构如图2所示。

图2 传感节点整体结构

3.2 网关与控制节点设计

网关与控制节点由CC2530、4G通信模块等组成。网关与控制节点是网络的核心，它不仅负责组建、协调、管理WSN网络，还需要将汇聚节点发送的数据转发给上位机处理，是系统数据传输的枢纽。选用CC2530芯片作为网关与控制节点的微控制器。CC2530是基于2.4 GHz IEEE802.15.4、ZigBee和RF4CE应用的片上系统（SoC）解决方案[6]，它能以低成本建立强大、可靠的网络节点，同时拥有4种不同的运行模式，其中3种低功耗模式PM1/PM2/PM3使得它极其适合应用在低功耗系统中。运行模式的快速转换可再次降低电能的消耗。采用华为ME909s-821 4G模块作为本系统网关与控制节点的通信模块，实现网关与控制节点和控制中心间的通信。

网关与控制节点工作流程：系统通电后网关与控制节点完成初始化，CC2530处理传感节点发来的入网请求，判断传感节点是否具有入网资格，拒绝或允许节点加入网络。为允许加入网络的传感节点分配网络地址，接着网关和控制节点开始接收汇聚节点发送的数据，将数据简单处理后通过4G无线通信模块发送给控制中心进行分析处理，数据发送完成后4G通信模块进入睡眠状态以降低能耗。网关与控制节点工作流程如图3所示。

图3 网关与控制节点工作流程

4 监控中心设计

监控中心由PC机和服务器组成，使用Java语言编写控制中心软件程序以及系统人机交互界面。监控中心可以管理和控制监控系统，实现对数据的存储、处理、分析、查询、显示，且有权限查看每个传感节点的网络地址，可对传感节点输入对应的位置信息。监控中心可以管控监控系统，一旦气体泄漏，控制中心将触发报警器（声光报警），显示气体泄漏方位以便抢修人员迅速确定气体泄漏地点，并通过4G无线通信网络把报警信息发送至移动终端（如管理人员的手机等），及时报警。