计算机工程应用技术本栏目责任编辑：贾薇薇ZigBee 技术在气体浓度监控系统中的应用 袁文鼎，李昌华
（西安建筑科技大学信息与控制工程学院陕西西安710055）催化剂评价
摘要：文章介绍了基于ZigBee 无线传感器网络的气体浓度监测系统的组成结构，适用于冶炼厂环境下对各种气体的检测。凭借基于ZigBee 技术的无线传感器网络节点移动灵活、组网简单、成本低、网络易维护等特点，该监测系统有着很大的推广应用价值。关键词：监控系统；无线传感器网络；ZigBee ；CC2430 中图分类号：TM93文献标识码：A 文章编号：1009-3044(2008)05-1235-02
Application of ZigBee Technology in The Concentration of Gas Moitoring System
高效渗透剂
YUAN Wen-ding,LIN Chang-hua
(School of Imformation&Control Engineering,Xi'an University of Architecture and Technology,Shanxi,Xi'an 710055,China)
Abstract:The paper introduced structure of mine monitoring system based on ZigBee wireless sensor network,which is adapted to gas monitor in environment of smeltery.The monitoring system has great application value in mine by right of characteristics of ZigBee wireless sensor network ,such as node movable ,rapid and simple in networking ,low cost ,easy maintenance.
Key words:monitoring system;wireless sensor network;ZigBee;CC2430
1引言
无线传感网络是大量的具有无线通信能力、体积小、能源受限的传感器节点组成的无线网络。由于无线传感网络的特点，可以解决一些高危险环境下，人工方式现场采集困难，工作量大，实时性差，布线难度大、成本高等问题。
金川集团公司是中国最大的镍及贵金属生产基地，贵金属车间从镍电解阳极泥中分离出铂、钯、金、锇、铱、铑、钌等贵金属，并提纯为纯金属的过程称为贵金属的分离提纯。在提纯过程中，
需要分离大量的铜，分离铜的过程采用浸出工艺，在生产过程中，应用到大量的，二氧化硫、甲醛等危险气体，这些
气体腐蚀性强，毒性大，一旦泄漏就会危及人身安全，为保证
过程安全，在生产车间不同的空间布置了大量的、二氧化
硫、甲醛等浓度监测传感器。原采用的测量参数传输用有线传
输方式，大量的传输导线分布在车间内，因生产过程很强的腐
蚀性，经常损坏传输导线，造成测量故障，空间内布置传感器
由于吊装受吊装设备影响无法铺设电缆，无法实现检测，造成
了测量盲区。因此无线传感网络对这类高危环境下的数据采
集以及传输应用的环境监测系统具有显著的优势。
2ZigBee 概述
ZigBee 技术是一种应用于短距离范围内、低传输数据速率下的各种电子
3d打印机制作
设备之间的无线通信技术。“ZigBee ”的名字源于蜂使用的赖以生存的通信
方式———zig-zag 形状的舞蹈，来通知同伴发现新食物的位置、距离、方向等
滚压头
信息。ZigBee 是基于IEEE 批准通过的802.15.4无线标准研制开发的，其频
段是免费开放的，分别是2.4GHz （全球）、915MHz （美国）、868MHz （欧洲），分
别提供250kb/s 、40kb/s 、20kb/s 的传输速率。为了避免干扰，各频段采用直接
序列扩频技术。根据节点的不同，ZigBee 设备可分为全功能设备（Full-
Function Device ，FFD ）与半功能设备（Reduced-Function Device ，RFD ）。
从表1中可以看出,ZigBee 技术与其他几种无线技术相比较，其优势在
加密代理
于协议简单、成本低、功耗小、可靠性高、组网容易，这些特点满足工业控制、
工业无线定位、家庭网络、楼宇自动化、消费产品等多个领域。
3系统总体方案概述
系统构成框架如图1所示，在车间内安装若干无线传感器终端节点，对 被测对象进行实时数据采集，通过ZigBee 无线技术发送至协调器。协调器对
数据进行初步处理，并通过串行通信接口以及网关连接DCS 工业控制网，并
将实时数据送至服务器，由连接至服务器上的监控中心对数据进行监控预警收稿日期：2009-01-05
作者简介：袁文鼎（1982-），男，甘肃金昌人，硕士研究生。研究方向：计算机控制技术；李昌华，男，教授，博士生导师，现任西安建筑科技大学信息与控制工程学院院长。
表1无线技术比较
图1有毒气体检测报警无线网络拓扑图ISSN 1009-3044
Computer Knowledge and Technology 电脑知识与技术
Vol.5,No.5,February 2009,pp.1235-1236E-mail:kfyj@cccc www.dnzs Tel:+86-551-569096356909641235
本栏目责任编辑：贾薇薇计算机工程应用技术Computer Knowledge and Technology 电脑知识与技术第5卷第5期(2009年2月)处理，根据预警策略判断是否进行安全警报及相关处理。当气体浓度超标时，进行强制通风和调整气体阀门控制气体流量操作。4系统硬件设计
无线传感器终端节点由数据采集单元、数据处理单元、数据传输单元、电池供电单元等功能模块组成，节点原理框图如图2。数据采集单元主要通过传感器对车间内、二氧化硫、甲醛、氧气浓度进行采集；数据处理单元控制整个节点处理操作；数据传输单元完成与协调器节点的交互工作；电源供电单元负责对终端节点供电。
无线传感器终端节点是以CC2430无线模块为核心，配以相应的开发电路作为单节点终端。其中，使用的新一代射频SOC 芯片CC2430具有8位MCU8051内核，并具备128KB 闪存和8KB RAM，包含模数转换器(ADC)、1个16位计时器和2个8位计时器、AES2128协同处理器、看门狗定时器、32kHz 晶振的休眠模式定时器、上电复位电路、掉电检测电路，以及21个可编程I/O 引脚。采用0118μs CMOS 工艺生产，工作时的电流损耗为27mA，采用7×7mm48脚QLP 封装。
无线气体传感器对被测对象（、氧气、二氧化硫、甲烷等
气体）进行数据采集，将气体浓度的物理量转化为电信号，通过数
据处理单元电路将采集来的信号进行电平转换、滤波、放大的信
号调理，送至CC2430A/D 输入引脚进行模数转换。CC2430对数据
打包发送至协调器单元。由于CC2430有FLASH 存储模块，对采
集的数据有一定的存储能力，所以可以减少RF 射频的工作次数
进而降低功耗。终端节点大部分时间处于休眠状态，此时功耗小
于1uA ，当节点没有传感任务且不需要发送数据时，关闭节点通信
模块、数据采集模块以节省能量。协调器收到数据包后，根据终端
子节点地址信息，原路返回发送确认信息，与终端节点实现握手
通信，如果终端节点并未受到确认消息则继续发送数据，直到收
到确认消息。协调器有RS232接口，可以与其他设备相连，接入DCS 工控网络，传值监测中心。终端子节点电源电路采用两节5
号碱性电池供电。协调器由于一直处于收发状态，所以采用外部
电源供电。
5系统软件设计
气体浓度监控系统软件设计主要使用模块化程序设计，由传感器终端节点和协调器节点组成。由于终端节点工作模式大部分时间在休眠状态，因而可以降低功耗，使用电池寿命长。系统传感器终端节点流程图如图3所示，协调器节点程序流程图如图4所示。
管式热交换器原理图
图3协调器程序流程图图4终端节点程序流程图
6结束语
本文提出了在高危环境下，通过基于ZigBee 无线技术的传感器网络，对有毒气体的浓度监测系统的设计方案，解决了布线困难、节省了开支，提高系统的灵活性。ZigBee 技术以其自身的特点，将会在今后时间里迅猛发展，应用越来越广泛。
参考文献：
[1]
ZigBee Alliance,ZigBee Specification 2006Document 053474r13[DB/OL],[2]
Texas Instruments ,CC2430_Data_Sheet_1_02[DB/OL],focus.ti/lit/ds/symlink/cc2430.pdf ,2006.[3]
李文仲段朝玉.《ZigBee 无线网络技术入门与实战》[M].北京：北京航空航天大学出版社,2007.[4]孙立民等.无线传感器网络[M].北京：清华大学出版社,2005.
图2节点原理框图1236
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