基于ZigBee无线网络的气体监测报警系统设计

摘要 利用ZigBee实现短距离无线传榆数据的技术，提出一种基于ZigBee无线网络的气体监测报警系统。该系统包括终端节点、协调器、GSM模块、手机4部分，终端节点与协调器通过ZigBee无线网络进行通信，且对系统的硬件和软件设计进行了分析。当有毒气体浓度超过警戒值，则驱动蜂鸣器和LED指示灯进行声光报警。实践证明，利用Zigee技术传输数据具有功耗低、时延小、体积小、耗费少等优点。
关键词 无线传感器网络；ZigBee；监测系统；报警系统

目前国内外大部分气体监测系统存在不足：如系统庞大、成本高、安装困难、无法远程监控，过分依赖以电线和电缆为基础的通信设施。并且现在市场上销售的手持便携式设备，需要人员进入监测室内进行测试，测试方法为单点测量，如果要长时间进行监测，设备需要外接电源，使用不方便且对人体有危害。而且单次单点测量得到的数据不一定能代表室内空气中长期存在的污染气体浓度水平，影响监测数据的精确度。及时可靠地探测空气中某些气体的含量，及时采取有效措施进行补救，采取正确的处置方法，减少泄漏引发的事故，是避免造成重大财产和人员伤亡的必要条件。这就对气体的检测和监测设备提出了较高的要求。

1 系统总体方案设计
系统包括终端节点、协调器、GSM(Global System of Mobile Communication)模块、手机与快速化学处理装置5部分，终端节点与协调器通过ZigBee无线网络进行通信，协调器与GSM模块通过串口进行通信，GSM模块与手机通过短信息进行通信，快速化学处理装置对有害气体进行一系列化学处理，实现零污染排放。
目前，5种短距离无线网络技术正成为业界谈论的热点，它们分别是无线局域网(Wi—Fi)、超宽带通信(Ultra Wideband，UWB)、近场通信(Near FieldCommunication，NFC)、蓝牙(Bluetooth)、红外线数据通信IrDA和ZigBee。综合考虑硬件设计复杂度、接口方式、开发周期、开发成本以及通信距离等因素。设计采用ZigBee技术实现数据的近距离无线传输，而远距离通信则采用GSM技术。
ZigBee有3种组网方式：星形网、网状网和簇状网。从系统设计的特点出发，采用树簇形拓扑网络结构。
终端节点1检测MQ—135空气质量传感器的负载输出电压，当电压超过设定的正常值时，终端节点声光报警，启动快速集气处理装置，对有害气体进行收集并处理。终端节点通过ZigBee无线网络发送数据消息给协调器，协调器对接收到的数据进行判断，当判断需报警时，在LCD(Liquid Crystal Display)显示报警信息，并通过GSM网络发送短信给其绑定的手机用户，告知用户环境中有害气体浓度超标。系统结构设计总体框图如图1所示。

2 系统硬件设计
ZigBee网络节点的结构如图2所示。ZigBee网络节点要完成来自传感器的信息的收集、无线网络的加入、以及无线数据的发送。电路应该有数据采集模块、数据处理器模块、无线通信模块和供电模块等部分组成。采集模块通过监测有害气体的浓度，将物理量转化成电信号，无线通信模块完成A／D转换及通信，供电模块负责各节点供电。ZigBee无线节点的硬件选择TI公司的CC2430作为ZigBee模块的主控芯片，CC24 30集成了一个高性能的无线射频RF模块和一个增强型的8051处理器，同时集成了TI的Z-Stack协议栈，可充当ZigBee网络中的协调器、路由节点或终端节点3种角色。终端采集节点方案如图3所示。