基于无线网络传感器技术的危险源实时监测系统

刘 丽，沈昱明

（上海理工大学 光学与电子信息工程学院，上海 200093）

0 引言

危险源是指具有易燃、易爆、剧毒、腐蚀、放射性等特性的储存物品。如果管理不当，极易发生气体泄漏，液体溢出等事故，并带来严重的后果。为此，对于危险源的监测就显得格外重要。

无线网络传感器是一种集传感器、控制器、计算能力、通信能力于一身的嵌入式设备[1]。本文基于无线网络传感器的工作原理及危险源的特性，设计了一种集温度传感器、振动传感器、MCU、ZigBee无线通信模块于一体的集成式无线网络传感器。利用温度传感器和振动检测装置对危险源的状态进行实时监测，并将检测到的振动信号和温度数据通过Zigbee无线网络发送到远程监控中心，从而实现对存储中的危险源的实时监测和报警。

1 集成无线网络传感器及其系统设计

传感器中，采用DS18B20作为温度传感器。DS18B20 是数字温度传感器，支持“一线总线”接口，可以直接由单片机的P0.4口读入信号。DS18B20的测量温度范围为 -55℃～+125℃，在-10℃～+85℃范围内,精度为±0.5℃，可以满足一般危险源表面温度的测量；采用涡流式振动传感器，检测危险源的碰撞、挪动等振动信号。振动传感器的输出信号为NPN三极管集电极电平输出。经过隔离、放大后，接入单片机的P0.5口；采用ZigBee无线模块用于传感器组网和远程数据传输。无线网络传感器电路设计原理图如图1所示。

图1 传感器的组成原理示意图

将所有站点的ZigBee模块（组态为RFD，即终端）与远程监控系统的ZigBee模块(组态为FFD，即协调器)组成星型网络结构。FFD为主机，RFD均为从机。系统的网络结构原理示意图如图2所示。

图2 系统的网络结构示意图

2 通信设计

本设计中，无线网络传感器的数据帧格式采用MODBUS RTU格式。将温度、振动数据存放在00E0H～00E3H寄存器中。系统可以同时检测256个危险源站点的信息，因此，从机地址码范围为00H～FFH。在MODBUS RTU格式中，主机查询从机寄存器信息的功能码为03H。例如，主机查询#5危险源从机的信息帧格式如表1所示。

表1 主机查询#5危险源从机的信息帧格式

例如当前#5号从机的危险源温度为29℃，振动信号为FFH（00H：表示无振动，为正常情况；FFH：表示有振动，为异常情况），则#5从机的相应帧格式如表2所示。

表2 #5从机的相应帧格式

3 程序设计

本设计的集成无线网络传感器的MCU程序包括三部分：DS18B20的温度采集与处理子程序；振动信号的采集程序，以及通信程序。

3.1 温度采集与处理子程序

主要实现的功能是：根据DS18B20的读“1”，读“0”，写“1”和写“0”时序来完成对温度值的读取；将采集到的温度值（高八位和低八位）经过数据处理后存放在寄存器中。温度采集与处理程序框图如3所示。

3.2 振动传感器信号采集与处理子程序

采用扫描方式，检测P0.5电平变化，当检测到高电平时，表示由振动信号，置寄存器00E3H=FFH。振动信号采集与处理子程序框图如图4所示。

图3 温度采集与处理程序框图

3.3 通信程序设计

通信程序就是编写符合ModbusRTU协议栈的通信程序。协议栈部分代码如下：

程序中的串口接收程序可以采用中断方式，对于查询码的判断可以完全按照主机查询危险源从机的信息帧格式，也可以做适当的调整。本程序中只查询了从机地址码和功能码。

图4 振动信号采集与处理程序框图

4 无线网络传感器的组网设计

Xbee-Pro无线模块自带ZIGBEE协议栈的程序，只需要通过程序来改变模块的参数即可实现组网通信。在本网络设计中，采用四个Xbee-Pro收发模块，分别是一个协调器，一个路由器，还有两个接收模块，即终端。通过X-CTU软件可以分别对四个XBEE模块的参数进行如表3所示。

所有模块的初始目标地址配置如下：

DH (Destination address high):0000H

DL (Destination address high):0000H。

表3 各网络节点参数设置

ID为PAN ID局域网标识符，同一网络下的ID必须相同，协调器的ID必须设定，其他三个模块的ID可以设置为0允许加入任何网络。NI为节点标识符，可以用来配置远程地址；JN为允许加入网络使能端；SP为睡眠周期，协调器和路由器必须设置为0，持续工作，接收模块可以睡眠;SN为循环周期数，用于计算终端向父节点反馈的时间，大于这个时间终端将会离开父节点寻找新的父节点，计算公式：

5 结束语

无线网络传感器是当前发展起来的一项新技术。本文基于ZigBee无线网络技术，设计了一种集温度传感器、振动传感器、MCU、ZigBee于一体的集成无线网络传感器，并组成系统，应用于化工领域的危险源远程监控。实践表明，系统在降低电缆铺设成本和便于维护等方面具有明显的优越性。

[1] 电子产品世界.无线网络传感器[EB/OL]:电子产品世界网,2009.

[2] 秦玉,等.危险品集装箱状态实时监测系统设计.机械设计与研究,2008,12:98-101.

[4] 海纳电子资讯公司.ds18b20中文资料[EB/OL]:www.fpgaarm.com,2009.

[5] 李佳璐,陈俊杰,魏猷刚.基于1_Wire技术的无线传感器节点数据采集单元接口设计[J].测控技术,2008,27(9):3-6.

[6] ZigBee.标准组织协会.zigbee specification v1.0[EB/OL]:http://www.eetchina.com.