基于Zigbee的多点布设式可燃气体检测系统设计

随着我国经济发展日新月异、人民生活水平稳步提升，工业发展速度与规模也在不断增大，与此同时，消防部队面临工业火灾时也遇到越来越多的挑战。液化石油气（LPG）作为重要的化工原料和洁净的燃料，被广泛地运用到工业领域和民用领域。但近年来LPG在生产、运输、储存和使用过程中发生多起泄露事故，其易燃性、易爆性严重威胁人民的生命财产安全和消防员的生命安全。如表1所示，近年来发生的LPG泄露事故。消防部队在处置此类灾害事故时，最重要的工作就是保证灾害现场的实时侦察工作顺利进行，为指挥员作战力量的部署提供判断依据。针对此类问题，本文设计开发基于Zigbee的多点布设式可燃气体检测装置，可实时监测事故区域内的可燃气体的浓度信息，并在后台实现可视化监测，为指挥员提供灾害现场的预警信息和可燃气体浓度变化情况。

表1 近年来发生的LPG泄露事故

一、系统的总体设计方案

多点布设式可燃气体检测系统包括子节点系统、网关节点系统和终端系统三部分组成，其中子节点系统利用Zigbee进行组网，主要功能是收集检测点的温度、湿度、可燃气体浓度和地理位置坐标；网关节点系统是子节点系统和终端系统的门户，用于信息的传递，以保证子节点系统所搜集信息的上传和终端系统数据的下传；终端系统是用于展示所搜集数据的可视化平台，以数字和地图的形式展示所探测到的所有数据信息。系统结构如图1所示。

图1 系统结构图

二、系统硬件设计

无线传感网络子节点是组成多点布设式可燃气体检测系统的基本单元，是整个可燃气体检测系统的核心。无线传感网络子节点主要工作是完成信息的采集和数据的传输。无线传感网络子节点系统包括无线通信模块、数据处理模块、温湿度采集模块、可燃气体浓度采集模块、地理位置采集模块、报警包块和电源模块等，其具体实物图如2所示。

图2 无线传感网络子系统实物图

1.CC2530模块

CC2530是专门针对IEEE802.15.4和Zigbee应用采取的单芯片解决方案，具备经济、高效和节能的特点。CC2530包含四种不同的版本：CC2530-F32/64/128/256。分别带有32/64/128/256KB的闪存空间；它整合了全集成的高效射频收发机及业界规范的增强型8051微控制器，8KB的RAM和其它合适的支撑功能和外设。

主要特点：

（1）支持无线闪存和高效的擦除周期，便于系统的更新；

（2）8kB RAM用于更为复杂的应用和Zigbee应用；

（3）可编程输出功率达+4dBm；

（4）具有较低电量损耗，支持系统的超长运行；

（5）具有强大的地址甄别和数据包处理整合引擎。

实物如图3所示。

现如今，互联网已经深入渗透各个领域，互联网的思维已经成为必不可少的社会主流思维，但是如何在这种思维下将大数据良好的运用起来才是问题的关键。所谓大数据就是在一定的时间内无法通过当下常规软件工具捕捉、管理和分析处理的数据的集合。大数据的特点则表现为数据量巨大，来源渠道广泛，数据类型多样，获得速度快，真实性高等。为了更好地对大数据进行处理，就要改变当下的模式，只有适应新环境的新处理模式才能使得企业在当下的新环境扎根更深，也能获得更强的决策能力，这也就是意味着传统的会计核算已经满足不了时代的需求，企业将财务会计向管理会计转型势在必行。

图3 CC2530模块

2.温湿度检测模块

本设计所选用的温湿度传感器为DHT11型号传感器，它是一种具有输出数字信号的传感器模块，该传感器具有较强专业性的数字采集技术以及温湿传感基础，无论可靠性还是稳定性都较强。实物如图4所示。

图4 温湿度传感器

3.可燃气体浓度检测模块

本设计选用的可燃气体传感器为MQ-7气体传感器，该传感器具有较强的气敏材料，其材料使用的是在纯净的空气中导电率较低的二氧化锡。当该气体传感器所处环境中含有一定可燃气体时，传感器的导电率将发生变化，并且随着可燃气体浓度的变化而变化。不需要复杂电路，只需要利用较为简单的电路便可实现将电导率的变换转变成为对气体浓度的电反应，并以信号输出的方式进行显示。据了解，该传感器可以检测多类可燃气体，是一款实用性强，性价比高的气体传感器。实物如图5所示。

图5 可燃气体传感器

4.GPS定位监测模块

本次设计运用了itrax02GPS接收定位模块，其体积较小，并且功耗最低，并且能实现从休眠到精准定位仅需要8秒钟时间，其芯片采用嵌入设计，可直接继承与PCB板上，最大限制的节省了空间。实物如图6所示。

图6 GPS传感器

三、系统软件设计

1.程序开发环境IAR

图7 IAR的用户界面

2.网关节点工作流程

网关节点为Zigbee网络的协调器，主要实现功能如下：

（1）将覆盖区域内所有的子节点建立Zigbee网络，实现信息互通；

（2）接收由终端提供给各个子节点的配置数据，并发送给网络内所有的子节点；

（3）接收各个子节点所上传的信息，包括气体浓度、温湿度、地理坐标等信息；

（4）终端对所上传的数据信息进行修正，并根据事先设定的报警浓度对子节点发送相应的报警信号；

（5）子节点根据事先设定的时间对所其处位置的浓度、地理坐标、温湿度等信息进行实时跟新上传。

网关节点工作流程图如图8所示。

图8 网关流程图

3.子节点系统工作流程

该系统中每个采集节点的主要功能包括温湿度和可燃气体浓度的采集、节点地理位置坐标信息的采集和实现节点报警功能等。当系统启动后，子节点会自动进行网络组建，与此同时子节点系统上传感器会自动采集相应区域的可燃气体浓度、温度、湿度以及地理位置坐标等信息。无线传感网络组建成功后，子节点会利用组建的网络进行信息的上传，最终由网关节点进行信息的汇总后上传终端，子节点系统按照实现设定的时间自动进行更新监测，并将新获取的信息进行上传，实现子节点系统的实时监测。子节点系统工作流程图如图9所示。

图9 子节点系统工作流程图

4.终端系统工作流程

终端负责对所接收的子节点系统的所有数据进行汇总，同时根据事先对传感器灵敏性的检测，对所获取的温度、湿度、可燃气体浓度、地理位置坐标等数据进行修正，以保证终端系统所展示信息的准确。系统会根据事先设定的时间间隔对数据进行实时的更新，以保证所展示信息的实效性。具体工作流程如图10所示。

图10 终端系统工作流程图

四、结语

采用Zigbee技术所设计的多点布设式可燃气体检测系统，能够实现后台的可视化实时监测，不仅有利于消防部队在处置可燃气体泄漏事故具有良好的作战辅助作用，而且对于储存或生产可燃气体厂区内的可燃气体监控具有较好的监控作用。下一步工作主要是对系统程序编成进行进一步优化，简化算法，提高系统的定位效果。

参考文献：

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