基于ZigBee的有害氣體檢測系統(tǒng)設(shè)計

高同輝，楊立峰

(平頂山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院a.自動化系;b.計算機系，河南 平頂山 467001)

責任編輯:魏雨博

隨著工業(yè)的發(fā)展，各種有毒氣體和易燃氣體，危害著人們的生產(chǎn)生活，特別是H2S，CO和CH4等有害氣體更是對安全生產(chǎn)和群眾的生命安全造成巨大的威脅。研究便攜的、智能化的、能夠無線傳輸?shù)挠泻怏w濃度檢測裝置，會給人們的生產(chǎn)、生活帶來安全保障。

1 系統(tǒng)設(shè)計方案

有害氣體檢測系統(tǒng)設(shè)計結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，共分為4個部分:氣體檢測模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊、電源監(jiān)測管理模塊等［1］。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計結(jié)構(gòu)框圖

氣體檢測模塊包含傳感器和信號調(diào)理電路，傳感器獲取的被測氣體的模擬信號，經(jīng)由微控制器STM32F103的3個A/D通道，進行數(shù)模轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)換算，得到氣體濃度。

數(shù)據(jù)采集模塊包含以STM32F103［2］為核心的A/D數(shù)據(jù)采集電路和 JTAG、ISP、UART電路。ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊采用周立功公司的ZICM2410模塊實現(xiàn)。

電源監(jiān)測管理模塊是為了保證系統(tǒng)在外部供電異?；驔]有外部供電的情況下能夠正常工作，并通過STM32F103的I/O接口控制，從而在不需要采集數(shù)據(jù)時降低功耗。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 氣體檢測模塊

2.1.1 H2S，CO 檢測電路

H2S，CO傳感器采用三端電化學氣體傳感器，其工作原理是利用化學原理將探測器置于待測氣體中，待測氣體和探測器中的化學物質(zhì)發(fā)生化學反應(yīng)，通過測量化學反應(yīng)產(chǎn)生的電流來測量氣體濃度。

H2S傳感器采用美國RAE公司的4H2S－100電化學傳感器;CO傳感器采用英國MRB科學公司的S+4CO電化學傳感器。

該檢測電路由傳感器和調(diào)理電路［3］(恒電位電路和I/V變換放大電路)組成。電化學傳感器在恒電位模式下工作，其輸出的微弱電流無法滿足A/D轉(zhuǎn)換的檢測電壓要求，因此采用高增益，低噪聲TLC27L2CD運算放大器，將輸出電流轉(zhuǎn)換并放大成STM32F103的A/D可以檢測的電壓范圍。

H2S、CO 檢測電路原理圖如圖2 所示。R4，R5，C2，U1B構(gòu)成恒電位電路，當反應(yīng)過程中S，C兩極間電壓發(fā)生變化，該電路能夠自動調(diào)節(jié)電位，其中R4，C2作用為低通濾波。Q1為結(jié)型場效應(yīng)管IRF4905，當接通工作電路時，Q1會處于高增益工作狀態(tài)。而當電路斷電時，參考電極R和感應(yīng)電極S之間短路，傳感器保持在就緒狀態(tài)，再次上電時可以縮短傳感器的啟動時間。R3，C1對輸出信號進行濾波，R6，R7為傳感器提供500 mV偏置電壓VBias。

圖2 H2S、CO檢測電路原理圖

當傳感器置于被測氣體中，S極上的反應(yīng)將被測氣體氧化，生成的氧化物向傳感器外擴散，傳感器內(nèi)產(chǎn)生出氫離子和電子。氫離子通過電解質(zhì)向C極遷移，此過程會留下負電荷堆積在S極。電子從S流出經(jīng)過電阻R1到放大器(U1A)的反向輸入端，放大器配置成一個跨阻放大器，將工作電極送來的信號電流變換為一個與所測氣體的濃度成比例的電壓信號。輸出電壓U=IS×R2+UVBias。

2.1.2 CH4檢測電路

CH4傳感器為催化燃燒式傳感器，其工作原理是將由氣敏材料制成的探測器置入待測氣體中，在電源供電的環(huán)境中，待測氣體在催化劑的催化作用下發(fā)生氧化反應(yīng)，即無焰燃燒，從而使探測器中鉑絲電阻的阻值發(fā)生改變，通過測量探測器電阻值變化來獲取氣體濃度值。

設(shè)鉑絲電阻值的變化量為ΔR，則

式中:a為氣敏傳感器的溫度系數(shù);ΔT為氣體燃燒時溫度上升值;C為氣敏傳感器的熱容量;m為氣體的濃度;Q為氣體分子的燃燒熱;α為系數(shù)。

由于氣敏傳感器的結(jié)構(gòu)、材料確定后是固定不變的，則氣敏傳感器電阻變化值與被測氣體的濃度成正比，即ΔR=αKm，從而知道測出傳感器的電阻變化值，就可以測得氣體的濃度。

CH4氣體傳感器采用MJC4/2.8J型催化燃燒式傳感器。該CH4檢測電路原理圖如圖3所示，由傳感器、電橋和差動放大器組成。S1中的Rh與Rf為傳感器內(nèi)部電阻(Rh為補償元件，Rf為檢測元件)，外部 R1、R2、Rf構(gòu)成平衡電橋，Rf用于調(diào)節(jié)偏壓。U1A作用為差動放大，輸出信號經(jīng)R7、C1濾波后進入STM32F103的A/D端。傳感器工作電壓(電阻絲加熱電壓)為2.8 V，由3.3 V電源經(jīng)1N4148降壓得到。

圖3 CH4檢測電路原理圖

2.2 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊電路原理圖如圖4所示，三種氣體檢測模塊的輸出端連接至STM32F103的PC0～PC2端［4］，對傳感器采集到的模擬電壓進行A/D轉(zhuǎn)換，并對轉(zhuǎn)換后的無量綱數(shù)據(jù)進行換算，得到所測氣體濃度值。A/D轉(zhuǎn)換時的基準電壓采用VREF引腳電壓。同時STM32F103還通過I/O口負責傳感器電源、風扇電源的開關(guān)控制和電源低壓檢測等。

圖4 數(shù)據(jù)采集模塊電路原理圖(截圖)

2.3 ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊

ZigBee收發(fā)模塊采用美國GEL公司的內(nèi)置51核的ZICM2410模塊，其電路原理圖如圖5所示，模塊內(nèi)有一個集成的PCB板載天線，可以連接50 Ω的外部F型天線，支持全向輻射模式，天線懸置于主板邊緣。此模塊通過串口中的RXD和TXD管腳與STM32F103的PA2(TXD)和PA3(RXD)相連，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，并通過天線發(fā)射或接收信號。

圖5 ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊電路原理圖(截圖)

2.4 電源監(jiān)測管理模塊

2.4.1 充電管理電路

系統(tǒng)采用聚合物鋰離子電池供電，外接5 V直流電源適配器為電池供電。在正常情況下，系統(tǒng)通過外部直流電源供電，當外部電源意外中斷時，內(nèi)部的鋰電池會繼續(xù)為系統(tǒng)供電，保證電路在一定時間內(nèi)正常工作。

充電管理電路原理圖如圖6所示，以充電管理芯片采用TP4055為核心［5］，當外部5 V直流電源接入后，對鋰離子電池充電同時向后級供電，此時電池進入到4.2 V停充→放電到4.1 V→再充電的循環(huán)過程，R504設(shè)置充電電流為300 mA，此時芯片的最大熱耗為(5－2.9)×0.3 W=0.64 W，為防止過熱接耗散電阻 R501、R502分擔熱耗0.35 W。D2為充電指示燈，點亮表示正在充電，閃爍表示沒有連接電池且后級關(guān)閉。

2.4.2 后級穩(wěn)壓電路

后級穩(wěn)壓電源分為數(shù)字3.3 V、模擬3.3 V和5 V，分別為單片機、傳感器、風扇等供電。其穩(wěn)壓電源原理圖如圖7所示，根據(jù)各個電源所供電電路的功率估算，數(shù)字3.3 V由開關(guān)型降壓芯片LM3671提供，模擬3.3 V電源采用低 壓差低噪聲線性穩(wěn)壓芯片TPS76433提供［6］。

圖6 充電管理電路原理圖

圖7 后級穩(wěn)壓電源原理圖

2.4.3 低壓指示及欠壓保護電路

鋰電正常工作電壓為3.7～4.2 V，放電至電池內(nèi)部保護電壓的2.35 V以下時，將自動切斷輸出，但經(jīng)常反復如此會減少使用壽命和容量。此電路能在低于3.75 V(電池剩余容量15%)時，通過VCC_LOW引腳向STM32F103報警，并通過ZigBee向上位機報警，關(guān)斷5 V穩(wěn)壓芯片輸出使能或?qū)鞲衅餍菝咭怨?jié)省功耗。當電池電壓降至3.6 V(電池剩余容量3%)時切斷供電，直至接入充電或者更換電池后才能繼續(xù)供電，此時進入低耗能狀態(tài)，直至電壓降至2.35 V電池鎖閉，低壓指示及欠壓保護電路原理圖如圖8所示。

圖8 低壓指示及欠壓保護電路原理圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 數(shù)據(jù)采集軟件設(shè)計

軟件設(shè)計平臺為Keil MDK4.23，采用模塊化設(shè)計的C語言編程，各個模塊可在AppConfig.h文件中通過宏定義自行裁剪，增加了軟件的靈活性，便于升級。此外AppConfig.h還定義了設(shè)備地址、通信數(shù)據(jù)包長度等全局信息。上電后STM32F103會通過Sys_Init函數(shù)進行軟件初始化，該函數(shù)配置了Flash、ADC、UART等模塊，并從Flash中讀取保存的AD校準和數(shù)據(jù)換算參數(shù)。初始化之后進入低功耗休眠模式，此時傳感器和風扇電源關(guān)斷，并等待上位機指令喚醒設(shè)備。軟件流程圖如圖9所示。

圖9 軟件流程圖

3.1.1 接收數(shù)據(jù)及協(xié)議解碼

軟件通過中斷喚醒CPU并開始接收指令數(shù)據(jù)，通過判斷起始幀0xAA來確定起始數(shù)據(jù)，并在Sys_ProtecolDecode函數(shù)中進行協(xié)議解析，控制幀的通信協(xié)議格式如圖10所示。

當接收到的設(shè)備編號和本機定義的設(shè)備編號 DEVICE_ID相同時，通過Sys_CMD函數(shù)執(zhí)行相應(yīng)的設(shè)備指令。

3.1.2 命令執(zhí)行及數(shù)據(jù)采集

本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來自3路模擬傳感器電壓輸出，通過STM32進行A/D轉(zhuǎn)換。在數(shù)據(jù)采集過程中，軟件在ADC16_Sample函數(shù)中分別對 AD0、AD1、AD2通道進行A/D采樣，采樣方式為連續(xù)16次采樣，進行均值濾波，然后將采集到的無量綱值通過DataExc函數(shù)轉(zhuǎn)化為氣體濃度值(16 bit int型)，拆分成2個字節(jié)裝入數(shù)組中發(fā)給Zig-Bee模塊。

3.1.3 協(xié)議編碼及發(fā)送數(shù)據(jù)

本模塊共需要向上位機發(fā)送3個氣體濃度數(shù)據(jù)，分別保存在6個字節(jié)中，需要在向ZigBee芯片發(fā)送之前封裝成21 byte的數(shù)據(jù)幀。數(shù)據(jù)幀的封裝和發(fā)送工作在Sys_ProtecolEncode函數(shù)中完成。

3.2 上位機監(jiān)測軟件設(shè)計

上位機數(shù)據(jù)監(jiān)測軟件采用VB.NET語言編寫［7］，軟件采用事件觸發(fā)結(jié)構(gòu)，通過串口與協(xié)調(diào)器模塊通信，以一定的時間間隔向協(xié)調(diào)器發(fā)送指令，并通過協(xié)調(diào)器發(fā)給模塊。

終端模塊入網(wǎng)時，會通過協(xié)調(diào)器向上位機提交入網(wǎng)信息。上位機通過長地址識別具體模塊后，在控制幀基礎(chǔ)上封裝短地址等信息，經(jīng)協(xié)調(diào)器發(fā)給終端模塊。終端模塊也通過短地址經(jīng)協(xié)調(diào)器和串口將數(shù)據(jù)幀封裝后發(fā)給上位機軟件，軟件解析出數(shù)據(jù)后通過NTGraph圖形控件顯示氣體濃度的實時變化曲線。在數(shù)據(jù)檢測軟件中，解析前的控制信息和解析后的數(shù)據(jù)信息統(tǒng)一定義在 ZigBeeData-Code結(jié)構(gòu)體中，其具體定義如下:

分別為協(xié)議編碼、解碼函數(shù)，實現(xiàn)了字節(jié)數(shù)據(jù)與Zig-BeeDataCode類型的相互轉(zhuǎn)換。其定義如下:

同時，軟件可以選擇氣體濃度采集的時間間隔和濃度報警上限，超過上限后，會通過對話框和提示音報警。

3.3 ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)通信建立

使用USB通信電纜將ZICM2410［8］模塊和PC機連接后，進入配置狀態(tài)?？梢詫崿F(xiàn)本地及遠程節(jié)點信息的獲取、配置，以及無線遠程IO控制、AD采集等功能。配置命令通過串口通信進行，一條控制命令包含幀頭、功能碼和對應(yīng)的參數(shù)或數(shù)據(jù)，所有數(shù)據(jù)格式均為16進制。

系統(tǒng)上電后ZICM2410模塊首先進行初始化，然后進入休眠模式。當有中斷發(fā)生時，則退出休眠模式。如果接收到上位機的命令時，向STM32發(fā)送接收到的命令。如果是要發(fā)送數(shù)據(jù)，則接收STM32發(fā)送的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。數(shù)據(jù)發(fā)送完后，ZICM2410模塊進入休眠模式。

4 實驗測試

在實驗室連接好各個電路模塊，分別取3種氣體的標準氣樣進行試驗，實驗結(jié)果如圖11所示。CH4氣體的基本誤差0.03%，H2S氣體測量精度為 ±3%(F.S)，CO 誤差±2%(F.S)符合標準要求。

圖11 氣體測量運行圖(截圖)

氣體測量的標定方法是將氣體檢測模塊置于純凈氣體樣本中得到零點采樣值A(chǔ)O，再將模塊置于濃度為Vs的標準氣體樣本中，得到標準點采樣值A(chǔ)s，做出傳感器濃度檢測曲線。由于傳感器在量程內(nèi)呈現(xiàn)線性響應(yīng)，所得實際測量公式為

5 小結(jié)

本文設(shè)計的有害氣體檢測裝置，以ZICM2410的Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)模塊和STM32F103微控制器實現(xiàn)3種氣體濃度的檢測以及數(shù)據(jù)的無線傳輸，并通過VB.NET開發(fā)上位機軟件實現(xiàn)對氣體濃度的實時查看。通過實驗證明，能夠較好地實現(xiàn)氣體濃度的快速和準確測量。

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