基于ZigBee的焊接环境有毒气体监测系统.pdf

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1、化工自动化及仪表第38卷基于ZigBee的焊接环境有毒气体监测系统王春1’2张良栋¨孙祥国k2胡勇1’2(1．过程装备与控制工程四川省高校重点实验室，四川自贡643000；2．四川理工学院机械工程学院，四川自贡“3000)摘要针对当前焊接环境有毒气体浓度监测的需要，结合ZigBee无线通信技术，以射频芯片CC2430为控制核心，设计了有毒气体监测系统。并阐述了网络拓扑结构的特点，介绍了系统设计方案，分析了终端节点的软、硬件设计。关键词ZigBee焊接环境有毒气体监测系统中圈分类号THl65+．2文

2、献标识码A文章编号1000·3932(2011)12-1478-03随着机械加工工业的发展和焊接新材料的不断出现与应用，焊接及其相关工艺也在不断地发展，由于焊接过程中产生的有毒气体达到一定浓度时，会对工人的身体健康造成严重的危害¨’2。，因此建立一套对焊接环境中的有毒气体进行监测的系统意义重大。通常情况下，焊接环境较为恶劣，有线传输时布线复杂、信号易受干扰，影响了测量的准确性和实时性¨1。因此，笔者设计了基于ZigBee的焊接有毒气体监测系统。1总体方案设计1，1ZigBee技术简介ZigBee技

3、术是一种以IEEE80215．4无线标准为基础开发的无线传感器网络协议，具有协议简单、低功耗、低成本、高可靠性以及组网容易等特点。ZigBee网络结构包括协调器、路由器和终端设备，其中协调器和路由器是一种全功能设备(FFD)，协调器的作用在于完成ZigBee设置的大量服务，终端设备属于精简功能设备(RFD)。RFD是一个简单的ZigBee协议节点，只能与FFD通信，实现ZigBee协议提供服务中的最小部分‘4‘61。1．2总体结构设计ZigBee有星型、簇一树型和网状型3种网络拓扑结构(图1)。一

4、般地，网状型、簇一树型结构主要应用于节点相对较多的系统中；由于焊接现场有毒气体监测具有实时性要求高，应用场合小等特点，因此采用星型拓扑结构。基于ZigBee的焊接有毒气体监测系统由现迎cs"o学cffbba，b旁星型簇一树型网状型·协调器·路由器。终端设备图1ZigBee网络拓扑结构场监测区域和计算机监控中心组成。其总体结构如图2所示。终端节点协调器现场监测区域图2监测系统总体结构现场监测区域有大量带传感器的监测节点，上电经过初始化之后自动组建以协调点为中心的无线传感器网络。协调器能使终端节点和监

5、控中心的数据交换，而监控中心和协调器通过RS232实现通信；计算机监控中心由计算机和监测软件构成，具有参数设定、数据实时显示、数据存储、数据库建立、历史查询以及打印等功能p。，工作人员可以在计算机中清楚地掌握每个节点的位置分布和状态信息，起到发现安全隐患并即时报警的作收稿日期：2011-08-02基金项目：过程装备与控制工程四川省高校重点实验室基金项目(GK201001)和(GK200905)；四川理工学院人才引进科研启动项目(2010XJKRL012)第12期王春等．基于ZigBee的焊接环境有

6、毒气体监测系统用，保障了焊接过程的安全。2终端节点硬件电路设计终端节点是整个ZigBee传感器网络的基本单元。其作用是对焊接现场有毒气体的浓度进行采集和预处理，并将数据传送到网络管理器。它主要由电源模块、传感器模块和无线通信模块H1组成。电源模块的作用是为整个电路保证电源供给；传感器模块以红外吸收型传感器为核心，主要用于完成有毒气体浓度检测，还包括信号采集、放大及滤波等功能；无线通信模块包含数据处理和无线通信两个功能，该系统采用的射频芯片CC2430内部有1个8位IVICU。终端节点硬件系统框图如

7、图3所示。图3终端节点硬件系统框图2．1主控芯片的选择无线传感器节点采用Chipeon公司生产的CC2430芯片为控制核心。它支持2．4GHzIEEE802．15．4协议，内含一个高性能2．4GHzDSSS(直接序列扩频)射频收发器核心。其最大的特点在于整合了ZigBee射频(RF)前端、内存和微控制器，内部含有1个8位MCU(8051)，包括ADC转换、128KByte的FALSH、8KByte的RAM、几个定时器、看门狗定时器、128位AES协处理器、上电复位电路、掉电检测电路和21个可编程I

8、／0引脚"芦。。因此，该芯片只需要配合少数外围电路即可实现信号的收发，部分电路原理图如图4所示。2．2红外吸收传感器红外吸收型传感器检测原理是不同的气体对特定波长的红外光的吸收作用各不相同。不同波长的红外光通过气体时，某些波长能被选择吸收而变弱。通过计算入射光和出射光强度，可确定待测气体浓度。出射光强度j、入射光强度毛和气体浓度c满足比尔郎伯定律，其表达式为：，=loexp(一女c￡1其中，艮为吸收系数，c为待测气体浓度，￡为红外光透射气体的厚度‘引。其信号放大电路如图5所示。图4