鄧 超，許麗娟

（1. 廣東科技學院，東莞 523083；2. 廣東工業(yè)大學 華立學院，廣州 511325）

0 引言

隨著經(jīng)濟的高速發(fā)展以及快速城市化進程,城市生活垃圾的產(chǎn)生量迅猛增長,對環(huán)境的影響越來越嚴重,如何合理處理城市生活垃圾已成為社會發(fā)展必須解決的問題。其中，一些人口密度大、土地資源缺乏的城市將未能回收利用的生活垃圾進行現(xiàn)代化的焚燒處理。為了減少焚燒過程中產(chǎn)生的廢氣對周邊環(huán)境造成的污染，避免垃圾焚燒處理與周邊居民發(fā)生環(huán)境糾紛事件，利用現(xiàn)代化的監(jiān)測手段, 加強對設施的監(jiān)管是環(huán)境監(jiān)管的迫切任務, 也是構(gòu)建和諧社會的需要。

本文將無線傳感器網(wǎng)絡技術(shù)和LabVIEW遠程面板技術(shù)相結(jié)合，設計一種低功耗、低成本、組網(wǎng)靈活、人機界面友好、可方便進行現(xiàn)場和遠程管理的城市生活垃圾焚燒監(jiān)測系統(tǒng)。

1 IEEEl451_5標準簡介

基于IEEE 1451_5標準的無線傳感器技術(shù)定義了無線通信與變送器電子數(shù)據(jù)表格，在已有的IEEE 1451框架下，構(gòu)筑一個開放的標準無線傳感器接口，主要是為智能傳感器的連接提供無線解決方案，盡量減少有線傳輸介質(zhì)的使用，以滿足工業(yè)自動化等不同應用領域的需求。IEEEl451_5標準的核心是TEDS，其結(jié)構(gòu)極其緊湊，具有靈活性與擴展性，可以適應不同類型傳感器的要求。TEDS 信息分為以下幾個關鍵部分：第一部分即基本TEDS, 包含了必要的傳感器識別信息；第二部分是IEEE 標準TEDS, 包含傳感器專用的“數(shù)據(jù)表”信息，一般是正確配置電氣接口并將測量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為工程單位所需要的數(shù)據(jù)；最后一部分用來存放傳感器中自定義數(shù)據(jù)和信息。TEDS應包含的信息有廠商信息、模塊編號、版本信息、產(chǎn)品序列號、靈敏度、測量范圍、物理單位、傳輸功能、輸出范圍、校準信息以及用戶數(shù)據(jù)等。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)采用了分布式體系結(jié)構(gòu)，將各個垃圾焚燒點的PC機群通過以太網(wǎng)連接到檢測系統(tǒng)。系統(tǒng)的整體框架如圖1所示[1]。

系統(tǒng)可以分為下位機系統(tǒng)部分和上位機系統(tǒng)部分。系統(tǒng)的上位機系統(tǒng)又可以分為數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)服務器、數(shù)據(jù)庫服務器和Web 服務器。中轉(zhuǎn)服務器負責與氣體監(jiān)測儀器的數(shù)據(jù)交互；數(shù)據(jù)庫服務器負責存取和管理各系統(tǒng)數(shù)據(jù)和環(huán)境數(shù)據(jù)；Web 服務器負責與外界的數(shù)據(jù)交互。下位機系統(tǒng)負責現(xiàn)場環(huán)境氣體數(shù)據(jù)的采集、暫存和傳輸,主要由氣體數(shù)據(jù)采集模塊、無線通訊模塊及數(shù)據(jù)處理模塊構(gòu)成。數(shù)據(jù)采集模塊主要對垃圾焚燒產(chǎn)生的二氧化碳、氮氧化物、氯化氫等廢氣參數(shù)進行檢測和變送；數(shù)據(jù)處理和存儲部分將采集來的信號轉(zhuǎn)換為計算機和操作人員可識別的數(shù)據(jù)量, 并存儲在存儲芯片中；數(shù)據(jù)傳輸部分將存儲在芯片中的數(shù)據(jù),根據(jù)上位機部分的請求或者以主動上報的方式, 傳送給上位機。整個系統(tǒng)的節(jié)點模塊硬件框圖如圖2所示。

由節(jié)點框圖可以看出，系統(tǒng)的核心組成部分是 WTIM（Wireless Transducer Interface Module，無線變送器接口模塊）和NCAP（Network Capable Application Processor，網(wǎng)絡適配器）。WTM的功能主要是實現(xiàn)模擬信號調(diào)理、觸發(fā)、模/數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)/模轉(zhuǎn)換、命令處理、TEDS（Transducer Electronic Data Sheet，變送器電子數(shù)據(jù)表）存儲、數(shù)據(jù)傳輸、通信功能；NCAP的功能包括通信、接口控制、路由、變送器探測、數(shù)據(jù)校正、TEDS解析、消息編碼和解碼、參數(shù)映射、用戶應用處理和LAN接口。WTIM和NCAP硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示[2]。

3 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集過程中首先由TGS2600氣體傳感器負責讀取垃圾焚燒產(chǎn)生的廢氣信號，然后由AT89C52單片機控制處理數(shù)據(jù)，并通過SPI方式將數(shù)據(jù)傳送給通信模塊子節(jié)點。

3.1 氣體傳感器

系統(tǒng)檢測采用日本FIGARO公司開發(fā)生產(chǎn)的一種新型半導體氣體傳感器TGS2600，它能夠靈敏地感知空氣中的低濃度污染物的異味，如空氣中的低濃度香煙污染物和其他異味，對NO2、CO等有較高的敏感度。TGS2600具有成本低、體積小、壽命長、選擇性和穩(wěn)定性好等特性，它構(gòu)造簡單，由傳感器基板，氣敏元件和傳感器蓋帽組成。氣敏元件由一個以金屬鋁做襯底的金屬氧化物敏感芯片和一個完整的加熱器組成。利用加熱器加熱，以偵測氣體附著于金屬氧化物表面而產(chǎn)生的電阻值的變化。在檢測氣體時，傳感器的傳導率依賴于空氣中氣體濃度的變化。在目標氣體不存在的狀態(tài)下，大量附著的空氣中的O2會捕捉電子，而呈現(xiàn)出高阻狀態(tài)；相反的，若有目標氣體存在，則因為會與氧產(chǎn)生一種燃燒反映，自由電子的量增加，而電阻值則降低。用一個測量電路能將該傳導率的變化轉(zhuǎn)化成對應于氣體濃度變化的輸出信號。TGS2600傳感器基本測量電路如圖4所示[3]。

3.2 AT89C52單片機

系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集模塊主要以AT89C52單片機為控制處理核心，由它完成對氣體傳感器輸出數(shù)據(jù)的采集處理，并控制數(shù)據(jù)的無線傳輸。AT89C52芯片有40個引腳，32個外部雙向輸入/輸出(I/O)端口。同時內(nèi)含2個外中斷tel，3個16位可編程定時計數(shù)器，2個全雙工串行通信tel，2個讀寫口線。AT89C52單片機具有快速8051內(nèi)核、8 KB Flash E2PROM、256字節(jié)RAM。為實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸，采用無限收發(fā)一體數(shù)據(jù)傳送MODEM模塊PTR2000器件，該器件內(nèi)部集成高頻接收、PLL合成、PSK調(diào)制/解調(diào)、參量放大、功率放大、頻道切換等功能，完全符合無線數(shù)據(jù)通信的硬件要求。

系統(tǒng)采用C語言對AT89C52單片機進行編程,調(diào)用采集程序?qū)贌龔U氣數(shù)據(jù)的采集、完成A/D轉(zhuǎn)換、濾波、ASCII碼轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)存儲后利用SPI方式將數(shù)據(jù)傳給通信子節(jié)點。其控制流程如圖5所示。

4 節(jié)點無線通訊模塊

系統(tǒng)節(jié)點無線通訊接口由Chipcon公司生產(chǎn)的CC2430芯片控制，它具有高性能、低功耗的8051微控制器核，集成符合IEEE802.15.4標準的2.4GHz的RF無線收發(fā)機，具有優(yōu)良的無線接收靈敏度和強大的抗干擾性、數(shù)字化的RSSI/LQl支持和強大的DMA功能，集成了14位模/數(shù)轉(zhuǎn)換功能。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示，在單個芯片上整合了ZigBee 射頻(RF)前端、內(nèi)存和微控制器。它使用1 個8 位MCU（8051），具有128 KB可編程閃存和8 KB的RAM，還包含模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)、幾個定時器（Timer）、AES128 協(xié)同處理器、看門狗定時器（Watchdog timer）、32 kHz晶振的休眠模式定時器、上電復位電路(Power On Reset)、掉電檢測電路(Brown out detection)，以及21 個可編程I/O 引腳。芯片采用0.18μm CMOS 工藝生產(chǎn)，在接收和發(fā)射模式下，電流損耗分別低于27 mA 或25 mA，并且，CC2430 從休眠模式轉(zhuǎn)換到主動模式的時間超短，延長了電池壽命。

5 軟件設計

本系統(tǒng)采用基于B/S模式的LabVIEW遠程面板技術(shù)開發(fā)，進行數(shù)據(jù)采集、分析和遠程監(jiān)控。在硬件連接檢測正常情況下，啟動軟件獲取傳感器采集的數(shù)據(jù)，自動識別傳感器編號，下載TEDS表格數(shù)據(jù)并顯示數(shù)據(jù)。用戶可以進行本地數(shù)據(jù)訪問，也可以通過遠程訪問。登錄系統(tǒng)后進入如圖7所示氣體數(shù)據(jù)采集模塊，選擇采集節(jié)點、采集通道和采集間隔時間進行氣體采樣，并可以將結(jié)果保存下來。完成數(shù)據(jù)采集后顯示采集數(shù)據(jù)，并可以根據(jù)我國《生活垃圾焚燒污染控制標準》要求中生活垃圾焚燒廠大氣污染物排的放指標進行數(shù)據(jù)分析。

6 結(jié)論

本文基于無線傳感器網(wǎng)絡技術(shù), 設計了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡的城市生活垃圾焚燒在線檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用傳感器節(jié)點采集處理垃圾焚燒廢氣、并通過NCAP控制數(shù)據(jù)進行無線傳輸，工作人員可分別在監(jiān)測現(xiàn)場和遠程端通過應用軟件來獲取監(jiān)測數(shù)據(jù)并作出分析。綜上所述，本文的研究在傳感器數(shù)據(jù)采集領域和智能監(jiān)測系統(tǒng)建設領域具有實際參考價值。

[1] 馬巧娟. 基于IEEE+1451.5無線傳感網(wǎng)絡的研究與設計[D]. 西華大學, 2010.

[2] 楊毅, 許楊文. 基于IEEE標準的智能監(jiān)測系統(tǒng)集成研究[J]. 通信技術(shù), 2009, 42(09): 115.

[3] 張兢. 空氣傳感器TGS2600在空氣質(zhì)量監(jiān)測中的應用.中國傳動網(wǎng), 2008.