趙廣元 王平

（西安郵電大學(xué)自動化學(xué)院西安710121）

基于XBee的粉塵傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計?

趙廣元 王平

（西安郵電大學(xué)自動化學(xué)院西安710121）

為了方便準(zhǔn)確地獲取廠區(qū)粉塵濃度，研究開發(fā)了一種基于XBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，包括數(shù)據(jù)采集節(jié)點和數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點兩類。數(shù)據(jù)采集節(jié)點負(fù)責(zé)實時采集粉塵傳感器數(shù)據(jù)并傳送至數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點，數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點負(fù)責(zé)收集各數(shù)據(jù)采集節(jié)點監(jiān)測數(shù)據(jù)。節(jié)點均以Arduino開發(fā)板為控制核心，并基于XBee模塊實現(xiàn)無線通信及組網(wǎng)功能。論文介紹了無線傳感器節(jié)點的研究背景、粉塵傳感器通訊協(xié)議及其軟硬件結(jié)構(gòu)，重點介紹了節(jié)點的設(shè)計原理，并對多節(jié)點組網(wǎng)及組網(wǎng)后形成的小型無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的功能進(jìn)行了測試。測試結(jié)果驗證了設(shè)計方案的可行性，表明該無線傳感節(jié)點使用方便，數(shù)據(jù)傳輸及時穩(wěn)定，適于對廠區(qū)粉塵濃度實時監(jiān)測。

無線傳感網(wǎng)絡(luò)；節(jié)點；XBee；Arduino；實時

Class NumberTP212

1 引言

目前，我國大多數(shù)的廠區(qū)環(huán)境數(shù)據(jù)收集和統(tǒng)計工作還停留在人工讀數(shù)查表的落后水平。沒有配備粉塵監(jiān)測除塵裝置，小則造成施工人員患塵肺病，大則造成粉塵爆炸。近幾年，由于粉塵濃度未能及時控制，已造成多起爆炸事件，如：

1）2016年4月，深圳精藝星五金加工廠發(fā)生粉塵爆炸，造成4人死亡、11人受傷［1］。

2）2014年8月，蘇州市中榮有限公司發(fā)生粉塵爆炸，當(dāng)天造成75人死亡、185人受傷［2］。

對此，國家相關(guān)部門高度重視。2014年8月，《嚴(yán)防企業(yè)粉塵爆炸五條規(guī)定》以國家安全監(jiān)管總局令形式發(fā)布，第二條規(guī)定：必須按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范設(shè)計、安裝、使用和維護(hù)通風(fēng)除塵系統(tǒng)［3］。2016年05月19日，國務(wù)院印發(fā)《國家創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略綱要》中指出：發(fā)展污染治理和資源循環(huán)利用的技術(shù)與產(chǎn)業(yè)，建立大氣重污染天氣預(yù)警分析技術(shù)體系，發(fā)展高精度監(jiān)控預(yù)測技術(shù)［4］。

無線傳感網(wǎng)絡(luò)的主要組成部分是無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，這些散落在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的節(jié)點依照功能可劃分為數(shù)據(jù)采集節(jié)點和匯聚節(jié)點。組成無線傳感網(wǎng)絡(luò)的這些功能節(jié)點的工作過程是：待監(jiān)測區(qū)域內(nèi)分布著數(shù)量較多的數(shù)據(jù)采集節(jié)點，這些節(jié)點是隨機(jī)部署的，在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)節(jié)點以自組織形式構(gòu)成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，然后將各自采集到的傳感信息以單跳或多跳的方式傳輸?shù)絽R聚節(jié)點，最后通過串口發(fā)送至上位機(jī)。本文使用無線傳感網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sen?sor Network，WSN）和應(yīng)用開發(fā)功能強(qiáng)大的Arduino相結(jié)合，研究出基于XBee的粉塵傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計方案，使得粉塵監(jiān)測值及時、準(zhǔn)確地發(fā)送給相關(guān)人員。

2 設(shè)計背景

本系統(tǒng)基于WSN對工廠進(jìn)行粉塵監(jiān)控。WSN是一組數(shù)據(jù)采集節(jié)點以Ad hoc方式組成的無線網(wǎng)絡(luò)，其目的是協(xié)作地感知、收集和處理傳感器網(wǎng)絡(luò)所覆蓋地理區(qū)域中感知對象的信息，并傳遞給觀察者。這種傳感器網(wǎng)絡(luò)集中了傳感器技術(shù)、嵌入式計算機(jī)技術(shù)和無線通信技術(shù)，能協(xié)作地感知、監(jiān)測和收集各種環(huán)境下所感知對象的信息，通過對這些信息的協(xié)作式信息處理，然后通過Ad hoc方式傳送給需要這些信息的用戶。圖1為粉塵檢測系統(tǒng)的整體框架示意圖。

圖1粉塵監(jiān)測系統(tǒng)示意圖

本文重點對數(shù)據(jù)采集節(jié)點和數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點的設(shè)計進(jìn)行詳細(xì)介紹，其中包括粉塵傳感器的通訊協(xié)議分析、無線通訊模塊組網(wǎng)測試和節(jié)點軟硬件結(jié)構(gòu)。

3 無線通信模塊

在本文節(jié)點設(shè)計中，無線通信模塊選擇XBee模塊。XBee模塊是一種遠(yuǎn)距離低功耗的數(shù)傳模塊，頻段有2.4G，900M，868M三種同時可兼容802.15.4協(xié)議［5］。每個模塊都可以做為終端、協(xié)調(diào)端，可通過X-CTU或Zigbee Operator兩款軟件進(jìn)行設(shè)置。

配置兩個Arduino-XBee擴(kuò)展板，兩個節(jié)點的ZigBee通信網(wǎng)絡(luò)即可實現(xiàn)，可以完成Arduino之間的無線通信。使用多個Arduino-XBee擴(kuò)展板，即可實現(xiàn)多個節(jié)點組成的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)。XBee模塊與Arduino之間通過串行接口（即Tx和Rx引腳）進(jìn)行通信。點對點通信是通過串口向XBee模塊寫入數(shù)據(jù)可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送，當(dāng)XBee模塊通過無線通道接收到數(shù)據(jù)時，通過讀串口即可獲得數(shù)據(jù)，完成無線通信。

4 節(jié)點主控制器選擇

在控制器選擇中，本文選用性價比高，功能全面的Arduino控制器。它是一個較為完整的開源硬件開發(fā)平臺，它由一塊單板的微控制器（各型號的Arduino板）和開發(fā)軟件（Arduino IDE）所構(gòu)成［6］。Arduino作為控制器，其有跨平臺、交互性好和第三方資源豐富的優(yōu)勢。開發(fā)軟件主要包含兩個內(nèi)容，一個是計算機(jī)上的標(biāo)準(zhǔn)編程語言開發(fā)環(huán)境Ardui?no IDE，另一個是在開發(fā)板上運行的燒錄程序。Arduino可以和各種傳感器、電子元件、開關(guān)等相連接，來感知周邊的環(huán)境。Arduino有多種型號，本文使用Arduino Mega2560控制器，Arduino Mega2560實物圖如圖2。

圖2Arduino Mega2560實物圖

5 粉塵傳感器選擇

本文在眾多的粉塵傳感器中選擇了SDS198粉塵傳感器，相比其他傳感器，SDS198傳感器的主要特性為以下幾點：

1）數(shù)據(jù)準(zhǔn)確：激光檢測，穩(wěn)定、一致性好；

2）響應(yīng)快速：數(shù)據(jù)更新頻率為1Hz；

3）便于集成：串口輸出（或IO口輸出可定制），自帶風(fēng)扇；

4）分辨率高：分辨顆粒最小直徑達(dá)1微米。

5.1 SDS198傳感器

SDS198傳感器使用激光散射原理，能得到空氣中1～100微米懸浮顆粒物質(zhì)量濃度，使用進(jìn)口激光器與感光部件，數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠［7］。由于風(fēng)力風(fēng)向等因素影響，很多情況下濃度空間分布并不均勻，如工地、煤礦、水泥加工廠等，此時更適合用SDS198傳感器進(jìn)行多布點測試。

5.2 SDS198傳感器原理分析

當(dāng)激光照射到通過檢測位置的顆粒物時會產(chǎn)生微弱的光散射，在特定方向上的光散射波形與顆粒直徑有關(guān)，通過不同粒徑的光學(xué)積分統(tǒng)計及換算公式可以得到不同粒徑的實時顆粒物的數(shù)量濃度，按照標(biāo)定方法得到跟官方單位統(tǒng)一的質(zhì)量濃度［7］。

5.3 傳感器通訊協(xié)議

SDS198傳感器通訊協(xié)議如表1所示。

表1 SDS198傳感器通訊協(xié)議

串口通訊協(xié)議：9600 8N1。（速率9600，數(shù)據(jù)位8，校驗位無，停止位1）。

串口上報通訊周期：1.2s。

數(shù)據(jù)幀（10字節(jié)）：報文頭+指令號+數(shù)據(jù)（6字節(jié)）+校驗和+報文尾。

6 基于Arduino的XBee無線傳感節(jié)點軟件設(shè)計

6.1 數(shù)據(jù)采集工作流程

本設(shè)計采用SDS198粉塵傳感器進(jìn)行粉塵濃度的采集。具體操作過程如下：首先對傳感器進(jìn)行初始化操作，傳感器接收數(shù)據(jù)，輸出采集數(shù)值，然后主控制器Arduino判斷所接收的采集值是否有效，如果有效，則由控制器Arduino將接收的采集數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為濃度值，若數(shù)據(jù)無效，傳感器將繼續(xù)接收數(shù)據(jù)。

濃度計算公式根據(jù)粉塵傳感器內(nèi)部設(shè)定，定義接收的數(shù)據(jù)data，輸出的濃度指標(biāo)設(shè)為C：

C=（（PM100高字節(jié)*256）+PM100低字節(jié)）

傳感器采集數(shù)據(jù)流程如圖3所示。

圖3參數(shù)采集流程圖

6.2 無線通信模塊工作流程

整個系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)采集節(jié)點和數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點兩大部分，數(shù)據(jù)采集端由Arduino控制器模塊分別與無線通信模塊、粉塵狀態(tài)監(jiān)測模塊相連接，數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點由Arduino主控制器模塊分別與無線通信模塊、上位機(jī)相連接。

每個數(shù)據(jù)采集節(jié)點采集數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為濃度值，發(fā)送數(shù)據(jù)時在濃度值前加上標(biāo)志位，最后將封裝好的數(shù)據(jù)發(fā)送給數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點，數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點根據(jù)各個數(shù)據(jù)采集節(jié)點的標(biāo)志位即可識別是哪個數(shù)據(jù)采集節(jié)點發(fā)送來的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點控制上位機(jī)實時地顯示數(shù)據(jù)采集節(jié)點發(fā)送的粉塵濃度。圖4和圖5分別表示無線模塊的發(fā)送流程與接收流程。

圖4無線發(fā)送端流程

圖5無線接收端流程

7 基于Arduino的XBee無線傳感節(jié)點測試與分析

7.1 粉塵傳感器調(diào)試

SDS198傳感器驅(qū)動條件：工作電壓范圍在5V左右，工作電流最大值是70mA，濕度范圍最大90%；存儲時，溫度范圍-20℃～60℃，工作時，溫度范圍-10℃～50℃，加熱器電源接通約1min后，傳感器工作趨于穩(wěn)定。

SDS198傳感器調(diào)試過程：SDS198插上電源后1s內(nèi)會正常地運作，可以進(jìn)行檢出。對SDS198輸出電壓的絕對值，并不是判定檢出的有無，無塵時，從輸出電壓的變化量來做判定。

7.2 無線通信模塊調(diào)試

XBee驅(qū)動條件：XBee的電源電壓為2.8V～3.4V，發(fā)送時工作電流一般為45mA（3.3V），接收時電流為50mA（3.3V），工作溫度范圍是-40℃～85℃。

使用X-CTU軟件調(diào)試三塊XBee模塊。其中一個為數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點（數(shù)據(jù)接收方），另兩塊為數(shù)據(jù)采集節(jié)點（數(shù)據(jù)的發(fā)送方）。數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點與數(shù)據(jù)采集節(jié)點建立無線連接時，PAN ID（Personal Area Network）要相同。

7.2.1 XBee模塊地址修改

設(shè)置無線模塊的數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點，打開調(diào)試軟件，選擇COM3口作為協(xié)調(diào)端的連接口，功能設(shè)置為ZIGBEE COORDINATOR AT，然后設(shè)置PAN ID改為1234，DH（Destination Address High）設(shè)置為0，DL設(shè)置為FFFF。數(shù)據(jù)采集節(jié)點設(shè)置功能為ZIG?BEE DEVICE AT，PAN ID設(shè)置為1234，DH和DL分別輸入數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點地址。

7.2.2 三塊XBee模塊數(shù)據(jù)交互檢測

在3個XBee模塊都與電腦建立聯(lián)系的情況下，打開三個串口調(diào)試助手頁面，給數(shù)據(jù)采集節(jié)點1輸入666，數(shù)據(jù)采集節(jié)點2輸入777，數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點輸入333。這時協(xié)調(diào)器端會接收到數(shù)據(jù)采集節(jié)點1和數(shù)據(jù)采集節(jié)點2發(fā)送來的數(shù)據(jù)666和777，數(shù)據(jù)采集節(jié)點1和數(shù)據(jù)采集節(jié)點2將分別接收到數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點發(fā)出的數(shù)據(jù)333。調(diào)試結(jié)果如圖6、圖7、圖8所示。

此時無線通信建立就已調(diào)試完成了。

7.3 系統(tǒng)整體測試結(jié)果

本系統(tǒng)能夠檢測出環(huán)境中的粉塵濃度及其變化，終端發(fā)送檢測到的濃度指標(biāo)，數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點統(tǒng)一接收并存儲終端數(shù)據(jù)至數(shù)據(jù)庫，最終顯示在上位機(jī)如圖9、圖10所示。

圖6數(shù)據(jù)采集節(jié)點1顯示信息

圖7數(shù)據(jù)采集節(jié)點2顯示信息

圖8數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點顯示信息

圖9數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點接收數(shù)據(jù)顯示至上位機(jī)

圖10數(shù)據(jù)采集節(jié)點分類顯示圖

8 結(jié)語

根據(jù)粉塵數(shù)據(jù)，通過無線網(wǎng)絡(luò)從而實時了解設(shè)備的運行狀態(tài)，捕捉污染征兆，并對產(chǎn)生污染的源頭、原因及發(fā)展趨勢做出判斷，做出針對性的控制計劃，是降低污染、保護(hù)環(huán)境、獲得最大企業(yè)效益、實現(xiàn)企業(yè)設(shè)備管理現(xiàn)代化的良好途徑。

本粉塵監(jiān)測節(jié)點相較于以往的監(jiān)測節(jié)點來說，具有以下兩個優(yōu)點：

1）本粉塵監(jiān)測節(jié)點具有開放式、模塊化的特點，靈活性強(qiáng)，便于系統(tǒng)的升級處理；

2）融合了無線傳感技術(shù)，將廠區(qū)分成不同部分集中監(jiān)測和處理，相較于傳統(tǒng)的環(huán)境技術(shù)監(jiān)測管理系統(tǒng)來說，極大地節(jié)省了人力、物力。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有靈活、方便、快捷的優(yōu)勢。市場上水泥加工廠粉塵監(jiān)控節(jié)點多采用有線與人工的方式進(jìn)行，費時費力且誤差較大。將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用到工廠中，方便了粉塵的集中監(jiān)測，提高了系統(tǒng)工作效率，具有廣闊的發(fā)展前景。

［1］Notice of the General Office of the State Administration of Work Safety on the“4·29”dust explosion accident in Shenzhen Jingyi Star Hardware Factory［J］.State Adminis?tration of Work Safety，State Administration of Coal Mine Safety Supervision Bureau Notice，2016（6）：39-42.

［2］Tianjin Port“8·12”special major fire and explosion inves?tigation report released［J］.Chinese fire，2016（4）：8-9.

［3］State Administration of Safety Supervision issued a“five enterprises to prevent dust explosion regulations”［J］.Sci?ence and Technology of Safety Production in China，2014（8）：38.

［4］The CPC Central Committee and State Council issued the“National Innovation-Driven Development Strategy”［J］. Bulletin of the State Council of the People's Republic of China，2016（15）：5-14.

［5］Digi［DB/OL］.https：//www.digi.com/products/xbee，2016-11-22/2016-12-09.

［6］Arduino［DB/OL］.https：//www.arduino.cc/，2016-12-06/ 2016-12-09.

［7］NovoElectronics［DB/OL］.http：//inovafitness.com/ product-40.html，2016-11-14/2016-12-09.

［8］WANG Jingxia.An RF module compatible with ZigBee/ 802.15.4 protocol XBee/XBee Pro and its application［J］. Electronics Engineer，2007（3）：24-27.

［9］WANG Hongda，LIU Na，CUI Zhonghui.Design and Im?plementation of Wireless Data Acquisition System Based on［J］.Electronic technology，2016（1）：67-70，55.

［10］GUO Wengchuan，CHENG Hanjie，LI Reiming，et al. Greenhouse Environment Information Monitoring System Based on Wireless Sensor Network［J］.Journal of Agri?cultural Mechanization，2010（7）：181-185.

［11］JIAO Shangbin，SONG Dan，ZHANG qing，et al.Coal mine Monitoring System based on ZigBee Wireless Sen?sor Network［J］.Journal of Electronic Measurement&In?strumentation，2013（5）：436-442.

［12］LI Zangming，LI Quan，YIN Peifeng.Design of Wireless Sensor Network Node Based on ZigBee for Environmen?tal Monitoring［J］.Electronic measurement technology，2010（6）：118-122.

［13］LI Zongcheng.Research and Design of Environmental Monitoring System Based on Wireless Sensor Network［J］.Computer Measurement and Control，2008（7）：929-931，958.

Design of XBee-based WSN Node for Dust Monitoring

ZHAO GuangyuanWANG Ping
（School of Automation，Xi'an University of Posts and Telecommunications，Xi'an710121）

In order to conveniently and accurately obtain the dust concentration in the factory，a wireless sensor network node based on XBee is researched and developed，Including data collection nodes and data aggregation nodes.Data acquisition node is re?sponsible for real-time collection of dust sensor data and sent to the data aggregation node，the data aggregation node is responsible for collecting the monitoring data of each data acquisition node.Nodes are Arduino development board for the control of the core，and based on the XBee module to achieve wireless communication and networking capabilities.This paper introduces the research back?ground of wireless sensor node，the communication protocol of dust sensor and its hardware and software structure，The design prin?ciple of the node is mainly introduced，and the function of the small wireless sensor network system formed by multi-node network?ing and networking is tested.The test result verifies the feasibility of the design scheme，It shows that the wireless sensor node is easy to use，data transmission in a timely and stable，suitable for real-time monitoring of dust concentration in the factory.

WSN，node，Xbee，Arduino，real-time

TP212

10.3969/j.issn.1672-9722.2017.07.031

2017年1月3日，

2017年2月17日

2015年度西安市科技計劃項目（編號：2015.6101.00124.2015.00210）；2015年大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目（編號：201511664457）資助。

趙廣元，男，碩士，副教授，研究方向：嵌入式開發(fā)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)多媒體技術(shù)與應(yīng)用。王平，男，碩士研究生，研究方向：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、嵌入式開發(fā)。