魏志強 馬 敏 閆佳暉 蔡文杰

(1.北京航天計量測試技術(shù)研究所，北京 100076；2.中國運載火箭技術(shù)研究院，北京 100076)

1 引 言

隨著計算機技術(shù)、現(xiàn)代通信技術(shù)的日益成熟和廣泛應(yīng)用，消防報警系統(tǒng)的無線設(shè)計、實現(xiàn)與運行具有了相當(dāng)?shù)姆€(wěn)定性。而我國中小型場所乃至家庭還沒有成型的，較為完善的防火預(yù)警系統(tǒng)，這些場所點多面廣，本文提到的無線火災(zāi)報警系統(tǒng)正契合這一特征。

本設(shè)計是將簡單、低功耗的ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)加入到火災(zāi)報警這個已經(jīng)相對成熟的領(lǐng)域，使之更加趨于智能化、廣泛化和大眾化。主要目的是希望改進(jìn)后的火災(zāi)報警系統(tǒng)可以進(jìn)入普通的家庭，以減少意外所帶來的損失。

整個系統(tǒng)圍繞傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點、協(xié)調(diào)器節(jié)點等硬件電路和軟件部分進(jìn)行設(shè)計。主要流程為：由終端傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點監(jiān)測現(xiàn)場環(huán)境并將采集數(shù)據(jù)周期性地發(fā)送給協(xié)調(diào)器節(jié)點，再通過USB串口在上位機上顯示采集的信息。

2 系統(tǒng)整體設(shè)計

本系統(tǒng)主要包括傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點、協(xié)調(diào)器節(jié)點、USB串口、系統(tǒng)上位機和供電電源。ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)采用“廣播”的方式，由協(xié)調(diào)器節(jié)點和傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(溫度、氣體、火焰)組成。協(xié)調(diào)器節(jié)點的功能包括建立組網(wǎng)、接收終端傳感器采集的信號以及轉(zhuǎn)發(fā)上位機的指令；溫度傳感器節(jié)點主要負(fù)責(zé)對當(dāng)前環(huán)境的溫度信息進(jìn)行采集；煙霧傳感器終端節(jié)點主要負(fù)責(zé)采集當(dāng)前環(huán)境的氣體信息(出現(xiàn)火災(zāi)主要是采集煙霧濃度)；火焰?zhèn)鞲衅鞴?jié)點主要負(fù)責(zé)監(jiān)測當(dāng)前環(huán)境是否存在火星火源以及采集其位置信息。系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體框圖

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1 系統(tǒng)無線收發(fā)模塊的設(shè)計

系統(tǒng)的核心芯片是CC2530，該芯片集成了IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的2.4GHz頻段RF收發(fā)器，可配置的RF調(diào)制解調(diào)器，提供了一套廣泛的外設(shè)集，包括8通道的12位A/D轉(zhuǎn)換器和21個通用I/O管腳、2個USART接口、128位的AES加密解密內(nèi)核、MAC專用定時器、兩個8位定時器等功能，該芯片只需設(shè)計極少的外接電路即可構(gòu)建一個簡單的ZigBee節(jié)點。CC2530芯片可支持2.0V～3.6V的寬電源電壓范圍，具備三種供電模式：4μs的喚醒模式(耗電電流0.2mA)、睡眠模式(耗電電流1μA)和中斷模式(耗電電流0.4μA)，當(dāng)CC2530處于非工作模式時，任何中斷可將CC2530恢復(fù)到主動工作模式，某些中斷還可將CC2530從睡眠模式喚醒，實現(xiàn)超短時間的快速轉(zhuǎn)換，確保了低功耗的使用，設(shè)備的工作溫度范圍為-40℃～125℃，特別適合需要待電時間長、低功耗且環(huán)境變化的大場所使用。CC2530自身帶有射頻收發(fā)和調(diào)制解調(diào)等功能便于數(shù)據(jù)傳送，而且只需要添加簡單電路就可以實現(xiàn)，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)主體控制部分原理圖

天線是無線收發(fā)的重要一環(huán)，既可以發(fā)送數(shù)據(jù)也可以接收信息，其可逆性極大地增強了協(xié)調(diào)器在設(shè)計中的作用。本電路采用無源晶振電路給主體控制芯片CC2530的正常工作提供持續(xù)穩(wěn)定的時鐘信號。從芯片CC2530的管腳RF_P和PF_N出來的指令通過一個同軸天線(電感、電容相連構(gòu)成)輸出發(fā)送。

3.2 系統(tǒng)功能模塊的設(shè)計

3.2.1

協(xié)調(diào)器節(jié)點主要包括CC2530數(shù)據(jù)處理模塊、天線、電源模塊、串口模塊、LED部分等。CC2530部分是各個節(jié)點的主控中心，是整個電路的中軸。傳感器與協(xié)調(diào)器的天線用來收發(fā)信號信息。串口模塊主要是讓上位機和終端傳感器和協(xié)調(diào)器建立連接。LED燈的亮滅是表示網(wǎng)絡(luò)的連接情況，LED1亮說明允許其他節(jié)點加入該網(wǎng)絡(luò)，LED2亮說明協(xié)調(diào)器組建ZigBee網(wǎng)絡(luò)成功。如圖3所示。

圖3 協(xié)調(diào)器節(jié)點功能框圖

3.2.2

傳感器節(jié)點的整體結(jié)構(gòu)與協(xié)調(diào)器節(jié)點類似，由CC2530數(shù)據(jù)處理模塊、天線、傳感器數(shù)據(jù)采集模塊、電源部分和LED部分組成。其中，數(shù)據(jù)采集模塊主要是負(fù)責(zé)采集環(huán)境中的溫度、煙霧、火源數(shù)據(jù)，然后需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。LED部分是表示節(jié)點是否加入或退出網(wǎng)絡(luò)，D2亮則說明傳感器節(jié)點加入ZigBee網(wǎng)絡(luò)，D1亮則說明傳感器節(jié)點開始周期性地發(fā)送數(shù)據(jù)。天線用于無線發(fā)送數(shù)據(jù)信息。

數(shù)據(jù)采集模塊使用的傳感器是DS18B20數(shù)字溫度傳感器和MQ-2氣體傳感器。DS18B20數(shù)字溫度傳感器是單總線器件，具有線路簡單，體積小的特點，使用起來方便。接入電路部分如圖4所示。MQ-2氣體傳感器可以用于家庭和工廠的氣體泄漏監(jiān)測裝置，適宜于液化氣、丁烷、丙烷、甲烷、酒精、煙霧等的檢測，接入電路部分如圖5所示。

圖4 溫度傳感器電路原理圖

圖5 煙霧傳感器電路原理圖

3.2.3

有源蜂鳴器像其他的傳感器節(jié)點一樣，其作用就是等待上位機下發(fā)的命令，然后報警。它工作的理想信號是直流電。原理是蜂鳴器內(nèi)部有一些簡單的振蕩電路，能將恒定的直流電轉(zhuǎn)化為一定頻率的脈沖信號，從而引起磁場交變，帶動鉬片振動發(fā)音，所以產(chǎn)生了蜂鳴聲。其原理圖如圖6所示。

圖6 有源蜂鳴器電路原理圖

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

如圖7所示，無線傳感網(wǎng)絡(luò)的建立選擇星型拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)，其較另外的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)更加具有優(yōu)勢：結(jié)構(gòu)簡單、容易管理和維護(hù)、成本低。本系統(tǒng)調(diào)試過程由一個協(xié)調(diào)器節(jié)點分別對應(yīng)溫度、煙霧和火焰三個傳感器節(jié)點進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，協(xié)調(diào)器建立并維護(hù)整個組網(wǎng)，而終端傳感器節(jié)點采集環(huán)境中的信息是通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)議并發(fā)送到協(xié)調(diào)器節(jié)點，通過USB串口傳給上位機顯示，若是有災(zāi)情出現(xiàn)就下發(fā)命令給有源蜂鳴器報警來及時阻止災(zāi)情的進(jìn)一步加劇。

4.1 協(xié)調(diào)器節(jié)點的軟件設(shè)計

關(guān)于協(xié)調(diào)器節(jié)點的軟件設(shè)計，它的作用主要是負(fù)責(zé)組建并維護(hù)網(wǎng)絡(luò)，其次是接收終端傳感器節(jié)點采集的環(huán)境信息數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)信息經(jīng)由串口傳給上位機顯示。整個協(xié)調(diào)器的軟件工作流程如圖7所示。

圖7 協(xié)調(diào)器節(jié)點的工作流程圖

4.2 傳感器節(jié)點的軟件設(shè)計

組網(wǎng)成功后，終端傳感器節(jié)點加入ZigBee網(wǎng)絡(luò)，然后周期性地采集外部環(huán)境信息數(shù)據(jù)、處理各個傳感器的數(shù)據(jù)并向協(xié)調(diào)器發(fā)送。鑒于大多數(shù)時間以及系統(tǒng)功耗考慮，各個傳感器設(shè)置為周期性工作，其余時間進(jìn)入休眠模式。這里選擇了ZigBee協(xié)議棧里的一個可以實現(xiàn)毫秒(ms)級的定時函數(shù)OSAL_START_TIMEREX()，定時發(fā)送數(shù)據(jù)到協(xié)調(diào)器節(jié)點，從而達(dá)到周期性工作的目的。整個工作流程如圖8所示。

圖8 傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的工作流程圖

4.3 報警系統(tǒng)的軟件設(shè)計

如下圖9所示為整個報警系統(tǒng)的工作流程?？紤]具體的實際情況主要設(shè)計了未存在災(zāi)情、存在火災(zāi)隱患(如溫度升高、出現(xiàn)少量煙霧)和出現(xiàn)火災(zāi)三種處理模式，出現(xiàn)災(zāi)情的話立即啟動蜂鳴器報警1分鐘，否則的話就將實時采集的溫度、煙霧濃度和火源數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機顯示。

圖9 報警器的工作流程

5 測試結(jié)果

整個實驗過程：給協(xié)調(diào)器和三個終端傳感器下載各自的程序，擺放好各自的位置，模擬一個小型火災(zāi)環(huán)境一一點燃紙張(紙張燃燒的溫度在200℃左右)。先做預(yù)熱準(zhǔn)備，如設(shè)置好串口的各個參數(shù)(波特率為115200、校驗位NONE、數(shù)據(jù)位8、停止位1)，然后上電，可以看到協(xié)調(diào)器和傳感器的LED燈都亮了，即ZigBee組網(wǎng)成功。點擊調(diào)試助手的“打開”按鈕，看到各個傳感器上傳的數(shù)據(jù)即為當(dāng)前室內(nèi)的常溫信息。觀察一段時間，確認(rèn)整個設(shè)計無漏洞，點燃紙張，看到上位機接收區(qū)域數(shù)據(jù)均明顯變化，且點燃紙張約1s便聽見警報響起。如圖10所示，溫度明顯升高；煙霧數(shù)據(jù)如圖11所示；火焰數(shù)據(jù)如圖12所示。

圖10 溫度數(shù)據(jù)變化

圖11 煙霧數(shù)據(jù)變化

圖12 火焰數(shù)據(jù)變化

6 結(jié)束語

本火災(zāi)報警系統(tǒng)是基于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計，采用了CC2530作為主控制芯片，通過對環(huán)境中溫度、氣體煙霧、火星火源的實時監(jiān)測對火災(zāi)隱患報警，為預(yù)防火災(zāi)提供了一個新的實現(xiàn)途徑。采用ZigBee進(jìn)行設(shè)計，簡單且易實現(xiàn)；采集數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)的傳輸過程中，系統(tǒng)穩(wěn)定、數(shù)據(jù)無誤，擴大終端傳感器的散布范圍，可廣泛的應(yīng)用于各種火災(zāi)監(jiān)測和預(yù)防。