基于Zigbee技術(shù)的火災(zāi)探測(cè)報(bào)警傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

張青春

（淮陰工學(xué)院電子與電氣工程學(xué)院，江蘇 淮安 223003）

0 引 言

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（wireless sensor network，WSN）是由大量傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)無(wú)線通信方式形成的一個(gè)多跳的自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，它能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的采集量化、處理融合和傳輸。隨著無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展，以及人們對(duì)居住環(huán)境的要求越來(lái)越高，將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用到火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)將是一種必然的選擇[1-3]?；赪SN的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)，將溫度、煙霧、火焰等傳感器集成在一個(gè)采用Zigbee技術(shù)設(shè)計(jì)的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)上來(lái)監(jiān)測(cè)火災(zāi)信息，當(dāng)有火災(zāi)發(fā)生時(shí)，火災(zāi)報(bào)警監(jiān)控中心和火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)立即發(fā)出報(bào)警信號(hào)，同時(shí)將火災(zāi)通過(guò)短信傳遞給用戶，并通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)、火警電話將火災(zāi)信息傳送到消防主管部門(mén)，便于進(jìn)行火災(zāi)救援[4-6]。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)是組成火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的基本單位，是構(gòu)成火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的基礎(chǔ)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)需完成信息采集和數(shù)據(jù)傳遞的功能，節(jié)點(diǎn)中的電源模塊還負(fù)責(zé)節(jié)點(diǎn)的驅(qū)動(dòng)，是決定網(wǎng)絡(luò)生存期的關(guān)鍵因素。無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)一般包括無(wú)線通信模塊、數(shù)據(jù)處理模塊（微處理器、存儲(chǔ)器）、數(shù)據(jù)采集模塊（傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器）、報(bào)警模塊和電源模塊等[7-9]，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 CC2530 模塊

CC2530模塊實(shí)現(xiàn)的主要功能有：通過(guò)8路12位A/D口控制傳感器模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；控制無(wú)線RF模塊完成數(shù)據(jù)收發(fā)；通過(guò)I/O口響應(yīng)主機(jī)控制。CC2530無(wú)線傳輸距離可達(dá)100m，若在CC2530模塊增加2.4 GHz的射頻前端芯片CC2591來(lái)提高無(wú)線通信部分的發(fā)射功率，進(jìn)一步改善其接收靈敏度，從而可以擴(kuò)展無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，信號(hào)傳輸距離可達(dá)1000m以上。

圖1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)

1.3 溫度傳感器

采用LM35D溫度傳感器，其靈敏度為10mV/℃，工作溫度范圍為0～100℃，工作電壓為4～30V，準(zhǔn)確度為±1℃，最大線性誤差為±0.5℃，靜態(tài)電流為80μA，輸出電壓范圍為0～5V。傳感器輸出接CC2530 I/O端口的P0.1（即CC2530模塊內(nèi)置ADC轉(zhuǎn)換器的通道 1）。

圖2 煙霧傳感器電路圖

1.4 煙霧傳感器

采用MQ-2半導(dǎo)體煙霧傳感器，輸出模擬量范圍為0～5V。如圖2所示，傳感器引腳1～3接+5V電源，引腳5接地，引腳4、6并接接入放大器，經(jīng)放大器放大后接入CC2530 I/O端口的P0.2（即CC2530模塊內(nèi)置ADC轉(zhuǎn)換器的通道 2）。

選用LM358運(yùn)算放大器對(duì)傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行放大。Ⅰ構(gòu)成電壓跟隨器，V1=Vi，可以減少電路模塊間由于阻抗引起的干擾；Ⅱ構(gòu)成電壓放大器，為保證引入負(fù)反饋，輸出電壓Vo通過(guò)電阻R7、R8接到反相輸入端，同時(shí)反相輸入端通過(guò)電阻R9接地。放大電路的放大倍數(shù)A=（R7+R8+R9）/R9，取 R9=1kΩ，R8=1kΩ，R7為 100kΩ的滑動(dòng)電阻，因此可以放大2～102倍。

1.5 火焰?zhèn)鞲衅?/h3>

JNHB1004是一種遠(yuǎn)紅外火焰?zhèn)鞲衅?，能夠探測(cè)到波長(zhǎng)在760～1 100 nm范圍內(nèi)的紅外光，探測(cè)角度為60°，其中紅外光波長(zhǎng)在940nm附近時(shí)，其靈敏度達(dá)到最大。當(dāng)周?chē)谢鹪串a(chǎn)生時(shí)，遠(yuǎn)紅外傳感器將外界遠(yuǎn)紅外光的變化轉(zhuǎn)化為電流的變化，根據(jù)采集信號(hào)大小判斷紅外光線的強(qiáng)弱。如圖3所示，火焰?zhèn)鞲衅鬏敵鲭妷簽?～5V，引腳1接+5V電源，引腳2串接電阻接地再并聯(lián)接入CC2530 I/O端口的P0.3（即CC2530模塊內(nèi)置ADC轉(zhuǎn)換器的通道3）。

圖3 火焰?zhèn)鞲衅麟娐穲D

1.6 報(bào)警電路

如圖4所示，雙聲報(bào)警電路，接入CC2530 I/O端口的P1.2。

圖4 雙聲報(bào)警電路圖

由兩個(gè)555時(shí)基電路組成的兩個(gè)多諧振蕩器。第1個(gè)（U1）555構(gòu)成低頻振蕩電路，頻率F1主要由C1、R2決定，引腳3輸出頻率為F1的低頻信號(hào)，當(dāng)U1的引腳3輸出高電平時(shí)，第2個(gè)（U2）555構(gòu)成高頻振蕩電路工作，其振蕩頻率F2主要由C3、R4決定，且F2遠(yuǎn)大于F1，這樣在U2的引腳3輸出為F2的脈波調(diào)制信號(hào)。

三極管S8550和與非門(mén)74LS00控制報(bào)警電路的通斷，74LS00芯片接+9V電源，當(dāng)CC2530模塊的P1.2端輸出高電平時(shí)，經(jīng)過(guò)與非門(mén)輸出低電平0V，三極管eb級(jí)導(dǎo)通，從而這個(gè)報(bào)警電路處于導(dǎo)通狀態(tài)，蜂鳴器發(fā)出“滴嘟滴嘟…”的聲音。反之，P1.2端輸出低電平時(shí)，經(jīng)過(guò)與非門(mén)輸出高電平9V，三極管eb級(jí)不導(dǎo)通，電路不報(bào)警。

當(dāng)溫度傳感器、煙霧傳感器、火焰?zhèn)鞲衅鞑杉降?路信號(hào)傳輸?shù)交馂?zāi)報(bào)警中心進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，若預(yù)測(cè)結(jié)果輸出為“有火災(zāi)”，則該節(jié)點(diǎn)的CC2530模塊P1.2端輸出高電平，發(fā)出火災(zāi)報(bào)警信號(hào)。

1.7 電源電路

電源電路如圖5所示，由9V干電池經(jīng)過(guò)L7805穩(wěn)壓電源輸出5 V電壓給各種傳感器和芯片供電，再經(jīng)3個(gè)硅型二極管壓降為3.3V給CC2530模塊供電。

圖5 電源電路圖

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

傳感器節(jié)點(diǎn)在不采集數(shù)據(jù)時(shí)處于休眠狀態(tài)，節(jié)點(diǎn)一旦被查詢，CC2530開(kāi)始采集數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理，判斷采集值是否超過(guò)設(shè)定的報(bào)警值，如果超過(guò)報(bào)警值，則將發(fā)送數(shù)據(jù)到上位機(jī)時(shí)，啟動(dòng)報(bào)警，流程圖如圖6所示。

3 系統(tǒng)測(cè)試

圖6 傳感器節(jié)點(diǎn)主程序流程圖

圖7 節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

圖8 節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)圖形

火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)是在基于VS2005的ZigbeePC平臺(tái)上進(jìn)行的。圖7為編號(hào)43672的節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，圖8為編號(hào)54350的節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)圖形。圖中同時(shí)顯示溫度、煙霧和火焰3種數(shù)據(jù)變化。為了在一幅圖中同時(shí)顯示3個(gè)參數(shù)，設(shè)定測(cè)溫范圍為0～100℃；將煙霧傳感器上限值10000縮小100倍，以100*100的形式表示（*100為單位）；將火焰?zhèn)鞲衅魃舷拗?023縮小10倍，以102.3*10的形式表示（*10為單位）。

由圖7、圖8可以看出，試驗(yàn)時(shí)溫度報(bào)警值設(shè)定為50℃，煙霧報(bào)警值設(shè)定為75*100，火焰報(bào)警值設(shè)定為80*10，當(dāng)測(cè)量值大于設(shè)定的報(bào)警值時(shí)，傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)出報(bào)警聲。

4 結(jié)束語(yǔ)

采用Zigbee技術(shù)構(gòu)建的低成本、低功耗的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)克服了有線傳感器網(wǎng)絡(luò)的局限性；在監(jiān)測(cè)區(qū)域布置多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，在單一傳感器節(jié)點(diǎn)故障后，可以依據(jù)其他正常的傳感器節(jié)點(diǎn)提供信息,防止漏報(bào)；在一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)上集成溫度、煙霧、火焰3種類(lèi)型傳感器，增強(qiáng)了火災(zāi)監(jiān)測(cè)的可靠性，可以有效防止誤報(bào)。該傳感器節(jié)點(diǎn)開(kāi)發(fā)、試制成功，具有一定的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和推廣應(yīng)用價(jià)值。

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