一種無線可燃?xì)怏w聲光報(bào)警器的設(shè)計(jì)

張劍飛，張 彤，姚宇鵬

（1.齊齊哈爾大學(xué)計(jì)算機(jī)與控制工程學(xué)院，黑龍江齊齊哈爾161006；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)軟件學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001）

一種無線可燃?xì)怏w聲光報(bào)警器的設(shè)計(jì)

張劍飛1，張 彤1，姚宇鵬2

（1.齊齊哈爾大學(xué)計(jì)算機(jī)與控制工程學(xué)院，黑龍江齊齊哈爾161006；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)軟件學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001）

為降低可燃?xì)怏w報(bào)警系統(tǒng)的建設(shè)成本，縮短工程建設(shè)周期，又易于設(shè)備的安裝與維護(hù)，提出了一種無線可燃?xì)怏w報(bào)警器的設(shè)計(jì)方案.采用通信協(xié)議對收發(fā)無線信號進(jìn)行管理，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了系統(tǒng)總體方案，然后對方案進(jìn)行分解，模塊化設(shè)計(jì)了探測器部分、控制部分和聲光報(bào)警部分，從而提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，方便了維護(hù)管理.通過多組重復(fù)性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，證明了方案的可行性，符合國家標(biāo)準(zhǔn).

無線通信；NRF905；氣體檢測；聲光報(bào)警；上位機(jī)

近年來，隨著科學(xué)技術(shù)和石油化工產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，越來越多的可燃性氣體被應(yīng)用于人們的生活、生產(chǎn)工作中，可燃性氣體種類繁多，易燃易爆，更有的帶毒性和腐蝕性，及時(shí)準(zhǔn)確地檢測出這些危險(xiǎn)性氣體，對于保障國家的財(cái)產(chǎn)和人民的生命安全具有重大意義［1］.由于相關(guān)政策和法規(guī)陸續(xù)出臺，刺激了可燃?xì)怏w檢測儀器行業(yè)的發(fā)展［2－3］.如何既保證各監(jiān)測節(jié)點(diǎn)和主控室之間穩(wěn)定的數(shù)據(jù)通信，又有效地降低系統(tǒng)維護(hù)的成本成為當(dāng)今業(yè)內(nèi)的一個(gè)難點(diǎn).因此，將無線通信技術(shù)引入氣體檢測系統(tǒng)將成為該領(lǐng)域的重點(diǎn)研究方向之一.

1 總體方案設(shè)計(jì)

本文方案采用NRF905芯片作為通信模塊核心，由MSP430F149單片機(jī)作為控制核心和聲光報(bào)警電路組成.其系統(tǒng)框架如圖1所示.相比有線數(shù)據(jù)通信報(bào)警，無線通信具有成本低廉、建設(shè)工程周期短、適應(yīng)性強(qiáng)、擴(kuò)展性好，尤其是在設(shè)備維護(hù)方面更容易實(shí)現(xiàn)，如果通信線路出現(xiàn)故障，不必像有線通信那樣排查線路，只需維護(hù)數(shù)據(jù)傳輸模塊，就能快速找出故障原因，恢復(fù)線路到正常工作狀態(tài).因此，我們專門設(shè)計(jì)了一款帶有無線通信功能的可燃?xì)怏w檢測系統(tǒng).氣體濃度由探測器檢測，經(jīng)信號放大，再經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換等處理后，將檢測到的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后，由NRF905無線射頻發(fā)射器發(fā)出.接收端由射頻接收器接收信號送給單片機(jī).經(jīng)過單片機(jī)分析處理，與設(shè)定好的濃度閾值比對分析，若大于閾值，則啟動(dòng)報(bào)警電路，按級發(fā)出相應(yīng)聲光報(bào)警.此外，使用RS232總線與上位機(jī)進(jìn)行串口通信，及時(shí)把監(jiān)測到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)上傳給上位機(jī)顯示并記錄，便于工作人員分析、比對和監(jiān)控.

2 硬件實(shí)現(xiàn)

2.1主控部分硬件實(shí)現(xiàn)

本文設(shè)計(jì)控制模塊的核心采用美國德州儀器公司研發(fā)的一款具有16位超低功耗的混合信號處理功能的單片機(jī)MSP430F149［4］.它具有16位總線，外設(shè)內(nèi)存統(tǒng)一編址，可以擴(kuò)展存儲器，中斷統(tǒng)一管理的特點(diǎn)，片內(nèi)設(shè)有乘法器、2個(gè)16位定時(shí)器、1個(gè)12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器、6路P口、兩路USART通信端口、1個(gè)比較器、1個(gè)看門狗和2個(gè)外部時(shí)鐘.該型號單片機(jī)具有功耗超低、信息處理功能強(qiáng)大、工作穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)、支持C語言開發(fā)和性價(jià)比與集成度高的特點(diǎn)，因此，備受廣大科研技術(shù)人員青睞.設(shè)計(jì)主要應(yīng)用MSP430F149單片機(jī)的2個(gè)串口USART1和USART0，其中USART1當(dāng)做SPI接口使用，主要是用來與NRF905之間進(jìn)行通信.USART0作為UART使用，通過MAX3232芯片提供RS－232總線和上位機(jī)進(jìn)行通信.主控部分電路如圖2所示.

在電源電路中，由于主電路為5V電源供電，而MSP430F149單片機(jī)需3.3V電源，因此這里采用ASM1117－3.3降壓芯片提供單片機(jī)供電.

2.2氣體檢測模塊的硬件實(shí)現(xiàn)

可燃?xì)怏w檢測模塊采用Nemoto公司生產(chǎn)的NAP－55A催化燃燒型可燃?xì)怏w傳感器.該型傳感器采用的是惠斯通電橋原理設(shè)計(jì)電路.當(dāng)可燃?xì)怏w在催化劑作用下，在傳感器檢測元件表面上進(jìn)行無焰燃燒，溫度上升導(dǎo)致元件電阻阻值上升，致使電橋不平衡，輸出一個(gè)與可燃?xì)怏w濃度成正比的信號，從而將可燃?xì)怏w濃度信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，如圖3所示.該型傳感器受環(huán)境溫度、濕度影響較小，線性度較高，穩(wěn)定性強(qiáng).并且只用于測量可燃?xì)怏w，不可用于非可燃?xì)怏w.通常情況下，電橋產(chǎn)生的電壓信號十分微弱，因此在信號處理之前需要用放大器將信號放大，再經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換后，將模擬信號變成數(shù)字信號等一系列信號處理后，由無線射頻發(fā)射器將信號發(fā)給報(bào)警器，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程報(bào)警.

2.3無線通信模塊的硬件實(shí)現(xiàn)

為滿足探測器和主控單元之間的通信要求，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咝院头€(wěn)定性，設(shè)計(jì)采用Nordic VLSI公司生產(chǎn)的以NRF905射頻發(fā)射芯片為核心的無線通信模塊.NRF905芯片工作電壓1.9～3.6V，待機(jī)模式下電流僅為2.5μA，工作433／868／915MHz的ISM頻段，頻道之間轉(zhuǎn)換時(shí)間小于650μs，數(shù)據(jù)傳輸速率由微控制器的接口速率自行設(shè)定.通過SPI總線控制多點(diǎn)通信的地址、頻率、功耗等.最大數(shù)據(jù)速率為100kB／s.NRF905是一款集成度較高的無線通信芯片，由功率放大器、頻率合成器、接收解調(diào)器、晶體振蕩器和GFSK調(diào)制器組成［5－6］.若配置高增益SMA天線，具有高性能、低功耗、接收靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)、集成度高和信號傳輸穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)處理字頭、曼徹斯特編解碼，使用方便，尤其適合工業(yè)控制，是目前市場上應(yīng)用較為廣泛的無線通信模塊.

NRF905與MSP430單片機(jī)接口電路如圖4所示，它主要通過片內(nèi)SPI接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，SPI口由MOSI主器件數(shù)據(jù)輸出信號、MISO主器件數(shù)據(jù)輸入信號、SCLK位移時(shí)鐘信號和CS從器件使能端信號組成［7－8］.通信由位移時(shí)鐘發(fā)起，在SCLK為1時(shí)由MISO發(fā)出，在SCLK為0由MOSI輸入，循環(huán)執(zhí)行8次，由此完成數(shù)據(jù)傳遞.

在NRF905芯片處于收發(fā)模式時(shí)，應(yīng)用芯片內(nèi)的堆棧區(qū)，將微控制器中數(shù)據(jù)高速送入到芯片內(nèi)，盡可能的節(jié)能.與射頻相關(guān)的所有信號處理過程都在芯片內(nèi)進(jìn)行，這樣不僅節(jié)能，還節(jié)省了信號在空中滯留的時(shí)間，起抗干擾作用.在收發(fā)模式下，NRF905芯片會自動(dòng)處理所有校驗(yàn)碼和字頭.發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，TRX＿CE腳置高，TX＿EN腳置低，信號處理單元通過SPI口，把時(shí)序和地址發(fā)送給NRF905，并自動(dòng)添加校驗(yàn)碼和字頭；接收數(shù)據(jù)時(shí)，TRX＿CE腳置高，TX＿EN腳置低，收到匹配地址后，AM腳置高.自動(dòng)移除校驗(yàn)碼、地址和字頭.在完成發(fā)送數(shù)據(jù)后，DR腳自動(dòng)通知MSP430F149單片機(jī)發(fā)送完畢.由此可見，TRX＿CE，TX＿EN和PWR＿UP這3個(gè)引腳決定芯片的模式.不同功能模式轉(zhuǎn)換如表1所示.

本文系統(tǒng)由多個(gè)探測器發(fā)送節(jié)點(diǎn)與報(bào)警器接收節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，如果同時(shí)有多個(gè)發(fā)送節(jié)點(diǎn)要發(fā)送數(shù)據(jù)勢必會導(dǎo)致信道沖突，數(shù)據(jù)包丟失，漏報(bào)等事故.因此，系統(tǒng)采用競爭類MAC通信協(xié)議中的CSMA／CA協(xié)議，進(jìn)行通信前信道預(yù)約.具體步驟如下：（1）在發(fā)送數(shù)據(jù)前，監(jiān)聽信道，若空閑，則向接收節(jié)點(diǎn)發(fā)送請求幀RTS；（2）接收節(jié)點(diǎn)收到RTS后，向發(fā)送節(jié)點(diǎn)回復(fù)一個(gè)允許發(fā)送幀CTS，在幀上都帶有數(shù)據(jù)長度；（3）發(fā)送節(jié)點(diǎn)收到CTS后，即確認(rèn)建立通信連接，發(fā)送數(shù)據(jù)，若沒收到CTS，則延遲一段時(shí)間重新發(fā)送RTS；（4）接收節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)后，發(fā)送數(shù)據(jù)確認(rèn)幀ACK，通信完畢.

2.4報(bào)警模塊的硬件實(shí)現(xiàn)

當(dāng)探測器檢測到周圍環(huán)境中可燃?xì)怏w濃度超過預(yù)設(shè)定閾值時(shí)，系統(tǒng)將通過聲光報(bào)警裝置發(fā)出警報(bào)，具體表現(xiàn)為語音報(bào)警和紅、黃、綠三級LED燈閃爍，提醒安全人員及時(shí)采取必要措施排查險(xiǎn)情，以防火災(zāi)、爆炸等重大安全事故的發(fā)生.

本系統(tǒng)設(shè)置三級報(bào)警機(jī)制，不同的情況下分別點(diǎn)亮不同顏色的LED燈，并發(fā)出不同報(bào)警.具體如下：

（1）綠色燈點(diǎn)亮?xí)r，表示探測器沒有從環(huán)境中檢測到可燃?xì)怏w，此時(shí)黃燈、紅燈熄滅，揚(yáng)聲器不發(fā)出語音報(bào)警.

（2）黃色燈閃爍時(shí)，表示探測器從周圍環(huán)境中檢測到可燃?xì)怏w，但氣體濃度未超過系統(tǒng)設(shè)定閾值，此時(shí)綠燈、紅燈熄滅，揚(yáng)聲器發(fā)出二級語音報(bào)警.

（3）紅色燈閃爍時(shí)，表示探測器檢測到周圍空氣中可燃?xì)怏w濃度超過設(shè)定閾值，此時(shí)綠燈、黃燈熄滅，揚(yáng)聲器發(fā)出一級語音報(bào)警，聲光報(bào)警部分電路如圖5所示.

語音模塊采用WT588D語音芯片為核心設(shè)計(jì).WT588D是一個(gè)功能強(qiáng)大的可編輯語音芯片，可以由配套的上位機(jī)軟件Voice Chip配置芯片的控制模式，將需要播放的語音信息下載到SPI－Flash存儲器上即可.MP3控制模式、組合按鍵控制模式、并口控制模式、一線串口控制模式和三線串口控制模式等多種模式，使WT588D芯片廣泛應(yīng)用于工作、生活中各種場所.由于設(shè)計(jì)多應(yīng)用于工廠、礦井等生產(chǎn)現(xiàn)場，噪聲比較大，報(bào)警器采用超大聲音報(bào)警模式，因此，在設(shè)計(jì)加入功放電路以達(dá)到超大聲音目的.聲光報(bào)警器采用防暴不銹鋼外殼，燈帽采用高強(qiáng)度材料，多種顏色可選，超強(qiáng)抗沖擊，工作穩(wěn)定，使用壽命長.頂部配有多組超高亮LED發(fā)光二極管，亮度大，多角度清晰可見.超大聲音可滿足高端防爆客戶應(yīng)用在油井的開采現(xiàn)場、鉆井現(xiàn)場、動(dòng)火現(xiàn)場等環(huán)境.可采用落地式、吸頂式和壁掛式多種方式安裝.

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)上電后，為了使其進(jìn)入最佳工作狀態(tài)，首先要對系統(tǒng)進(jìn)行初始化，調(diào)整設(shè)置微控制器內(nèi)相關(guān)的寄存器、定義所需的全局變量，根據(jù)要求設(shè)定系統(tǒng)的報(bào)警閾值.系統(tǒng)的軟件主要由主程序及無線發(fā)射、無線接收、定時(shí)中斷、溫度補(bǔ)償、WT588D語音聲光報(bào)警子程序組成.本文重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)無線通信，所以主要闡述無線發(fā)射子程序、無線接收子程序的設(shè)計(jì).

3.1無線發(fā)射子程序

當(dāng)有數(shù)據(jù)要發(fā)射給接收節(jié)點(diǎn)時(shí)，接收節(jié)點(diǎn)地址和發(fā)射有效數(shù)據(jù)從SPI口傳給NRF905射頻發(fā)射器，TRX－CE和TX－EN被單片機(jī)設(shè)置為高電平，從而啟動(dòng)傳輸.芯片內(nèi)部加前導(dǎo)碼和校驗(yàn)碼，當(dāng)TRX－CE被設(shè)置為低時(shí)，數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束.發(fā)射部分代碼如下：

void TxPacket（void）

｛ uchar i＝0；

CSN＝0； ／／SPI使能，準(zhǔn)備寫入地址信息

SpiWrite（WTP）； ／／寫數(shù)據(jù)至數(shù)據(jù)發(fā)送寄存器

for（i＝0；i＜32；i＋＋）

｛

SpiWrite（TxBufffer［0］）；／／寫入1字節(jié)直接發(fā)送數(shù)據(jù)

｝

……

TRX＿CE＝1；／／進(jìn)入發(fā)送模式，啟動(dòng)射頻發(fā)送

Delay（10）；／／（＞＝650μs）

TRX＿CE＝0；發(fā)射結(jié)束.

3.2無線接收子程序

設(shè)置引腳TRX－CE為高、TX－EN為低，650μs后，NRF905接收端開始掃描空中信息.當(dāng)接收端發(fā)現(xiàn)頻率相同的載波時(shí)，CD端被置高；收到有效地址后，AM被置高，確認(rèn)CRC校驗(yàn)碼，芯片去除前導(dǎo)碼、地址后，DR腳被置高.TRX－CE腳置低，SPI口讀出有效數(shù)據(jù).部分代碼如下：

voidRxPacket（void）

｛ uchar i＝0；

TX＿EN＝0； ／／進(jìn)入接收模式

for（i＝0；i＜32；i＋＋）

｛

TxRxBuffer［i］＝SpiRead（）； ／／讀取數(shù)據(jù)并保存

｝……

……

CSN＝1；

TRX＿CE＝1； ／／（＞＝650μs）

Delay（1）；

｝

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

此項(xiàng)實(shí)驗(yàn)在合作公司進(jìn)行調(diào)試實(shí)驗(yàn)，主要檢測的是可燃?xì)怏w報(bào)警器的精度、線性度等性能指標(biāo).其中檢測精度作為探測器性能好壞的重要指標(biāo)，為了得出更為精確的測試結(jié)果，本次實(shí)驗(yàn)分別采用2組體積分?jǐn)?shù)為26%LEL和51%LEL的標(biāo)準(zhǔn)丙烷作為測試氣體，每組8個(gè)檢測單元進(jìn)行標(biāo)定.實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示.根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，上電送氣后，顯示濃度上下浮動(dòng)范圍不超過2%，否則視為不合格.

按照規(guī)范的氣體標(biāo)定流程，上電后要持續(xù)送氣70s，待示數(shù)穩(wěn)定后，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).本設(shè)計(jì)分別用體積分?jǐn)?shù)為26%和51%來設(shè)定線性關(guān)系，經(jīng)過比對分析，可以發(fā)現(xiàn)體積分?jǐn)?shù)26%和51%時(shí)測試數(shù)據(jù)對比標(biāo)準(zhǔn)氣濃度上下浮動(dòng)均在2%以內(nèi)，符合標(biāo)定規(guī)定，由此可以得出系統(tǒng)具有良好的線性度，精度也控制在2%以內(nèi).綜上所述，該方案是可行性.

5 結(jié)束語

本文為可燃?xì)怏w勘測設(shè)計(jì)了一種無線聲光報(bào)警系統(tǒng)，根據(jù)對現(xiàn)場安裝維護(hù)的經(jīng)驗(yàn)，提出了一種基于無線通信方式代替有線的氣體預(yù)警機(jī)制.這不僅大大縮短了工程建設(shè)時(shí)間，還提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可擴(kuò)展性，最重要的是方便后續(xù)使用中的設(shè)備維護(hù)，為提高企業(yè)生產(chǎn)效率提供了堅(jiān)實(shí)的安全保障.

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Design of a wireless combustible gas acousto－optic alarm

ZHANG Jian－fei1，ZHANG Tong1，YAO Yu－peng2

（1.College of Computer and Control Engineering，Qiqihar University，Qiqihar 161006，China；2.School of Software，Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，China）

To reduce the construction cost of combustible gas alarm system，shorten the construction period and facilitate the installation and maintenance of equipments.A design scheme of wireless combustible gas alarm system is presented.The sending and receiving wireless signals can be controlled by the communication protocols.On the basis of the systemic overall scheme design，the scheme is decomposed with modular design detector parts，acousto－optic alarm and control parts.The design scheme can be used to improve the system stability and facilitate maintenance and management.The feasibility of the scheme is proved by multiple sets of repeated experiments；it also meets the national standards.

wireless communication；NRF905；gas detection；acousto－optic alarm；principal computer

TP 216 ［學(xué)科代碼］ 520·5050 ［

］ A

（責(zé)任編輯：石紹慶）

1000－1832（2015）01－0083－06

10.16163／j.cnki.22－1123／n.2015.01.016

2014－04－30

黑龍江省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（F201333）.

張劍飛（1974—），男，博士研究生，副教授，主要從事智能算法研究.