基于Zig Bee 的紫外型手持火焰檢測系統(tǒng)設(shè)計

褚建平，甄國涌，劉東海，郭柳柳，田 元

(1.中北大學(xué) 電子測試技術(shù)國家重點(diǎn)實驗室，山西 太原030051;2.太原市華納方盛科技有限公司，山西 太原030051;3.西安電子科技大學(xué) 微電子學(xué)院，陜西 西安710071)

0 引 言

火災(zāi)過后的殘余火種有可能引起范圍更大、破壞性更強(qiáng)的火災(zāi)，因此，對于殘余火種的排查是非常重要的。目前，已有許多用于各個領(lǐng)域的火災(zāi)檢測的研究資料和經(jīng)驗，火災(zāi)檢測器與報警系統(tǒng)也比較多且較成熟。但是這些設(shè)備主要是用于火災(zāi)的發(fā)現(xiàn)和預(yù)防，它們大多分布固定、不可移動，對于殘余火種的檢測作用不大。

本文設(shè)計了一種基于Zig Bee 的紫外(UV)型手持火焰檢測系統(tǒng)，可實時并準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)殘余火種。

1 火焰檢測系統(tǒng)的架構(gòu)

1.1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)總體體系結(jié)構(gòu)如圖1 所示，該系統(tǒng)主要由多個手持設(shè)備終端和監(jiān)控中心端組成。每個手持設(shè)備終端都由R2868 紫外線型火焰?zhèn)鞲衅骱蚙ig Bee 節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，實時檢測火場中殘余火種的情況，并通過無線傳輸網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給監(jiān)控中心。監(jiān)控中心由Zig Bee 的FFD 設(shè)備［1］、監(jiān)視器和SQL 數(shù)據(jù)庫組成，主要功能是完成數(shù)據(jù)的接收、處理、分析、顯示、存儲等功能［2，3］。

圖1 系統(tǒng)總體體系結(jié)構(gòu)設(shè)計圖Fig 1 Design of system architecture diagram

1.2 系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

Zig Bee 的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有星型網(wǎng)絡(luò)、簇—樹型網(wǎng)絡(luò)和Mesh 網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，在結(jié)構(gòu)、建網(wǎng)、控制方面特性各有優(yōu)劣。針對火場復(fù)雜的環(huán)境，考慮到系統(tǒng)配置、系統(tǒng)穩(wěn)定性等問題，本文采用Mesh 網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖2 所示。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)勢在于:結(jié)構(gòu)簡單、建網(wǎng)容易、網(wǎng)絡(luò)控制機(jī)制相對簡單。節(jié)點(diǎn)間路徑相對星型結(jié)構(gòu)要多，但比簇—樹型結(jié)構(gòu)要簡單。數(shù)據(jù)的碰掩和阻塞情況相對減少。局部的故障不會影響整個網(wǎng)絡(luò)的正常工作，因此，網(wǎng)絡(luò)工作的可靠性高［4，5］。

圖2 Zig Bee 網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖Fig 2 Zig Bee mesh topology structure diagram

2 手持設(shè)備硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

手持設(shè)備終端主要由微處理器CC2530、火焰?zhèn)鞲衅鱎2868、溫濕度傳感器、撥碼開關(guān)、聲光報警、液晶屏顯示和電源管理模塊組成。手持設(shè)備終端硬件結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 手持設(shè)備終端硬件結(jié)構(gòu)圖Fig 3 Hardware structure of handheld device terminal

2.1 傳感器驅(qū)動電路設(shè)計

傳感器驅(qū)動電路圖如圖4 所示，采用一個1∶70 的變壓器，將5 V 電壓轉(zhuǎn)換成350 V 電壓。由于紫外線傳感器的工作原理是基于金屬的光電發(fā)射效應(yīng)和電子繁流理論，傳感器一旦開始放電，就會處于一種自保持放電方式，這樣就不能正確地檢測紫外線。由于傳感器本身沒有自動抑制火花的特性，所以，必須從外部加入滅弧電路。采用周期性地減小陽極電壓，使其低于放電維持電壓的方法可以防止放電電流的自保持［6］。

圖4 傳感器驅(qū)動電路圖Fig 4 Sensor driver circuit diagram

2.2 信號處理電路設(shè)計

CC2530 芯片使用的8051 CPU 內(nèi)核是一個單周期的8051 兼容內(nèi)核，同時該芯片可以配置輸入脈沖捕捉模式。信號處理電路如圖5 所示，根據(jù)不同情況下傳感器輸出脈沖的特點(diǎn)，利用CC2530 的輸入脈沖捕捉功能，將傳感器的輸出脈沖捕捉回來，輸入到CC2530 的相應(yīng)引腳內(nèi)。利用CC2530 內(nèi)部的計數(shù)器計算接收回來的脈沖數(shù)。同時結(jié)合CC2530 內(nèi)部的的定時器，設(shè)定一個單位時間。單位時間內(nèi)，如果計數(shù)大于設(shè)置的閾值，CC2530 的相關(guān)管腳則輸出高電平;否則，相關(guān)管腳一直處于低電平。

圖5 信號處理電路圖Fig 5 Signal processing circuit diagram

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

系統(tǒng)的軟件設(shè)計包括手持終端軟件設(shè)計和監(jiān)控中心管理軟件設(shè)計兩部分。本設(shè)計主要對手持終端軟件進(jìn)行設(shè)計，對監(jiān)控中心管理軟件進(jìn)行部分設(shè)計。

3.1 手持終端軟件設(shè)計

手持終端的主要職責(zé)是檢測火場是否有殘余火種的存在。手持終端軟件工作流程圖如圖6 所示。手持終端開機(jī)后先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，完成系統(tǒng)正常工作時需要的基本配置。接下來手持終端會自動檢查自身撥碼開關(guān)的情況，根據(jù)撥碼開關(guān)不同的組合，設(shè)置相應(yīng)的靈敏度。然后手持終端會主動地與監(jiān)控中心的設(shè)備相連，并將自己的ID 號發(fā)送給監(jiān)控中心。利用微處理器輸入脈沖捕捉中斷，實時捕捉R2868 火焰?zhèn)鞲衅鲉挝粫r間內(nèi)輸入的脈沖個數(shù)。判斷有無殘余火種存在。

為了使檢測情況精確無誤，避免誤判情況的出現(xiàn)，軟件設(shè)計采用比較限制法解決這一問題。如果第一次檢測到輸入的脈沖數(shù)大于設(shè)定的閾值，系統(tǒng)不是立刻報警。因為這次可能是系統(tǒng)采集的干擾值。系統(tǒng)接著進(jìn)行第二次檢測，如果第二次輸入的脈沖數(shù)仍然大于閾值，則判定為有殘余火種存在;如果小于閾值，則證明上一次是由背景噪聲引起的誤判。

3.2 監(jiān)控中心管理軟件設(shè)計

圖6 手持終端軟件工作流程圖Fig 6 Work flowchart of handheld terminal software

Zig Bee 監(jiān)控結(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)信息的接收，將TTL 電平轉(zhuǎn)換成RS—232 電平，通過串口將信息傳送給主機(jī)。監(jiān)控軟件采用VB 作為開發(fā)工具編寫，安裝在監(jiān)控中心的主機(jī)上，負(fù)責(zé)對火場傳回信息的處理、分析、顯示、存儲和統(tǒng)計等功能。數(shù)據(jù)庫開發(fā)軟件采用方便集成和移植的SQL 數(shù)據(jù)庫，在實時顯示動態(tài)數(shù)據(jù)的同時，將數(shù)據(jù)錄入到數(shù)據(jù)庫中。這些數(shù)據(jù)可以在火災(zāi)過后進(jìn)行分析歸納，指導(dǎo)消防人員高效地進(jìn)行殘余火災(zāi)的檢測。監(jiān)控中心軟件功能圖如圖7 所示［7］。

圖7 監(jiān)控中心軟件功能圖Fig 7 Software function diagram of monitoring center

4 測試結(jié)果與分析

在有火焰的時候，R2868 傳感器輸出的脈沖波形如圖8所示。通過分析該波形圖可以看出:輸出脈沖的頻率f ＜2 Hz，即有少量紫外線射入。通過分析此脈沖信號，確定R2868 可以正常的工作。

圖8 有火焰時傳感器輸出信號圖Fig 8 Sensor output signal diagram with flame

設(shè)置三個檢測點(diǎn)，檢測點(diǎn)的ID 號分別為000，001，002，將它們分別放置在以下情況下，測試設(shè)備在不同環(huán)境下聲光報警是否有效，情況如表1 所示。紫外線是電磁波譜中波長從100～400 nm 輻射的總稱，太陽光透過大氣層時波長短于290 nm 的紫外線被大氣層中的臭氧吸收掉，該紫外線傳感器就是利用太陽光譜盲區(qū)(日盲區(qū))，只對185～260 nm狹窄范圍內(nèi)的紫外線進(jìn)行響應(yīng)。將手持設(shè)備置于太陽光下，手持設(shè)備聲光報警均不工作，證明紫外線傳感器確實不受太陽光的影響。用手持設(shè)備檢測分別在太陽光環(huán)境下、黑暗環(huán)境下、煙霧環(huán)境下的火焰，均會引起設(shè)備的聲光報警功能。只有在火焰的存在的條件下，手持設(shè)備才能進(jìn)行聲光報警，手持設(shè)備受外界環(huán)境的影響非常小。

表1 不同情況下聲光報警測試情況表Tab 1 Audible optical alarm test case table under different circumstances

利用上述三個檢測點(diǎn)對設(shè)備的檢測范圍和可以檢測的火焰大小進(jìn)行了測試。如表2 所示。在相同環(huán)境下，分別改變火焰長度和測試距離。經(jīng)過多次實驗可以看出:檢測距離與火焰長度的大小呈正比，火焰長度越長，檢測范圍越大。設(shè)備可以在5 m 的范圍內(nèi)，準(zhǔn)確地檢測到大于1 cm 的火焰。

表2 火焰長度和測試距離測試表Tab 2 Test table of flame length and test distance

針對系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行測試，在實驗中關(guān)掉傳播途徑中的一部分路由器，模擬火場中路由器發(fā)生故障時的狀態(tài)，手持終端設(shè)備可以通過其他路由器傳播數(shù)據(jù)。通過多次改變手持設(shè)備發(fā)送的數(shù)據(jù)與接收端數(shù)據(jù)的情況對比發(fā)現(xiàn)，只要有可用的傳播途徑，手持設(shè)備就可以將數(shù)據(jù)發(fā)送給監(jiān)控中心。

5 結(jié) 論

本文通過在不同環(huán)境情況下多次測量的結(jié)果表明:本系統(tǒng)不受太陽光影響，能夠在5 m 的范圍內(nèi)準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)火焰長度大于1 cm 的殘余火種，且測試距離與火焰的長度呈正比，并將信息實時、準(zhǔn)確地發(fā)送給監(jiān)控中心。通過將傳感器技術(shù)與無線通信技術(shù)相結(jié)合，將所有設(shè)備有機(jī)的連接起來。整個系統(tǒng)在實時性、準(zhǔn)確性、可靠性及環(huán)境適應(yīng)性等方面可以較好地滿足應(yīng)用需求。

［1］ 朱 斌，譚 勇，黃江波.基于Zig Bee 無線定位技術(shù)的安全監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計［J］.計算機(jī)測量與控制，2010，18(6):1247－1252.

［2］ 鄭 凱，趙宏偉，張孝臨.基于Zig Bee 網(wǎng)絡(luò)的心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的研究［J］.儀器儀表學(xué)報，2008，29(9):1908－1911.

［3］ 王曉燕，丁啟勝.基于WSNs 與LabVIEW 技術(shù)的火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2012(7):35－41.

［4］ 李正明，侯佳佳，潘天紅，等.基于Zig Bee 與GPRS 的無線水文監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計［J］.排灌機(jī)械，2009，27(3):184－189.

［5］ 王晨輝，孟慶佳.基于PIC32 和Zig Bee 的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計［J］.電子技術(shù)應(yīng)用，2014，40(2):68－70.

［6］ 王洋洋，高國強(qiáng)，張進(jìn)明.基于C8051 的紫外型火焰探測器設(shè)計［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2013，32(9):89－92.

［7］ 彭高豐.溫室大棚環(huán)境智能自動測量與調(diào)節(jié)系統(tǒng)研究［J］.計算機(jī)測量與控制，2012，20(10):2664－2679.