基于嵌入式的火災檢測系統(tǒng)設計

徐志剛

摘 要： 研究一種基于嵌入式的火災檢測系統(tǒng)，通過應用無線技術和嵌入式技術設計火災檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠實時地采集火災因子，并采用無線通信和路由傳輸的方式將數據傳輸到處理器中，進而生成火災決策和預警?；ヂ?lián)網以及手機監(jiān)測中心可以采用無線通信方法及時地獲取預警信息和環(huán)境參數，根據所監(jiān)測的煙塵、大氣壓、溫度以及相對濕度等信息來綜合分析森林環(huán)境狀況，進而有效地預報火災，避免森林火災產生較大的經濟損失。實驗結果表明，該設計達到了預期目標。

關鍵詞： 嵌入式技術； 無線傳感網絡； 火災檢測； 實時監(jiān)測

中圖分類號： TN911.23?34； TP27 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）10?0168?04

Abstract： A fire detection system based on embedded technology is studied. The wireless technology and embedded technology are used to design the fire detection system. The system can collect the fire factor in real time， and uses the modes of wireless communication and route transmission to transmit the data to the processor， so as to generate a fire decision， and perform the early warning. The wireless communication method is adopted in Internet and mobile phone monitoring center to acquire the early warning information and environmental parameters timely. According to the monitored smoke， atmospheric pressure， temperature， relative humidity and other information， the environmental condition of the forest is analyzed comprehensively to forecast the fire effectively， and avoid the economic losses caused by forest fire. The experimental results show that the system has reached the expected target.

Keywords： embedded technology； wireless sensor network； fire detection； real?time monitoring

在特定環(huán)境以及人民活動范圍逐漸提升的過程中我國的森林火災事件頻頻出現。森林火災具有危害性大以及難以預測的特性。由于森林火災的危害性和普遍性以及森林資源的珍貴性使得森林防火的重要性越來越大，所以應當通過對高效精確技術手段的應用來有效地預警和監(jiān)測森林火災[1?2]。

通過對無線技術和嵌入式技術的應用所設計的火災檢測系統(tǒng)，能夠實時地采集火災因子，采用無線通信和路由傳輸的方式將數據傳輸到處理器中，進而生成火災決策和預警。互聯(lián)網以及手機監(jiān)測中心可以采用無線通信方法及時地獲取預警信息和環(huán)境參數，根據所監(jiān)測的煙塵、大氣壓、溫度以及相對濕度等信息來綜合分析森林環(huán)境狀況，進而有效地預報火災，避免森林火災產生較大的經濟損失[3?4]。

1 火災檢測系統(tǒng)總體設計

森林具有數目分布隨機、面積廣以及距離短的特點，因此本文以ZigBee技術為基礎設計了一種無線傳感器網絡來監(jiān)控森林火災。作為一種自組織、低復雜度、近距離、低功耗以及低成本的無線組網通信技術，ZigBee技術具有有線系統(tǒng)所不具有的優(yōu)勢，能夠以較為靈活的方式進行安裝和布置，同時具有較高的可靠性、較低的能耗以及低廉的安裝費用等優(yōu)勢，因此在實時監(jiān)測森林火災的過程中能夠發(fā)揮非常重要的作用[5?6]。

系統(tǒng)的整體結構框圖如圖1所示。外部通信網絡、數據采集網絡、終端設計以及主控制器是本文所設計火災檢測系統(tǒng)的主要組成部分。其中終端節(jié)點、路由器以及協(xié)調器是無線數據采集網絡的三種功能節(jié)點，通過自組織這三種功能節(jié)點能夠組成無線通信網絡，各種傳感器組成了終端設備，在風力、煙霧濃度以及溫度等森林環(huán)境參數監(jiān)測的過程中能夠發(fā)揮非常重要的作用。

主控制器，也就是嵌入式網關，該部分為系統(tǒng)的主要控制部分，需要將系統(tǒng)外部網絡與內部網絡連接起來；另外利用ZigBee無線網絡能夠實時地監(jiān)測智能終端設備[7]。內部網路，也就是無線數據采集網絡，多個 CC2530 模塊組成了這種網絡。模塊中包含終端節(jié)點、路由器以及解調器三種類型的節(jié)點，通過ZigBee無線網絡能夠將終端節(jié)點上所采集的數據傳輸到協(xié)調器，然后利用UART接口協(xié)調器能夠將數據傳輸到嵌入式網關中。傳感器主要包含風力傳感器、氣體傳感器以及溫濕度傳感器等，主要在內部網絡的終端節(jié)點上進行安裝，主要對目標區(qū)域的環(huán)境參數進行采集。

外部網絡， Internet，用戶通過外部網絡能夠遠程訪問整個系統(tǒng)[8]。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 嵌入式模塊硬件設計

作為一種中央處理器架構，ARM架構和PC 常用的X86比較類似，這種架構具有穩(wěn)定性高、效率高、成本低以及功耗低的特點，因此在嵌入式設備的應用非常廣泛[9]。本文在設計的過程中對S3C2440A 處理器進行了應用。

（1） 供電電路。本文設計的嵌入式系統(tǒng)中使用 5 V，3.3 V及1.25 V 三種電壓供電。5 V和3.3 V電壓為存儲器和外部設備供電，1.25 V電壓為S3C2440A 處理器的內核供電。3.3 V電壓由5 V電壓經過AS1117AR?3.3芯片轉換，1.25 V電壓由3.3 V電壓經過MAX8860EUA 芯片轉換得來[10]。供電電路如圖2所示。

（2） USB 接口電路。本文使用4線制的USB連接方式，USB 的接口電路如圖3所示，D+，D-端用于傳輸數據。

（3） 以太網電路。本文研究的嵌入式檢測系統(tǒng)中使用DM9000 網卡芯片作為以太網連接，使用H1102 網絡變壓器作為電氣隔離以及保護芯片之用[11]。

2.2 無線通信模塊硬件設計

本文設計火災檢測系統(tǒng)的無線通信模塊使用TI 公司的 CC2530 芯片作為射頻芯片。

（1） 主控器最小系統(tǒng)。最小系統(tǒng)電路是實現主控器基本功能的基礎電路，如圖4所示[12]。

2.3 傳感采集模塊硬件設計

（1） 溫濕度傳感器。本系統(tǒng)采用SHT10數字式溫濕度傳感器芯片對檢測區(qū)域內的環(huán)境溫濕度進行實時監(jiān)測，該芯片抗干擾能力突出、功耗低、體積較小。SHT10數字式溫濕度傳感器芯片與CC2530主控模塊連接見圖6。

（2） 煙霧濃度傳感器 MQ?2。本系統(tǒng)采用MQ?2 煙霧濃度傳感器對檢測區(qū)域內的環(huán)境煙霧濃度進行實時監(jiān)測，該芯片抗干擾能力突出、對烷類氣體檢測效果最優(yōu)。其工作電壓為DC 5 V，檢測范圍在100～1 000 ppm。MQ?2 煙霧濃度傳感器與CC2530主控模塊連接如圖7所示，傳感器需要經過LM358 放大處理后與CC2530進行連接[13]。

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 采集節(jié)點的程序設計

在接通電源以后采集節(jié)點首先初始化整個系統(tǒng)。完成初始化以后就開始對節(jié)點自身附近的可用信道進行掃描，如果有可用信道就通過發(fā)送入網請求來進入到網絡中。根據前面的描述，森林檢測環(huán)境非常復雜，只能采用電池供電的方法對實際森林環(huán)境進行檢測，因此節(jié)點的能量會受到一定的限制。

為了減少節(jié)點采集過程中所耗費的能量，在完成初始化后節(jié)點就進入到休眠狀態(tài)，利用定時采集數據的方法能夠喚醒采集節(jié)點。當達到定時時間以后就會喚醒節(jié)點，根據所設置的定時周期就可以周期性地采集森林環(huán)境數據，然后直接或者間接地將采集到的數據傳輸到網關節(jié)點中，就能夠不間斷地監(jiān)測森林環(huán)境，還能夠保證實時和高效地傳輸網關節(jié)點和采集節(jié)點之間的數據。另外還能夠有效地避免節(jié)點消耗過多的能量，對于整個系統(tǒng)生命周期的延長有非常重要的作用。采集節(jié)點的程序流程如圖8所示[14]。

3.2 路由節(jié)點的程序設計

在對路由節(jié)點程序進行設計的過程中，應當保證路由轉發(fā)數據功能的實現。在申請進入網絡以后路由節(jié)點需要根據所設置的周期對森林環(huán)境數據進行不間斷的采集，另外還要對其他路由節(jié)點和采集節(jié)點發(fā)送過來的數據進行采集，最后將這些數據傳輸到網關節(jié)點中。路由節(jié)點的流程如圖9所示[15]。

3.3 網關節(jié)點的主程序設計

在整個森林火災檢測系統(tǒng)中網關節(jié)點是核心部分，能夠連接監(jiān)測中心和傳感器節(jié)點。既要對路由節(jié)點和傳感器節(jié)點發(fā)送過來的環(huán)境數據進行接收，還要通過對通信模塊的控制將數據傳輸到遠端監(jiān)測中心；另外一方面各個傳感器節(jié)點通過網關節(jié)點能夠獲取監(jiān)測中心的指令。在接通電源后網關節(jié)點首先初始化核心微處理器模塊，同時對無線通信模塊進行初始化。初始化完成后通過對空閑信道的掃描來建立全新的網絡，并對所建立的網絡進行啟動。

接下來節(jié)點的地址信息通過網關節(jié)點傳輸到周圍的傳感器中，如果傳感器處在有效的通信范圍內，而且接收到了信息，才對網關所分配的地址成功獲取以后就能夠將確認信息發(fā)送到網絡中，使得成功地組建系統(tǒng)網絡。這樣傳感器所發(fā)送的入網請求就能夠得到定時的響應和監(jiān)測，對于傳感器節(jié)點所采集到的環(huán)境數據也能夠順利的接收。網關節(jié)點的主程序流程如圖10所示[15]。

3.4 監(jiān)控組態(tài)軟件設計

基本上所有的工業(yè)軟硬件通信接口都能夠實現與組態(tài)王的兼容，因此可以將其稱之為具有開放性特點的監(jiān)控系統(tǒng)集成平臺。具有適應性強以及展性強的特點。利用組態(tài)王能夠進行網絡的發(fā)布，另外通過瀏覽器監(jiān)控端能夠在任意的位置對監(jiān)控畫面和監(jiān)控的數據進行查看。圖11為組態(tài)王操作智能板卡的方法。設計人員利用組態(tài)王對所用板卡的驅動程序進行固定調用以后就能夠對板卡的邏輯關系進行使用，另外利用組態(tài)王能夠自動的完成其他底層的操作。

嵌入式火災檢測系統(tǒng)的組態(tài)界面如圖12所示。

4 結 論

本文研究一種基于嵌入式的火災檢測系統(tǒng)，通過對無線技術和嵌入式技術的應用所設計的火災檢測系統(tǒng)。對檢測系統(tǒng)的嵌入式模塊硬件、無線通信模塊硬件、傳感采集模塊硬件進行了設計。對系統(tǒng)采集節(jié)點程序、路由節(jié)點程序、網關節(jié)點程序及組態(tài)軟件進行了設計。結果表明，該設計達到了預期目標。

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