校園智能火災預警系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

華 健, 黃 飛, 任 浩, 周啟航

(1.合肥工業(yè)大學 信息化建設(shè)與發(fā)展中心,安徽 合肥 230009; 2.合肥工業(yè)大學 儀器科學與光電工程學院,安徽 合肥 230009; 3.合肥工業(yè)大學 電子科學與應用物理學院,安徽 合肥 230601)

0 引 言

校園作為師生們每天生活和學習的重要場所,人身和財產(chǎn)安全至關(guān)重要。近年由于人為和環(huán)境等因素的影響,可能導致校園火災發(fā)生，對生命安全和財產(chǎn)構(gòu)成威脅。

目前常用的火災監(jiān)測主要類型有獨立的單點火災報警、有線聯(lián)網(wǎng)火災報警和無線網(wǎng)絡(luò)火災報警等[1]。其中:獨立單點火災報警器不能聯(lián)網(wǎng),遠程無法實時發(fā)現(xiàn)火情;有線聯(lián)網(wǎng)火災報警器需要綜合布線,有些建筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)布線困難;無線聯(lián)網(wǎng)火災報警器目前采用GPRS、WIFI無線,使用ZigBee協(xié)議進行無線火災報警。但由于IPv4地址數(shù)量的限制,為每個節(jié)點提供公有地址的火災報警已不能滿足要求。隨著IPv6下一代互聯(lián)網(wǎng)已逐漸在各大高校和科研機構(gòu)等場所部署,為在校園內(nèi)采用基于CC2530的火災報警系統(tǒng)設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。本文設(shè)計了一種基于CC2530校園智能火災預警系統(tǒng),采用了contiki嵌入式系統(tǒng),使用6LoWPAN協(xié)議[2]實現(xiàn)給每個節(jié)點配置唯一IPv6地址,同時,它滿足了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)低功耗的要求,并克服了上述的一些缺點。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

本文采用模塊化設(shè)計方法，提出校園智能火災預警系統(tǒng)架構(gòu),如圖1所示。前端數(shù)據(jù)采集電路由溫濕度傳感器和煙霧傳感器組成。由單片機組成數(shù)據(jù)處理和無線傳輸電路。由蜂鳴器和發(fā)光二極管組成聲光報警電路。環(huán)境信息由溫度和濕度傳感器和煙霧濃度傳感器收集,并通過微控制器的內(nèi)部AD轉(zhuǎn)換進行數(shù)模轉(zhuǎn)換。通過無線向網(wǎng)關(guān)節(jié)點實時輸出各節(jié)點上傳感器的數(shù)據(jù),與監(jiān)控平臺預先設(shè)定的各項報警閾值參數(shù)進行比較,如果超出了預警值,那么聲光報警器啟動,提醒有火險情況發(fā)生,同時監(jiān)控平臺后臺報警燈同步閃爍和蜂鳴告警。

圖1 火災預警系統(tǒng)總體架構(gòu)

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 傳感器節(jié)點硬件設(shè)計

傳感器節(jié)點由前端數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、無線傳輸模塊、聲光報警模塊和電源模塊組成,如圖2所示。

圖2 傳感器節(jié)點硬件構(gòu)成圖

2.1.1 數(shù)據(jù)采集模塊

前端數(shù)據(jù)采集模塊由溫度和濕度傳感器和煙霧傳感器組成。

DHT11傳感器由一個高性能8位單片機將一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件相連接。它具有響應速度快、抗干擾能力強、性價比高的優(yōu)點[3]，它由5 V供電。經(jīng)過校準的數(shù)字信號輸出的溫度和濕度值可通過DHT11數(shù)字溫度和濕度傳感器直接輸入CC2530。DHT11傳感器信號輸出引腳可以直接連接到CC2530的I/O引腳。

MQ-2傳感器適用于檢測各種氣體,如煙霧和液化氣[4]。它具有高靈敏度、快速響應恢復的特點,并且可以通過簡單的電路驅(qū)動[5]。MQ-2傳感器模塊具有雙信號輸出,可輸出TTL電平和模擬量。當傳感器檢測到環(huán)境中煙霧濃度發(fā)生變化時,傳感器的電導率隨著空氣中煙霧氣體濃度增加而增加。模擬輸出為0～5 V,電壓越高,煙霧濃度越高。傳感器由5 V供電,模擬輸出引腳直接連接到CC2530的AD引腳。TTL電平輸出引腳連接到聲光報警模塊的信號輸入引腳。首次使用MQ-2傳感器時,需要將傳感器預熱一段時間。

2.1.2 數(shù)據(jù)處理和無線傳輸模塊

該MCU采用德州儀器(TI)的CC2530F256微控制器,結(jié)合了RF收發(fā)器的卓越性能,具有行業(yè)標準增強型8051 CPU,系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存,8 KB RAM 和許多其他強大功能[6]。將數(shù)據(jù)處理和無線傳輸功能集成到CC2530最小系統(tǒng),既簡化了電路,又有利于降低整個硬件電路的功耗。單片機采用3.3 V供電,CC2530收到煙霧傳感器輸出的模擬量后,再經(jīng)內(nèi)部AD轉(zhuǎn)換后,輸出數(shù)字量煙霧濃度,并與溫度和濕度傳感器輸出的數(shù)據(jù)、節(jié)點的IPv6地址一起封裝后通過6LoWPAN協(xié)議傳輸至網(wǎng)關(guān)節(jié)點,然后通過網(wǎng)關(guān)節(jié)點傳至服務器的上位機。

2.1.3 聲光報警模塊

聲光報警模塊采用的是5 V供電,它由無源壓電式蜂鳴器、LED燈、限流電阻和其他簡單電路組成。聲光報警模塊的輸入信號的有效電平為低電平信號或接地,將其連接到煙霧傳感器的TTL輸出引腳。當節(jié)點檢測到煙霧濃度變化時,TTL引腳輸出低電平,聲光報警模塊的紅色LED點亮,同時蜂鳴器工作。

2.2 電源模塊

整個節(jié)點的硬件系統(tǒng)由9 V方形電池供電,溫濕度傳感器、煙霧傳感器和聲光報警模塊的工作電壓是5 V。CC2530微控制器的工作電壓是3.3 V,因此需要對9 V電壓進行DC-DC轉(zhuǎn)換,通過使用5 V和3.3 V降壓模塊將9 V電壓降至5 V和3.3 V,為每個模塊供電。

2.3 邊界路由節(jié)點

邊界路由節(jié)點由CC2530和CP2102芯片和外圍電路組成,通過USB端口實現(xiàn)網(wǎng)關(guān)節(jié)點與服務器上的上位機的通信和供電。每個節(jié)點通過6LoWPAN協(xié)議網(wǎng)絡(luò)將處理后的數(shù)據(jù)上傳到網(wǎng)關(guān)節(jié)點,然后網(wǎng)關(guān)節(jié)點再通過虛擬串口傳輸?shù)缴衔粰C。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 節(jié)點軟件設(shè)計

該節(jié)點使用contiki系統(tǒng),這是一個小型的開源和便移植操作系統(tǒng),旨在與一系列內(nèi)存受限的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)配合使用[7]。包括8位微處理器的嵌入系統(tǒng)等。通過IAR集成開發(fā)環(huán)境,將contiki系統(tǒng)從Linux系統(tǒng)開發(fā)平臺移到Windows上進行程序的編寫。

系統(tǒng)的節(jié)點軟件流程圖如圖3所示。系統(tǒng)上電啟動初始化后,首先對溫度和濕度傳感器和煙霧傳感器進行預熱,待傳感器穩(wěn)定后進行信號采集。煙霧傳感器輸出的模擬量經(jīng)單片機AD轉(zhuǎn)換后,同溫度和濕度傳感器輸出的數(shù)字量經(jīng)網(wǎng)關(guān)節(jié)點傳輸至上位機,在上位機上實時顯示各傳感器節(jié)點采集到數(shù)據(jù)和IPv6地址,并與預設(shè)的各項閾值進行比較。最后判斷各室內(nèi)節(jié)點環(huán)境是否正常,一旦超出閾值就報警。

圖3 系統(tǒng)節(jié)點軟件流程圖

3.2 上位機管理軟件設(shè)計

系統(tǒng)的上位機采用圖形化編輯語言G編寫程序的LabVIEW[8]。系統(tǒng)監(jiān)控平臺如圖4所示。將各個功能模塊化劃分,由時間、顯示、閾值設(shè)置、開關(guān)控制、報警、數(shù)據(jù)保存等主要模塊組成。時間模塊顯示系統(tǒng)的當前日期和時間、程序開始時間和運行時間;顯示模塊可以觀察每個節(jié)點上溫度、濕度和煙霧濃度的實時數(shù)據(jù),并通過動態(tài)曲線同步顯示;閾值設(shè)置模塊可以對溫度、濕度、煙霧濃度的報警上限或者下限根據(jù)部署的環(huán)境進行設(shè)定;開關(guān)控制模塊可以控制各個節(jié)點啟動和關(guān)閉;報警指示模塊可以直觀地觀察各個節(jié)點傳感器采集的數(shù)據(jù)是否正常,若超出了閾值,報警指示燈將紅燈間隔3 s閃爍,并發(fā)出蜂鳴聲音;數(shù)據(jù)保存模塊可以將每個節(jié)點采集到的數(shù)據(jù)以txt格式保存到主機程序所在文件目錄下,同時收集數(shù)據(jù)并同步保存到MySQL數(shù)據(jù)庫?？梢酝ㄟ^服務器的IPv6地址遠程訪問每個傳感器節(jié)點上傳的信息。

圖4 系統(tǒng)上位機運行界面

4 系統(tǒng)測試

在測試中,邊界路由節(jié)點連接到服務器以實現(xiàn)6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)與標準IPv6網(wǎng)絡(luò)之間的通信。邊界路由節(jié)點通過虛擬串口與服務器連接,通過SLIP協(xié)議與服務器交互,服務器上通過軟件模擬一個虛擬網(wǎng)絡(luò)端口,實現(xiàn)與6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)之間通信。在服務器上ping邊界網(wǎng)關(guān)路由節(jié)點IPv6地址和子節(jié)點IPv6地址,如圖5所示。

系統(tǒng)中采用phpMyAdmin實現(xiàn)對MySQL的管理。phpMyAdmin 是一個基于PHP的數(shù)據(jù)庫管理工具,允許管理者使用Web界面輕松管理MySQL數(shù)據(jù)庫，如圖6所示。使用服務器的IPv6地址可在校園局域網(wǎng)內(nèi)任何地點登錄phpMyAdmin,通過phpMyAdmin可以看到現(xiàn)有MySQL數(shù)據(jù)庫中創(chuàng)建了WSN數(shù)據(jù)庫,其中有20張數(shù)據(jù)表分別保存20個節(jié)點數(shù)據(jù),在這里使用2個節(jié)點進行測試,可以看到第2個節(jié)點數(shù)據(jù)表中已有數(shù)據(jù)的插入,使用Web的方式可以便捷的管理和查看數(shù)據(jù)庫中的信息。

圖5 Ping邊界路由和子節(jié)點圖

圖6 數(shù)據(jù)庫Web顯示界面

5 結(jié) 論

本文針對現(xiàn)有校園火災監(jiān)控系統(tǒng)的不足,提出一種基于CC2530的校園智能火災預警系統(tǒng),實現(xiàn)了節(jié)點之間6LoWPAN的自組網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)傳輸,并通過系統(tǒng)運行測試,設(shè)計的校園智能火災監(jiān)控平臺可以精準地對環(huán)境的溫度、濕度和煙霧濃度進行實時動態(tài)監(jiān)控和預警提示,為減少和避免火災事故的發(fā)生提供了有效的方法。后續(xù)可對節(jié)點的電路和功能進一步擴展,如增加繼電器模塊控制滅火裝置等。