基于CC2530無(wú)線火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

魏志強(qiáng) 馬 敏 閆佳暉 蔡文杰

(1.北京航天計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所，北京 100076；2.中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院，北京 100076)

1 引 言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代通信技術(shù)的日益成熟和廣泛應(yīng)用，消防報(bào)警系統(tǒng)的無(wú)線設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)與運(yùn)行具有了相當(dāng)?shù)姆€(wěn)定性。而我國(guó)中小型場(chǎng)所乃至家庭還沒(méi)有成型的，較為完善的防火預(yù)警系統(tǒng)，這些場(chǎng)所點(diǎn)多面廣，本文提到的無(wú)線火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)正契合這一特征。

本設(shè)計(jì)是將簡(jiǎn)單、低功耗的ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)加入到火災(zāi)報(bào)警這個(gè)已經(jīng)相對(duì)成熟的領(lǐng)域，使之更加趨于智能化、廣泛化和大眾化。主要目的是希望改進(jìn)后的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)可以進(jìn)入普通的家庭，以減少意外所帶來(lái)的損失。

整個(gè)系統(tǒng)圍繞傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)等硬件電路和軟件部分進(jìn)行設(shè)計(jì)。主要流程為：由終端傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境并將采集數(shù)據(jù)周期性地發(fā)送給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，再通過(guò)USB串口在上位機(jī)上顯示采集的信息。

2 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要包括傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、USB串口、系統(tǒng)上位機(jī)和供電電源。ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)采用“廣播”的方式，由協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)(溫度、氣體、火焰)組成。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的功能包括建立組網(wǎng)、接收終端傳感器采集的信號(hào)以及轉(zhuǎn)發(fā)上位機(jī)的指令；溫度傳感器節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)對(duì)當(dāng)前環(huán)境的溫度信息進(jìn)行采集；煙霧傳感器終端節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)采集當(dāng)前環(huán)境的氣體信息(出現(xiàn)火災(zāi)主要是采集煙霧濃度)；火焰?zhèn)鞲衅鞴?jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)當(dāng)前環(huán)境是否存在火星火源以及采集其位置信息。系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體框圖

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)無(wú)線收發(fā)模塊的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的核心芯片是CC2530，該芯片集成了IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的2.4GHz頻段RF收發(fā)器，可配置的RF調(diào)制解調(diào)器，提供了一套廣泛的外設(shè)集，包括8通道的12位A/D轉(zhuǎn)換器和21個(gè)通用I/O管腳、2個(gè)USART接口、128位的AES加密解密內(nèi)核、MAC專用定時(shí)器、兩個(gè)8位定時(shí)器等功能，該芯片只需設(shè)計(jì)極少的外接電路即可構(gòu)建一個(gè)簡(jiǎn)單的ZigBee節(jié)點(diǎn)。CC2530芯片可支持2.0V～3.6V的寬電源電壓范圍，具備三種供電模式：4μs的喚醒模式(耗電電流0.2mA)、睡眠模式(耗電電流1μA)和中斷模式(耗電電流0.4μA)，當(dāng)CC2530處于非工作模式時(shí)，任何中斷可將CC2530恢復(fù)到主動(dòng)工作模式，某些中斷還可將CC2530從睡眠模式喚醒，實(shí)現(xiàn)超短時(shí)間的快速轉(zhuǎn)換，確保了低功耗的使用，設(shè)備的工作溫度范圍為-40℃～125℃，特別適合需要待電時(shí)間長(zhǎng)、低功耗且環(huán)境變化的大場(chǎng)所使用。CC2530自身帶有射頻收發(fā)和調(diào)制解調(diào)等功能便于數(shù)據(jù)傳送，而且只需要添加簡(jiǎn)單電路就可以實(shí)現(xiàn)，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)主體控制部分原理圖

天線是無(wú)線收發(fā)的重要一環(huán)，既可以發(fā)送數(shù)據(jù)也可以接收信息，其可逆性極大地增強(qiáng)了協(xié)調(diào)器在設(shè)計(jì)中的作用。本電路采用無(wú)源晶振電路給主體控制芯片CC2530的正常工作提供持續(xù)穩(wěn)定的時(shí)鐘信號(hào)。從芯片CC2530的管腳RF_P和PF_N出來(lái)的指令通過(guò)一個(gè)同軸天線(電感、電容相連構(gòu)成)輸出發(fā)送。

3.2 系統(tǒng)功能模塊的設(shè)計(jì)

3.2.1

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)主要包括CC2530數(shù)據(jù)處理模塊、天線、電源模塊、串口模塊、LED部分等。CC2530部分是各個(gè)節(jié)點(diǎn)的主控中心，是整個(gè)電路的中軸。傳感器與協(xié)調(diào)器的天線用來(lái)收發(fā)信號(hào)信息。串口模塊主要是讓上位機(jī)和終端傳感器和協(xié)調(diào)器建立連接。LED燈的亮滅是表示網(wǎng)絡(luò)的連接情況，LED1亮說(shuō)明允許其他節(jié)點(diǎn)加入該網(wǎng)絡(luò)，LED2亮說(shuō)明協(xié)調(diào)器組建ZigBee網(wǎng)絡(luò)成功。如圖3所示。

圖3 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)功能框圖

3.2.2

傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

傳感器節(jié)點(diǎn)的整體結(jié)構(gòu)與協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)類(lèi)似，由CC2530數(shù)據(jù)處理模塊、天線、傳感器數(shù)據(jù)采集模塊、電源部分和LED部分組成。其中，數(shù)據(jù)采集模塊主要是負(fù)責(zé)采集環(huán)境中的溫度、煙霧、火源數(shù)據(jù)，然后需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。LED部分是表示節(jié)點(diǎn)是否加入或退出網(wǎng)絡(luò)，D2亮則說(shuō)明傳感器節(jié)點(diǎn)加入ZigBee網(wǎng)絡(luò)，D1亮則說(shuō)明傳感器節(jié)點(diǎn)開(kāi)始周期性地發(fā)送數(shù)據(jù)。天線用于無(wú)線發(fā)送數(shù)據(jù)信息。

數(shù)據(jù)采集模塊使用的傳感器是DS18B20數(shù)字溫度傳感器和MQ-2氣體傳感器。DS18B20數(shù)字溫度傳感器是單總線器件，具有線路簡(jiǎn)單，體積小的特點(diǎn)，使用起來(lái)方便。接入電路部分如圖4所示。MQ-2氣體傳感器可以用于家庭和工廠的氣體泄漏監(jiān)測(cè)裝置，適宜于液化氣、丁烷、丙烷、甲烷、酒精、煙霧等的檢測(cè)，接入電路部分如圖5所示。

圖4 溫度傳感器電路原理圖

圖5 煙霧傳感器電路原理圖

3.2.3

有源蜂鳴器電路的設(shè)計(jì)

有源蜂鳴器像其他的傳感器節(jié)點(diǎn)一樣，其作用就是等待上位機(jī)下發(fā)的命令，然后報(bào)警。它工作的理想信號(hào)是直流電。原理是蜂鳴器內(nèi)部有一些簡(jiǎn)單的振蕩電路，能將恒定的直流電轉(zhuǎn)化為一定頻率的脈沖信號(hào)，從而引起磁場(chǎng)交變，帶動(dòng)鉬片振動(dòng)發(fā)音，所以產(chǎn)生了蜂鳴聲。其原理圖如圖6所示。

圖6 有源蜂鳴器電路原理圖

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

如圖7所示，無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的建立選擇星型拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)，其較另外的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)更加具有優(yōu)勢(shì)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易管理和維護(hù)、成本低。本系統(tǒng)調(diào)試過(guò)程由一個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)溫度、煙霧和火焰三個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，協(xié)調(diào)器建立并維護(hù)整個(gè)組網(wǎng)，而終端傳感器節(jié)點(diǎn)采集環(huán)境中的信息是通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)議并發(fā)送到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，通過(guò)USB串口傳給上位機(jī)顯示，若是有災(zāi)情出現(xiàn)就下發(fā)命令給有源蜂鳴器報(bào)警來(lái)及時(shí)阻止災(zāi)情的進(jìn)一步加劇。

4.1 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)

關(guān)于協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)，它的作用主要是負(fù)責(zé)組建并維護(hù)網(wǎng)絡(luò)，其次是接收終端傳感器節(jié)點(diǎn)采集的環(huán)境信息數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)信息經(jīng)由串口傳給上位機(jī)顯示。整個(gè)協(xié)調(diào)器的軟件工作流程如圖7所示。

圖7 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的工作流程圖

4.2 傳感器節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)

組網(wǎng)成功后，終端傳感器節(jié)點(diǎn)加入ZigBee網(wǎng)絡(luò)，然后周期性地采集外部環(huán)境信息數(shù)據(jù)、處理各個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)并向協(xié)調(diào)器發(fā)送。鑒于大多數(shù)時(shí)間以及系統(tǒng)功耗考慮，各個(gè)傳感器設(shè)置為周期性工作，其余時(shí)間進(jìn)入休眠模式。這里選擇了ZigBee協(xié)議棧里的一個(gè)可以實(shí)現(xiàn)毫秒(ms)級(jí)的定時(shí)函數(shù)OSAL_START_TIMEREX()，定時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，從而達(dá)到周期性工作的目的。整個(gè)工作流程如圖8所示。

圖8 傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的工作流程圖

4.3 報(bào)警系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

如下圖9所示為整個(gè)報(bào)警系統(tǒng)的工作流程?？紤]具體的實(shí)際情況主要設(shè)計(jì)了未存在災(zāi)情、存在火災(zāi)隱患(如溫度升高、出現(xiàn)少量煙霧)和出現(xiàn)火災(zāi)三種處理模式，出現(xiàn)災(zāi)情的話立即啟動(dòng)蜂鳴器報(bào)警1分鐘，否則的話就將實(shí)時(shí)采集的溫度、煙霧濃度和火源數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)顯示。

圖9 報(bào)警器的工作流程

5 測(cè)試結(jié)果

整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程：給協(xié)調(diào)器和三個(gè)終端傳感器下載各自的程序，擺放好各自的位置，模擬一個(gè)小型火災(zāi)環(huán)境一一點(diǎn)燃紙張(紙張燃燒的溫度在200℃左右)。先做預(yù)熱準(zhǔn)備，如設(shè)置好串口的各個(gè)參數(shù)(波特率為115200、校驗(yàn)位NONE、數(shù)據(jù)位8、停止位1)，然后上電，可以看到協(xié)調(diào)器和傳感器的LED燈都亮了，即ZigBee組網(wǎng)成功。點(diǎn)擊調(diào)試助手的“打開(kāi)”按鈕，看到各個(gè)傳感器上傳的數(shù)據(jù)即為當(dāng)前室內(nèi)的常溫信息。觀察一段時(shí)間，確認(rèn)整個(gè)設(shè)計(jì)無(wú)漏洞，點(diǎn)燃紙張，看到上位機(jī)接收區(qū)域數(shù)據(jù)均明顯變化，且點(diǎn)燃紙張約1s便聽(tīng)見(jiàn)警報(bào)響起。如圖10所示，溫度明顯升高；煙霧數(shù)據(jù)如圖11所示；火焰數(shù)據(jù)如圖12所示。

圖10 溫度數(shù)據(jù)變化

圖11 煙霧數(shù)據(jù)變化

圖12 火焰數(shù)據(jù)變化

6 結(jié)束語(yǔ)

本火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)是基于ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)，采用了CC2530作為主控制芯片，通過(guò)對(duì)環(huán)境中溫度、氣體煙霧、火星火源的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)對(duì)火災(zāi)隱患報(bào)警，為預(yù)防火災(zāi)提供了一個(gè)新的實(shí)現(xiàn)途徑。采用ZigBee進(jìn)行設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)單且易實(shí)現(xiàn)；采集數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)的傳輸過(guò)程中，系統(tǒng)穩(wěn)定、數(shù)據(jù)無(wú)誤，擴(kuò)大終端傳感器的散布范圍，可廣泛的應(yīng)用于各種火災(zāi)監(jiān)測(cè)和預(yù)防。