一種無線可燃氣體聲光報警器的設計

張劍飛，張 彤，姚宇鵬

（1.齊齊哈爾大學計算機與控制工程學院，黑龍江齊齊哈爾161006；2.哈爾濱工業大學軟件學院，黑龍江哈爾濱150001）

一種無線可燃氣體聲光報警器的設計

張劍飛1，張 彤1，姚宇鵬2

（1.齊齊哈爾大學計算機與控制工程學院，黑龍江齊齊哈爾161006；2.哈爾濱工業大學軟件學院，黑龍江哈爾濱150001）

為降低可燃氣體報警系統的建設成本，縮短工程建設周期，又易于設備的安裝與維護，提出了一種無線可燃氣體報警器的設計方案.采用通信協議對收發無線信號進行管理，在此基礎上設計了系統總體方案，然后對方案進行分解，模塊化設計了探測器部分、控制部分和聲光報警部分，從而提高了系統的穩定性，方便了維護管理.通過多組重復性實驗數據分析，證明了方案的可行性，符合國家標準.

無線通信；NRF905；氣體檢測；聲光報警；上位機

近年來，隨著科學技術和石油化工產業的蓬勃發展，越來越多的可燃性氣體被應用于人們的生活、生產工作中，可燃性氣體種類繁多，易燃易爆，更有的帶毒性和腐蝕性，及時準確地檢測出這些危險性氣體，對于保障國家的財產和人民的生命安全具有重大意義［1］.由于相關政策和法規陸續出臺，刺激了可燃氣體檢測儀器行業的發展［2－3］.如何既保證各監測節點和主控室之間穩定的數據通信，又有效地降低系統維護的成本成為當今業內的一個難點.因此，將無線通信技術引入氣體檢測系統將成為該領域的重點研究方向之一.

1 總體方案設計

本文方案采用NRF905芯片作為通信模塊核心，由MSP430F149單片機作為控制核心和聲光報警電路組成.其系統框架如圖1所示.相比有線數據通信報警，無線通信具有成本低廉、建設工程周期短、適應性強、擴展性好，尤其是在設備維護方面更容易實現，如果通信線路出現故障，不必像有線通信那樣排查線路，只需維護數據傳輸模塊，就能快速找出故障原因，恢復線路到正常工作狀態.因此，我們專門設計了一款帶有無線通信功能的可燃氣體檢測系統.氣體濃度由探測器檢測，經信號放大，再經A／D轉換等處理后，將檢測到的模擬信號轉換為數字信號后，由NRF905無線射頻發射器發出.接收端由射頻接收器接收信號送給單片機.經過單片機分析處理，與設定好的濃度閾值比對分析，若大于閾值，則啟動報警電路，按級發出相應聲光報警.此外，使用RS232總線與上位機進行串口通信，及時把監測到的實時數據上傳給上位機顯示并記錄，便于工作人員分析、比對和監控.

2 硬件實現

2.1主控部分硬件實現

本文設計控制模塊的核心采用美國德州儀器公司研發的一款具有16位超低功耗的混合信號處理功能的單片機MSP430F149［4］.它具有16位總線，外設內存統一編址，可以擴展存儲器，中斷統一管理的特點，片內設有乘法器、2個16位定時器、1個12位模數轉換器、6路P口、兩路USART通信端口、1個比較器、1個看門狗和2個外部時鐘.該型號單片機具有功耗超低、信息處理功能強大、工作穩定、抗干擾能力強、支持C語言開發和性價比與集成度高的特點，因此，備受廣大科研技術人員青睞.設計主要應用MSP430F149單片機的2個串口USART1和USART0，其中USART1當做SPI接口使用，主要是用來與NRF905之間進行通信.USART0作為UART使用，通過MAX3232芯片提供RS－232總線和上位機進行通信.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單片機需3.3V電源，因此這里采用ASM1117－3.3降壓芯片提供單片機供電.

2.2氣體檢測模塊的硬件實現

可燃氣體檢測模塊采用Nemoto公司生產的NAP－55A催化燃燒型可燃氣體傳感器.該型傳感器采用的是惠斯通電橋原理設計電路.當可燃氣體在催化劑作用下，在傳感器檢測元件表面上進行無焰燃燒，溫度上升導致元件電阻阻值上升，致使電橋不平衡，輸出一個與可燃氣體濃度成正比的信號，從而將可燃氣體濃度信號轉換為電壓信號，如圖3所示.該型傳感器受環境溫度、濕度影響較小，線性度較高，穩定性強.并且只用于測量可燃氣體，不可用于非可燃氣體.通常情況下，電橋產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A／D轉換后，將模擬信號變成數字信號等一系列信號處理后，由無線射頻發射器將信號發給報警器，實現遠程報警.

2.3無線通信模塊的硬件實現

為滿足探測器和主控單元之間的通信要求，保證數據傳輸的高效性和穩定性，設計采用Nordic VLSI公司生產的以NRF905射頻發射芯片為核心的無線通信模塊.NRF905芯片工作電壓1.9～3.6V，待機模式下電流僅為2.5μA，工作433／868／915MHz的ISM頻段，頻道之間轉換時間小于650μs，數據傳輸速率由微控制器的接口速率自行設定.通過SPI總線控制多點通信的地址、頻率、功耗等.最大數據速率為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、接收解調器、晶體振蕩器和GFSK調制器組成［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、集成度高和信號傳輸穩定的優點，可實現自動處理字頭、曼徹斯特編解碼，使用方便，尤其適合工業控制，是目前市場上應用較為廣泛的無線通信模塊.

NRF905與MSP430單片機接口電路如圖4所示，它主要通過片內SPI接口進行數據傳遞，SPI口由MOSI主器件數據輸出信號、MISO主器件數據輸入信號、SCLK位移時鐘信號和CS從器件使能端信號組成［7－8］.通信由位移時鐘發起，在SCLK為1時由MISO發出，在SCLK為0由MOSI輸入，循環執行8次，由此完成數據傳遞.

在NRF905芯片處于收發模式時，應用芯片內的堆棧區，將微控制器中數據高速送入到芯片內，盡可能的節能.與射頻相關的所有信號處理過程都在芯片內進行，這樣不僅節能，還節省了信號在空中滯留的時間，起抗干擾作用.在收發模式下，NRF905芯片會自動處理所有校驗碼和字頭.發送數據時，TRX＿CE腳置高，TX＿EN腳置低，信號處理單元通過SPI口，把時序和地址發送給NRF905，并自動添加校驗碼和字頭；接收數據時，TRX＿CE腳置高，TX＿EN腳置低，收到匹配地址后，AM腳置高.自動移除校驗碼、地址和字頭.在完成發送數據后，DR腳自動通知MSP430F149單片機發送完畢.由此可見，TRX＿CE，TX＿EN和PWR＿UP這3個引腳決定芯片的模式.不同功能模式轉換如表1所示.

本文系統由多個探測器發送節點與報警器接收節點進行通信，如果同時有多個發送節點要發送數據勢必會導致信道沖突，數據包丟失，漏報等事故.因此，系統采用競爭類MAC通信協議中的CSMA／CA協議，進行通信前信道預約.具體步驟如下：（1）在發送數據前，監聽信道，若空閑，則向接收節點發送請求幀RTS；（2）接收節點收到RTS后，向發送節點回復一個允許發送幀CTS，在幀上都帶有數據長度；（3）發送節點收到CTS后，即確認建立通信連接，發送數據，若沒收到CTS，則延遲一段時間重新發送RTS；（4）接收節點收到數據后，發送數據確認幀ACK，通信完畢.

2.4報警模塊的硬件實現

當探測器檢測到周圍環境中可燃氣體濃度超過預設定閾值時，系統將通過聲光報警裝置發出警報，具體表現為語音報警和紅、黃、綠三級LED燈閃爍，提醒安全人員及時采取必要措施排查險情，以防火災、爆炸等重大安全事故的發生.

本系統設置三級報警機制，不同的情況下分別點亮不同顏色的LED燈，并發出不同報警.具體如下：

（1）綠色燈點亮時，表示探測器沒有從環境中檢測到可燃氣體，此時黃燈、紅燈熄滅，揚聲器不發出語音報警.

（2）黃色燈閃爍時，表示探測器從周圍環境中檢測到可燃氣體，但氣體濃度未超過系統設定閾值，此時綠燈、紅燈熄滅，揚聲器發出二級語音報警.

（3）紅色燈閃爍時，表示探測器檢測到周圍空氣中可燃氣體濃度超過設定閾值，此時綠燈、黃燈熄滅，揚聲器發出一級語音報警，聲光報警部分電路如圖5所示.

語音模塊采用WT588D語音芯片為核心設計.WT588D是一個功能強大的可編輯語音芯片，可以由配套的上位機軟件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芯片廣泛應用于工作、生活中各種場所.由于設計多應用于工廠、礦井等生產現場，噪聲比較大，報警器采用超大聲音報警模式，因此，在設計加入功放電路以達到超大聲音目的.聲光報警器采用防暴不銹鋼外殼，燈帽采用高強度材料，多種顏色可選，超強抗沖擊，工作穩定，使用壽命長.頂部配有多組超高亮LED發光二極管，亮度大，多角度清晰可見.超大聲音可滿足高端防爆客戶應用在油井的開采現場、鉆井現場、動火現場等環境.可采用落地式、吸頂式和壁掛式多種方式安裝.

3 系統的軟件設計

在系統上電后，為了使其進入最佳工作狀態，首先要對系統進行初始化，調整設置微控制器內相關的寄存器、定義所需的全局變量，根據要求設定系統的報警閾值.系統的軟件主要由主程序及無線發射、無線接收、定時中斷、溫度補償、WT588D語音聲光報警子程序組成.本文重點實現無線通信，所以主要闡述無線發射子程序、無線接收子程序的設計.

3.1無線發射子程序

當有數據要發射給接收節點時，接收節點地址和發射有效數據從SPI口傳給NRF905射頻發射器，TRX－CE和TX－EN被單片機設置為高電平，從而啟動傳輸.芯片內部加前導碼和校驗碼，當TRX－CE被設置為低時，數據傳輸結束.發射部分代碼如下：

void TxPacket（void）

｛ uchar i＝0；

CSN＝0； ／／SPI使能，準備寫入地址信息

SpiWrite（WTP）； ／／寫數據至數據發送寄存器

for（i＝0；i＜32；i＋＋）

｛

SpiWrite（TxBufffer［0］）；／／寫入1字節直接發送數據

｝

……

TRX＿CE＝1；／／進入發送模式，啟動射頻發送

Delay（10）；／／（＞＝650μs）

TRX＿CE＝0；發射結束.

3.2無線接收子程序

設置引腳TRX－CE為高、TX－EN為低，650μs后，NRF905接收端開始掃描空中信息.當接收端發現頻率相同的載波時，CD端被置高；收到有效地址后，AM被置高，確認CRC校驗碼，芯片去除前導碼、地址后，DR腳被置高.TRX－CE腳置低，SPI口讀出有效數據.部分代碼如下：

voidRxPacket（void）

｛ uchar i＝0；

TX＿EN＝0； ／／進入接收模式

for（i＝0；i＜32；i＋＋）

｛

TxRxBuffer［i］＝SpiRead（）； ／／讀取數據并保存

｝……

……

CSN＝1；

TRX＿CE＝1； ／／（＞＝650μs）

Delay（1）；

｝

4 實驗結果與分析

此項實驗在合作公司進行調試實驗，主要檢測的是可燃氣體報警器的精度、線性度等性能指標.其中檢測精度作為探測器性能好壞的重要指標，為了得出更為精確的測試結果，本次實驗分別采用2組體積分數為26%LEL和51%LEL的標準丙烷作為測試氣體，每組8個檢測單元進行標定.實驗結果如圖6所示.根據國家標準規定，上電送氣后，顯示濃度上下浮動范圍不超過2%，否則視為不合格.

按照規范的氣體標定流程，上電后要持續送氣70s，待示數穩定后，記錄實驗數據.本設計分別用體積分數為26%和51%來設定線性關系，經過比對分析，可以發現體積分數26%和51%時測試數據對比標準氣濃度上下浮動均在2%以內，符合標定規定，由此可以得出系統具有良好的線性度，精度也控制在2%以內.綜上所述，該方案是可行性.

5 結束語

本文為可燃氣體勘測設計了一種無線聲光報警系統，根據對現場安裝維護的經驗，提出了一種基于無線通信方式代替有線的氣體預警機制.這不僅大大縮短了工程建設時間，還提高了系統的穩定性、可擴展性，最重要的是方便后續使用中的設備維護，為提高企業生產效率提供了堅實的安全保障.

［1］ 聶巍，李曉青.智能火災報警系統設計［J］.信息通信，2012（2）：89－90.

［2］ 王凱，王亞剛，邵惠鶴.無線可燃氣體檢測系統設計與實現［J］.控制工程，2011，18（4）：535－538.

［3］ 焦琪，樊澤明.便攜式氣體報警器的研究與實現［J］.計算機測量與控制，2011，19（5）：1139－1141.

［4］ 李智奇，白小平.MSP430系列超低功耗單片機原理與系統設計［M］.西安：西安電子科技大學出版社，2008：15－25.

［5］ 楊光松.基于NRF905的無線溫度數據采集系統［J］.微計算機信息，2008，24（8）：104－106.

［6］ 馬巧麗，林端全.基于STC12C5A60S2單片機的可燃氣體報警儀的設計［J］.機電技術，2012，（5）：111－113.

［7］ 徐延海，黃鴻雁，關學忠.基于NRF905無線窗簾控制器設計［J］.自動化技術與應用.2013，32（4）：87－90.

［8］ ZANG HAIHE，WANG YANPING.Design of combustible gas detector based on STC12C5410AD［J］.IEEE Conference Publications，2011：293－296.

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 ［學科代碼］ 520·5050 ［

］ A

（責任編輯：石紹慶）

1000－1832（2015）01－0083－06

10.16163／j.cnki.22－1123／n.2015.01.016

2014－04－30

黑龍江省自然科學基金資助項目（F201333）.

張劍飛（1974—），男，博士研究生，副教授，主要從事智能算法研究.