基于ZigBee的實驗室防火遠程監控系統設計

閆亞玲，李 博，劉偉杰

(中北大學 儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，太原 030051)

0 引 言

實驗室防火是實驗室安全建設的重點，實驗室火災的發生無論在科研還是生命安全方面都會造成極大危害。隨著人們對安全性認識越來越高，實驗室安全防范工作也日益周密，但僅采用人為防范措施就會存在一些不可預測安全隱患，例如實驗室無人情況下發生火情的狀況，為此本文設計ZigBee的實驗室防火遠程監控系統[1]。ZigBee采用無線通信方式方便在實驗室不同方位布置設備并且可以組網檢測，如有火情不僅可以通過蜂鳴器鳴叫提示預警，而且在實驗室無人管理的情況下可以通過自動發送報警彩信到指定手機，管理人員可以遠程監測實驗室安全狀態，在多個方面確保實驗室安全[2]。

1 ZigBee無線網絡技術

ZigBee是一種新型的的短距離、低碼率無線組網通信技術，具有低功耗、低成本、低速率、自組網方便靈活、安全性高等特點[3]。ZigBee是一種介于無線標記技術與藍牙之間的技術方案，遵循IEEE802.15.4標準的低功耗局域網協議[4]，其組網效率非常高，最多可組成一個高達65 000個無線數傳模塊組成的無線數傳網絡平臺[5]。ZigBee網絡拓樸結構可以分為星狀拓樸和點對點對等拓樸，無論哪種結構必須只有一個協調器和其他設備終端節點通信，協調器負責建立網絡并對網絡進行監控。

2 系統整體設計方案

系統主要硬件包括采用ZigBee無線傳感網絡、基于ARM架構的TE6410開發板平臺、GPRS模塊、蜂鳴器、USB攝像頭等[6]。系統硬件組成如圖1所示。

圖1 系統硬件結構

各個硬件模塊功能如下：

(1)ZigBee無線傳感網絡利用多路煙霧器節點采集實驗室煙霧信息，由協調器接收到的信息通過串口發送到數據處理服務器上。

(2)數據處理服務器通過判斷采集信息是否超過用戶設定的上限，如果超過則讓蜂鳴器鳴叫和設置GPRS模塊發送彩信模式。

(3)USB攝像頭采集實驗室圖像。

(4)數據處理服務器處理采集到的視頻信息，并將采集到的圖片信息通過GPRS模塊發送彩信到指定手機，方便管理者監控實驗室狀態。

3 系統硬件設計

3.1 ZigBee無線網絡節點的設計

Zigbee無線網絡節點的硬件采用TI公司生產的SOC芯片CC2430[7]，內置增強型8051內核，接口豐富，具有8KB SDRAM、128KB閃存,其性能較為強大，具有DMA功能、12位ADC、2路全功能串口、自帶看門狗、支持硬件調試、21個IO等，ZigBee本身模塊帶有射頻功能，因此只需要模塊RF-P、RF_N管腳與天線之間加一級接口電路，即無線收發模快，就可用來放大接收和發送信息的功率，從而加大數據傳輸距離[8]。CC2430模快電路如圖2所示。

圖2 CC2430模塊電路設計

3.2 煙霧傳感器模快設計

系統煙霧傳感器使用MQ2,該傳感器是基于氣敏元件傳感器，靈敏度高、對各種煙霧能均衡響應，在火災預警中表現出色[9]。MQ2傳感器電路如圖3所示，主要包括一個集成電路芯片LM393，通過管腳2和3電壓的比較功能，用于輸出數字量電壓。電阻R4用來調節傳感器的敏感程度，兩個發光LED用作指示燈，綠色LED燈亮表示系統正常工作，紅色LED燈亮表示煙霧報警功能[10]。傳感器在5 V、CC2430在3.3 V電壓下工作。為了保證CC2430在3.3 V電壓下工作，采用TI公司生產的REG117-3.3芯片，實現5 V到3.3 V電壓的轉換。

圖3 MQ2傳感器電路

3.3 GPRS模塊設計

GPRS是通用分組無線服務技術的簡稱，它是GSM移動電話用戶可用的一種移動數據業務。本文采用的ATK-SIM900A模塊是 ALIENTEK推出的一款高性能工業級GPRS模塊，支持短信、彩信、語音通信等功能，模塊具有RS-232和TTL串口，通過它與TE6410串口通信。在模塊使用時需要一塊開通GPRS業務的手機卡才可以使用。

4 系統軟件設計

4.1 ZigBee節點程序設計

協調器節點在整個ZigBee網絡中起到兩個重大作用，一是負責建立起網絡并且循序加入設備節點，二是與其他傳感器節點通信，并將通信信息通過串口發送到數據處理平臺。本文采用ZigBee軟件節點設計和TI公司半開源的Zstack協議棧ZigBee-2006,協調器節點在設備上電后初始化，通過主動掃描其他設備并為其分配一個16位地址，允許其加入網絡，協調器工作流程如圖4所示。在網絡組建以后傳感器節點需要周期性向協調器發送數據[11]。周期性的工作采用ZigBee協議棧的輪訓方式，使用定時函數osal_start_timeEX()，該函數可以實現ms級的定時，周期性重復類似于單片機定時器中斷方式[12]。在整個無線網絡系統中，各個傳感器采集到的數據，周期性向協調器發送，其工作流程如圖5所示。

4.2 嵌入式應用軟件設計

系統采用TE6410開發板作為處理數據服務器，基于Linux操作系統[13]，煙霧傳感器各個節點通過發送傳感器數據到協調器，協調器通過串口與處理器相連將數據進行分析輸出[14]。煙霧傳感器MQ2使用數字量輸出，輸出引腳與CC2430的P0.1引腳相連，一旦傳感器檢測到煙物所設置的閾值，輸出引腳電平會變低，CC2430便會發送無線信息到協調器，協調器通過串口發送信息進入處理器，處理器串口設置中斷模式，可以避免處理器輪訓占用處理器資源，觸發串口中斷并對信息進行判斷讓蜂鳴器鳴叫報警，攝像頭進行拍照，處理器通過設置GPRS模塊調用攝像頭拍照圖片發送彩信到指定手機[15]。應用程序采用模塊化開發，采用多線程程序設計，線程1設計GPRS模塊發送彩信，線程2設計攝像頭拍照，通過判斷協調器發送的信息設置條件變量，觸發線程1設置，GPRS發送彩信指令，GPRS線程啟動通過環境變量觸發線程2，線程2采集圖片信息通過共享內存以線程1通信，發送彩信到指定手機，恢復條件變量[16]。應用程序設計流程如圖6所示。

圖4 協調器節點工作流程圖圖5 傳感器節點工作流程圖

圖6 應用程序設計流程

5 結 語

鑒于實驗室防火安全體系的不足，設計基于ZigBee的實驗室防火遠程監控系統，能夠高效快速準確檢測實驗室火情。采用多路煙霧傳感器利用ZigBee組成立體的檢測網絡，提高了檢測的準確度和靈敏度，并且采用無線通信技術避免了占用實驗室布線的不便。通過本地蜂鳴器和遠程彩信報警確保實驗室的安全。經實驗檢測，當有火焰或者煙霧出現在實驗室時，報警器快速準確報警，蜂鳴器快速做出反應，在3 min內用戶收到攝像機發出的火情信息，基本實現實驗室的防火預警，給實驗室火災預警提供一個新思路。