基于CC2530無線火災報警系統(tǒng)的設計

魏志強 馬 敏 閆佳暉 蔡文杰

(1.北京航天計量測試技術研究所，北京 100076；2.中國運載火箭技術研究院，北京 100076)

1 引 言

隨著計算機技術、現代通信技術的日益成熟和廣泛應用，消防報警系統(tǒng)的無線設計、實現與運行具有了相當的穩(wěn)定性。而我國中小型場所乃至家庭還沒有成型的，較為完善的防火預警系統(tǒng)，這些場所點多面廣，本文提到的無線火災報警系統(tǒng)正契合這一特征。

本設計是將簡單、低功耗的ZigBee無線傳感網絡加入到火災報警這個已經相對成熟的領域，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后的火災報警系統(tǒng)可以進入普通的家庭，以減少意外所帶來的損失。

整個系統(tǒng)圍繞傳感器網絡節(jié)點、協(xié)調器節(jié)點等硬件電路和軟件部分進行設計。主要流程為：由終端傳感器網絡節(jié)點監(jiān)測現場環(huán)境并將采集數據周期性地發(fā)送給協(xié)調器節(jié)點，再通過USB串口在上位機上顯示采集的信息。

2 系統(tǒng)整體設計

本系統(tǒng)主要包括傳感器網絡節(jié)點、協(xié)調器節(jié)點、USB串口、系統(tǒng)上位機和供電電源。ZigBee無線傳感網絡采用“廣播”的方式，由協(xié)調器節(jié)點和傳感器網絡節(jié)點(溫度、氣體、火焰)組成。協(xié)調器節(jié)點的功能包括建立組網、接收終端傳感器采集的信號以及轉發(fā)上位機的指令；溫度傳感器節(jié)點主要負責對當前環(huán)境的溫度信息進行采集；煙霧傳感器終端節(jié)點主要負責采集當前環(huán)境的氣體信息(出現火災主要是采集煙霧濃度)；火焰?zhèn)鞲衅鞴?jié)點主要負責監(jiān)測當前環(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)硬件設計

3.1 系統(tǒng)無線收發(fā)模塊的設計

系統(tǒng)的核心芯片是CC2530，該芯片集成了IEEE802.15.4標準的2.4GHz頻段RF收發(fā)器，可配置的RF調制解調器，提供了一套廣泛的外設集，包括8通道的12位A/D轉換器和21個通用I/O管腳、2個USART接口、128位的AES加密解密內核、MAC專用定時器、兩個8位定時器等功能，該芯片只需設計極少的外接電路即可構建一個簡單的ZigBee節(jié)點。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CC2530處于非工作模式時，任何中斷可將CC2530恢復到主動工作模式，某些中斷還可將CC2530從睡眠模式喚醒，實現超短時間的快速轉換，確保了低功耗的使用，設備的工作溫度范圍為-40℃～125℃，特別適合需要待電時間長、低功耗且環(huán)境變化的大場所使用。CC2530自身帶有射頻收發(fā)和調制解調等功能便于數據傳送，而且只需要添加簡單電路就可以實現，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)主體控制部分原理圖

天線是無線收發(fā)的重要一環(huán)，既可以發(fā)送數據也可以接收信息，其可逆性極大地增強了協(xié)調器在設計中的作用。本電路采用無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)定的時鐘信號。從芯片CC2530的管腳RF_P和PF_N出來的指令通過一個同軸天線(電感、電容相連構成)輸出發(fā)送。

3.2 系統(tǒng)功能模塊的設計

3.2.1

協(xié)調器節(jié)點主要包括CC2530數據處理模塊、天線、電源模塊、串口模塊、LED部分等。CC2530部分是各個節(jié)點的主控中心，是整個電路的中軸。傳感器與協(xié)調器的天線用來收發(fā)信號信息。串口模塊主要是讓上位機和終端傳感器和協(xié)調器建立連接。LED燈的亮滅是表示網絡的連接情況，LED1亮說明允許其他節(jié)點加入該網絡，LED2亮說明協(xié)調器組建ZigBee網絡成功。如圖3所示。

圖3 協(xié)調器節(jié)點功能框圖

3.2.2

傳感器節(jié)點的整體結構與協(xié)調器節(jié)點類似，由CC2530數據處理模塊、天線、傳感器數據采集模塊、電源部分和LED部分組成。其中，數據采集模塊主要是負責采集環(huán)境中的溫度、煙霧、火源數據，然后需要對數據進行轉換。LED部分是表示節(jié)點是否加入或退出網絡，D2亮則說明傳感器節(jié)點加入ZigBee網絡，D1亮則說明傳感器節(jié)點開始周期性地發(fā)送數據。天線用于無線發(fā)送數據信息。

數據采集模塊使用的傳感器是DS18B20數字溫度傳感器和MQ-2氣體傳感器。DS18B20數字溫度傳感器是單總線器件，具有線路簡單，體積小的特點，使用起來方便。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)測裝置，適宜于液化氣、丁烷、丙烷、甲烷、酒精、煙霧等的檢測，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

有源蜂鳴器像其他的傳感器節(jié)點一樣，其作用就是等待上位機下發(fā)的命令，然后報警。它工作的理想信號是直流電。原理是蜂鳴器內部有一些簡單的振蕩電路，能將恒定的直流電轉化為一定頻率的脈沖信號，從而引起磁場交變，帶動鉬片振動發(fā)音，所以產生了蜂鳴聲。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)軟件設計

如圖7所示，無線傳感網絡的建立選擇星型拓撲網絡，其較另外的拓撲結構更加具有優(yōu)勢：結構簡單、容易管理和維護、成本低。本系統(tǒng)調試過程由一個協(xié)調器節(jié)點分別對應溫度、煙霧和火焰三個傳感器節(jié)點進行數據傳輸，協(xié)調器建立并維護整個組網，而終端傳感器節(jié)點采集環(huán)境中的信息是通過ZigBee網絡協(xié)議并發(fā)送到協(xié)調器節(jié)點，通過USB串口傳給上位機顯示，若是有災情出現就下發(fā)命令給有源蜂鳴器報警來及時阻止災情的進一步加劇。

4.1 協(xié)調器節(jié)點的軟件設計

關于協(xié)調器節(jié)點的軟件設計，它的作用主要是負責組建并維護網絡，其次是接收終端傳感器節(jié)點采集的環(huán)境信息數據，并將這些數據信息經由串口傳給上位機顯示。整個協(xié)調器的軟件工作流程如圖7所示。

圖7 協(xié)調器節(jié)點的工作流程圖

4.2 傳感器節(jié)點的軟件設計

組網成功后，終端傳感器節(jié)點加入ZigBee網絡，然后周期性地采集外部環(huán)境信息數據、處理各個傳感器的數據并向協(xié)調器發(fā)送。鑒于大多數時間以及系統(tǒng)功耗考慮，各個傳感器設置為周期性工作，其余時間進入休眠模式。這里選擇了ZigBee協(xié)議棧里的一個可以實現毫秒(ms)級的定時函數OSAL_START_TIMEREX()，定時發(fā)送數據到協(xié)調器節(jié)點，從而達到周期性工作的目的。整個工作流程如圖8所示。

圖8 傳感器網絡節(jié)點的工作流程圖

4.3 報警系統(tǒng)的軟件設計

如下圖9所示為整個報警系統(tǒng)的工作流程。考慮具體的實際情況主要設計了未存在災情、存在火災隱患(如溫度升高、出現少量煙霧)和出現火災三種處理模式，出現災情的話立即啟動蜂鳴器報警1分鐘，否則的話就將實時采集的溫度、煙霧濃度和火源數據發(fā)送給上位機顯示。

圖9 報警器的工作流程

5 測試結果

整個實驗過程：給協(xié)調器和三個終端傳感器下載各自的程序，擺放好各自的位置，模擬一個小型火災環(huán)境一一點燃紙張(紙張燃燒的溫度在200℃左右)。先做預熱準備，如設置好串口的各個參數(波特率為115200、校驗位NONE、數據位8、停止位1)，然后上電，可以看到協(xié)調器和傳感器的LED燈都亮了，即ZigBee組網成功。點擊調試助手的“打開”按鈕，看到各個傳感器上傳的數據即為當前室內的常溫信息。觀察一段時間，確認整個設計無漏洞，點燃紙張，看到上位機接收區(qū)域數據均明顯變化，且點燃紙張約1s便聽見警報響起。如圖10所示，溫度明顯升高；煙霧數據如圖11所示；火焰數據如圖12所示。

圖10 溫度數據變化

圖11 煙霧數據變化

圖12 火焰數據變化

6 結束語

本火災報警系統(tǒng)是基于ZigBee無線網絡的設計，采用了CC2530作為主控制芯片，通過對環(huán)境中溫度、氣體煙霧、火星火源的實時監(jiān)測對火災隱患報警，為預防火災提供了一個新的實現途徑。采用ZigBee進行設計，簡單且易實現；采集數據及數據的傳輸過程中，系統(tǒng)穩(wěn)定、數據無誤，擴大終端傳感器的散布范圍，可廣泛的應用于各種火災監(jiān)測和預防。