王靈芝,蘇文松,翁文陶

（漳州師范學(xué)院 物理與電子信息工程系，福建 漳州363000）

城市高樓林立，安全事故頻發(fā)，特別是火災(zāi)安全事故。準(zhǔn)確而又及時地通知樓內(nèi)人員撤離或者采取援助和自救成為當(dāng)前主要的課題。目前使用的火災(zāi)報警主要是消防聯(lián)控系統(tǒng)，大多與本樓的其他住戶無關(guān)聯(lián)，導(dǎo)致了本樓住戶在火災(zāi)發(fā)生時得不到報警，不能及時逃離火災(zāi)現(xiàn)場。

針對這一情況，本文設(shè)計了一款無線火災(zāi)報警系統(tǒng)，其節(jié)點(diǎn)能夠分布多個地點(diǎn)，在火災(zāi)發(fā)生時能夠及時通知本樓住戶并撥打遠(yuǎn)程報警電話告知有火災(zāi)發(fā)生。

1 總體設(shè)計方案

本系統(tǒng)主要由火災(zāi)煙霧探測節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)接入點(diǎn)、PC機(jī)監(jiān)控、GSM模塊、手機(jī)終端5個部分構(gòu)成,其總體設(shè)計框圖如圖1所示。

煙霧探測節(jié)點(diǎn)采集煙霧和溫度通過Simplici Ti網(wǎng)絡(luò)傳送到數(shù)據(jù)接入點(diǎn)，數(shù)據(jù)接入端對煙霧和溫度判斷是否有火災(zāi)需要報警，并將所有數(shù)據(jù)傳送到PC機(jī)；PC機(jī)實(shí)時監(jiān)控火災(zāi)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)（煙霧、溫度、電池電量）。當(dāng)出現(xiàn)火災(zāi)險情時，PC機(jī)通過GSM模塊發(fā)送火災(zāi)地點(diǎn)信息到手機(jī)報警終端，并撥打手機(jī)報警終端電話。

Simplici Ti是TI公司針對簡單小型RF網(wǎng)絡(luò)的專有低功耗RE協(xié)議，其最大傳輸速率為250 kb/s，傳輸距離在空曠地帶能達(dá)百米[1]。支持各種低功耗應(yīng)用，如報警與安全、自動抄表、工業(yè)控制、家庭自動化以及有源RFID等。Simplici Ti可以滿足本設(shè)計的要求。

設(shè)計中采用16 bit微控制器MSP430F2274，電路采用電池供電，能滿足低功耗的要求，并使用Simplici Ti網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。

射頻芯片采用TI的CC2500。CC2500是一種低成本的2.4 GHz收發(fā)器，滿足低功耗無線應(yīng)用的需求。電路設(shè)定為 ISM(工業(yè)，科學(xué)和醫(yī)學(xué))和SRD(短距離設(shè)備)頻率波段。CC2500為數(shù)據(jù)包處理、數(shù)據(jù)緩沖、突發(fā)數(shù)據(jù)傳輸、清晰信道評估、連接質(zhì)量指示和電磁波激發(fā)提供廣泛的硬件支持。CC2500的主要操作參數(shù)和64 bit傳輸/接收 FIFO(先進(jìn)先出堆棧)可通過SPI接口控制。

煙霧傳感器分為離子式和光電式。離子式使用壽命長，但是有輻射，成本高，且工作時需要對加熱電阻加熱，功耗大；光電式環(huán)保，成本低，工作時可用間歇式工作功耗相對較低，但使用壽命一般是10年左右。本設(shè)計采用了光電式煙霧傳感器。

本設(shè)計的遠(yuǎn)程報警采用GSM網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)，GSM模塊采用SIMCOM公司的SIM300。SIM300主要為語音傳輸、短消息和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)提供無線接口。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

(1)微控制器電路

節(jié)點(diǎn)的主控電路如圖2所示。微控制器MSP430F2274采用內(nèi)部 DCO振蕩器[2]。RXT0、TXD0作為串口通信，D1、D2為工作指示燈，S1用于按鍵，AD0、AD1用于光電式煙霧傳感器的AD采集，SLEEP用于控制光電式煙霧傳感器的間歇式工作，GD00、GDO2、P3.0_UCB0STE、P3.1_UBC0SIMO、P3.2_UBC0SIMI、P3.3_UCB0CLK 用 于 連 接 控制CC2500。

(2)CC2500RF收發(fā)器電路

CC2500 RF收發(fā)器的電路設(shè)計如圖3所示，通過SPI兼容接口(SI、SO、SCLK and CSn)進(jìn)行 CC2500 配置。SPI接口上的所有操作都以一個包含讀寫位，突發(fā)訪問位和6 bit地址的頭字節(jié)開始。在地址和數(shù)據(jù)傳輸期間，CSn引腳必須為低。如果在訪問期間CSn變高，則訪問被取消。當(dāng)CSn變低，MCU必須等待直到SO腳變低后才能開始傳輸頭字節(jié)。SO變低表明電壓調(diào)制器已經(jīng)穩(wěn)定，晶體振蕩器正在運(yùn)行。除非芯片處在SLEEP或XOFF狀態(tài)或者有SRES濾波命令，SO腳通常會在CSn腳變低后立即變低。此外，CC2500的配置也可通過SmartRF Studio軟件進(jìn)行配置。

(3)煙霧傳感器

煙霧傳感器采用光電式煙霧傳感器，電路如圖4所示[3]。

傳感器由兩對紅外發(fā)射接收管組成，D3、D4作為煙霧采集，D5、D6作為周圍環(huán)境光照強(qiáng)度的采集 (用于消除光照對煙霧采集的影響)。D5、D6分別套到一根6 cm長透明玻璃管的兩端；D3、D4也分別套到一根 6 cm長透明玻璃管的兩端,在玻璃管的中間開一個長度4 cm的對穿窗口用于采集煙霧。VR1用于靈敏度調(diào)節(jié)。

從圖4可看出，當(dāng)環(huán)境光照變化時，只要 D4、D6特性一樣，它們變化的電壓差ΔU1一樣。當(dāng)有煙霧進(jìn)入煙霧傳感器的窗口時，D3發(fā)射紅外光線受到煙霧顆粒散射、吸收，D4電壓發(fā)生變化，變化量為 ΔU2。

煙 霧 變 化 量∶ΔU=(UAD1+ΔU1)-(UAD0+ΔU1-ΔU2)

由式(1)可知環(huán)境的光照對該傳感器影響不大。

該傳感器還具有睡眠的功能，可進(jìn)行間歇式工作以降低功耗。當(dāng)SLEEP為高電平時，T1截止，傳感器處于休眠狀態(tài)；當(dāng)SLEEP為低電平時，T1導(dǎo)通傳感器處于工作狀態(tài)。

(4)電池備用電路

數(shù)據(jù)中心節(jié)點(diǎn)一旦斷電，則網(wǎng)絡(luò)必須重新組織，所以設(shè)計可充電的電池備用電路。

(5)本地報警電路

報警電路采用三聲的報警芯片C002，可發(fā)出110、120、119三種聲音，設(shè)計中采用發(fā)119的報警聲音。

(6)火災(zāi)溫度監(jiān)測

火災(zāi)溫度檢測所用的溫度傳感器采用MSP430芯片內(nèi)部自帶的監(jiān)測芯片溫度傳感器。MSP430是超低功耗的，所以芯片自身幾乎沒有產(chǎn)生熱量。且設(shè)計中對溫度監(jiān)測并不需要非常精確，因此采用MSP430內(nèi)部的溫度傳感器即可滿足設(shè)計要求。

3 節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計

(1)火災(zāi)探測節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計

火災(zāi)探測節(jié)點(diǎn)是一個休眠設(shè)備，1.5 s喚醒一次。當(dāng)火災(zāi)探測節(jié)點(diǎn)喚醒時，開啟AD進(jìn)行溫度、電池電壓、煙霧采樣，開啟AD的同時關(guān)閉CPU以降低功耗，采樣后開啟CPU。采樣后對數(shù)據(jù)處理(溫度是否超過限定溫度火災(zāi)是否有煙霧，若有報警則發(fā)送報警信息)，之后通過CC2500把所有數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)接入點(diǎn)[4]。程序流程圖如圖5所示。

(2)數(shù)據(jù)接入點(diǎn)軟件設(shè)計

數(shù)據(jù)接入節(jié)點(diǎn)是實(shí)時工作的節(jié)點(diǎn)，主要功能是本地報警和接收火災(zāi)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)并傳送到PC機(jī)。本地報警一旦觸發(fā)必需人為解除否則一直報警，解除報警可通過按鍵，也可通過上位機(jī)的“停止報警”按鈕停止報警。

(3)監(jiān)控報警系統(tǒng)設(shè)計

GSM遠(yuǎn)程報警主要是發(fā)送火災(zāi)地點(diǎn)信息到手機(jī)并撥打電話提醒有短信的到來，GSM模塊采用SIM300 GPRS模塊。SIM300發(fā)送SMS信息有3種模式：Block模式、Text模式和 PDU模式。設(shè)計中采用了PDU模式，PDU模式下可以發(fā)送中文短信息。在PDU模式下只需對數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，通過AT指令就可以實(shí)現(xiàn)短信的發(fā)送。

監(jiān)控主界面能夠?qū)崟r顯示各個節(jié)點(diǎn)的信息，包括地點(diǎn)、當(dāng)前溫度、煙霧、時間、報警信息。還有當(dāng)節(jié)點(diǎn)的電壓低于2.5 V時，改變文本框的顏色提示警告，電池電量低需要更換電池。監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)監(jiān)控傳輸和GSM遠(yuǎn)程報警都是采用串口來實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)有火警時，自動把報警信息存到數(shù)據(jù)庫當(dāng)中。

4 系統(tǒng)測試

(1)系統(tǒng)覆蓋范圍測試

覆蓋范圍是無線傳感網(wǎng)一個很重要的參數(shù)，發(fā)射功率對覆蓋范圍有很大的影響。在設(shè)計過程中做了單點(diǎn)覆蓋范圍測試，在不同的發(fā)射功率下和不同環(huán)境下的覆蓋范圍如表1所示。

表1 發(fā)射功率為0 dBm，室內(nèi)外傳輸距離

圖5 節(jié)點(diǎn)程序流程圖

測試結(jié)果顯示在發(fā)射功率為0 dBm時，室外的覆蓋可達(dá)到12 m左右，室內(nèi)的覆蓋也有10 m左右，這樣的覆蓋范圍可以滿足本設(shè)計的需要。當(dāng)發(fā)射功率設(shè)為-10 dBm的時候覆蓋情況明顯變差。

(2)系統(tǒng)整機(jī)測試

接入節(jié)點(diǎn)和GSM模塊接入到PC機(jī)，設(shè)置端口號、波特率、校驗(yàn)位、數(shù)據(jù)位和停止位。參數(shù)設(shè)置完成后，測試GSM報警模塊是否連接正常，把火災(zāi)節(jié)點(diǎn)接入網(wǎng)絡(luò)。無線網(wǎng)絡(luò)組織成功后就可進(jìn)行整機(jī)測試。

采用Simplici Ti無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議組織節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)采集溫度、煙霧等信息通過無線網(wǎng)絡(luò)傳至數(shù)據(jù)中心節(jié)點(diǎn)，由數(shù)據(jù)中心節(jié)點(diǎn)對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，處理完成的數(shù)據(jù)傳送至PC機(jī)監(jiān)控。若在數(shù)據(jù)處理中發(fā)現(xiàn)有險情，則觸發(fā)本地報警，并把報警信息傳輸至PC機(jī)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程報警(短信和撥打電話)。為了能讓救援工作在第一時間展開，設(shè)計可擴(kuò)展為聯(lián)防報警。本設(shè)計的火災(zāi)節(jié)點(diǎn)為超低功耗，休眠時只有不到1 μA電流，具有較強(qiáng)的工程實(shí)踐意義和應(yīng)用前景。

[1]李文仲，段朝玉.CC1110/CC2510無線單片機(jī)和無線自組織網(wǎng)絡(luò)入門與實(shí)戰(zhàn)[M].北京∶北京航空航天大學(xué)出版社,2008.

[2]胡大可.MSP430系列FLASH型超低功耗16位單片機(jī)[M].北京∶北京航空航天大學(xué)出版社,2002.

[3]徐曉明，葉盛,胡浩.新型光電式煙霧傳感器及其應(yīng)用[J].儀器儀表學(xué)報,2002，23(3)增刊：117-118.

[4]張晞，王德銀,張晨.MSP430系列單片機(jī)實(shí)用 C語言程序設(shè)計[M].北京∶人民郵電出版社,2005.