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        基于Simplici Ti的無線火災(zāi)報警系統(tǒng)設(shè)計

        2011-05-14 11:58:06王靈芝蘇文松翁文陶
        關(guān)鍵詞:設(shè)計

        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.

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