王鵬彪+劉鈺+張志美

摘 要：本文設(shè)計(jì)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)溫度監(jiān)測(cè)和空氣煙霧濃度監(jiān)測(cè)。該系統(tǒng)采用單片機(jī)AT89S52RC實(shí)現(xiàn)控制電路，采用數(shù)字式溫度傳感器DS18B20實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境溫度，采用煙霧毒氣傳感器MQ-2實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣中煙霧濃度實(shí)時(shí)采集，利用無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)通信收發(fā)芯片NRF24L01實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度及煙霧濃度現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳送，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的監(jiān)控及預(yù)警。該系統(tǒng)體積小，便于多點(diǎn)監(jiān)測(cè)，智能控制且性能穩(wěn)定，可供家用及公共場(chǎng)所的火災(zāi)監(jiān)測(cè)。

關(guān)鍵詞：SoC;AT89S52RC;煙霧傳感器MQ-2;溫度傳感器DS18B20;無(wú)線(xiàn)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2015.21.111

1 前言

隨著社會(huì)的進(jìn)步和生產(chǎn)的需要，利用無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的方式應(yīng)用已經(jīng)滲透到生活各個(gè)方面，因此利用無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)新產(chǎn)品必然在當(dāng)今社會(huì)成為一個(gè)焦點(diǎn)。在現(xiàn)實(shí)生活中，這種無(wú)線(xiàn)采集系統(tǒng)已經(jīng)被成功應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、軍事國(guó)防、機(jī)器人控制等許多重要領(lǐng)域。特別是無(wú)線(xiàn)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)可以有效的實(shí)現(xiàn)火災(zāi)預(yù)警，減少損失。

本文基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)消防報(bào)警系統(tǒng)，該設(shè)計(jì)具有實(shí)際意義，可以應(yīng)用于預(yù)防火災(zāi)、預(yù)防煤氣中毒、煤炭資源開(kāi)采等諸多方面，具有設(shè)計(jì)小巧、多點(diǎn)式的檢測(cè)、無(wú)線(xiàn)報(bào)警、智能控制、性?xún)r(jià)比高、操作簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定和功能強(qiáng)大的特點(diǎn)。本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用了Nordic公司新推出的射頻芯片NRF24L01射頻芯片，利用單片機(jī)STC89S52RC控制實(shí)現(xiàn)短距離無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)通信。該系統(tǒng)包括發(fā)送和接收兩個(gè)模塊。發(fā)送部分以單片機(jī)STC89S52RC為核心，溫度傳感器DS18B20和煙霧傳感器MQ-2負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)采集環(huán)境溫度和煙霧濃度，單片機(jī)負(fù)責(zé)將傳感器采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)NRF24L01無(wú)線(xiàn)傳送給接收部分。接收模塊NRF24L01負(fù)責(zé)將、接收的溫度和煙霧濃度數(shù)據(jù)，單片機(jī)控制實(shí)現(xiàn)顯示和報(bào)警功能，若采集到的數(shù)據(jù)超過(guò)安全設(shè)定值則通過(guò)蜂鳴器報(bào)警，系統(tǒng)還包括人機(jī)交互模塊，根據(jù)環(huán)境不同設(shè)置不同的安全閾值，有效地適應(yīng)現(xiàn)實(shí)環(huán)境的需要，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的火災(zāi)預(yù)警。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 主控電路

本文采用STC89S52RC作為主控制芯片[1-3]?？刂齐娐分饕?fù)責(zé)轉(zhuǎn)換傳感器采集的數(shù)據(jù)，并實(shí)現(xiàn)報(bào)警控制，同時(shí)控制無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。圖1所示單片機(jī)最小系統(tǒng)。

2.2 檢測(cè)電路

本設(shè)計(jì)包含2類(lèi)傳感器，分別是溫度傳感器DS18B20和煙霧傳感器MQ-2。 其中單線(xiàn)數(shù)字溫度傳感器DS18B20是世界上第一片支持 "一線(xiàn)總線(xiàn)"接口的溫度傳感器。DS18B20引腳圖及接線(xiàn)圖如下圖所示。

MQ-2傳感器是以清潔空氣中電導(dǎo)率較低的金屬氧化物二氧化錫（SnO2）為主體的N型半導(dǎo)體氣敏元件。當(dāng)傳感器所處環(huán)境中存在煙霧氣體時(shí)，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中煙霧氣體濃度的增加而增大。MQ-2半導(dǎo)體氣體煙霧傳感器采集到的煙霧濃度模擬信號(hào)必須經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為可以識(shí)別的數(shù)字信號(hào)給單片機(jī)。

QM-2氣體傳感器開(kāi)機(jī)通電時(shí)，內(nèi)阻小，需開(kāi)機(jī)預(yù)熱幾分鐘，才能達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，應(yīng)用過(guò)程中要注意這一過(guò)程。

2.3 無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊

本文采用射頻收發(fā)器件nRF24L01作為收發(fā)模塊的核心器件[4-5]，工作頻段為2.4 GHz～2.5 GHz ISM頻段。單片機(jī)通過(guò)配置使能發(fā)射或接收端CE及CSN，SCK，MOSI，MISO，SPI，IRQ引腳端，控制nRF24L01模塊收發(fā)數(shù)據(jù)。

2.4 聲光報(bào)警模塊

聲光報(bào)警電路主要通過(guò)彩燈的閃爍和蜂鳴器鳴響引起用戶(hù)的注意，當(dāng)外界溫度或空氣煙霧濃度超過(guò)預(yù)設(shè)溫度上下限時(shí)，單片機(jī)調(diào)用報(bào)警子程序。該電路由蜂鳴器和數(shù)碼管組成，具體電路如圖所示。

3 軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)對(duì)NRF24L01無(wú)線(xiàn)模塊以及DS18B20、 MQ-2進(jìn)行初始化之后，從DS18B20讀取溫度數(shù)據(jù)，從MQ-2讀取煙霧數(shù)據(jù)，由單片機(jī)處理數(shù)據(jù)，通過(guò)調(diào)用無(wú)線(xiàn)發(fā)送程序?qū)囟群蜔熿F濃度數(shù)據(jù)發(fā)送給接收端，經(jīng)過(guò)處理之后在液晶顯示器LCD1602上顯示，同時(shí)接收端單片機(jī)分析采集到的溫度和濃度值是否超過(guò)設(shè)定閾值，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及報(bào)警功能。

3.1 發(fā)送部分流程圖

發(fā)送部分主要功能是利用傳感器網(wǎng)絡(luò)采集溫度與煙霧濃度數(shù)據(jù)，并通過(guò)NRF24L01將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送出。

3.2 接收部分流程圖

接受部分包括接受數(shù)據(jù)顯示和判斷報(bào)警兩部分。單片機(jī)通過(guò)控制無(wú)線(xiàn)接收模塊，接收來(lái)自遠(yuǎn)端傳感器的采集數(shù)據(jù)，并在LCD1602液晶屏上顯示。單片機(jī)的另一個(gè)功能是比較實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)與設(shè)定的閾值，若溫度值或煙霧濃度值超過(guò)閾值則啟動(dòng)報(bào)警程序，流程圖如圖10所示。

4 結(jié)論與展望

本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的消防報(bào)警系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括傳感器采集電路、無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊、單片機(jī)控制電路和煙霧溫度報(bào)警電路四大部分構(gòu)成。根據(jù)設(shè)計(jì)要求、使用環(huán)境、成本等因素，選用MQ.2型半導(dǎo)體電阻式煙霧傳感器和直接數(shù)字輸入式的溫度傳感器DS18B20。經(jīng)測(cè)定該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，能根據(jù)環(huán)境溫度和煙霧濃度實(shí)時(shí)報(bào)警，可用于家庭、學(xué)校及公共場(chǎng)所的消防預(yù)警。

參考文獻(xiàn)：

[1]李文忠，段朝玉.短距離無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)通信[M].北京航空航天大學(xué)出版社，2006.

[2]張毅剛.單片機(jī)原理及接口技術(shù)（C51編程）[M].人民郵電出版社，2011.

[3]王全.AT89S51單片機(jī)原理及應(yīng)用技術(shù)[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2015 .

[4]韓立偉，李界家，呂晶，劉悅.基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)建筑火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].安防科技，2015（01）：11-13.

[5]時(shí)志云，蓋建平，王代華，張志杰.新型高速無(wú)線(xiàn)射頻器件nRF24L01及其應(yīng)用[J].國(guó)外電子元器件，2007（08）：42-44.endprint