陳超，周錦榮，鄭楠（閩南師范大學(xué)物理與信息工程學(xué)院，漳州363000）

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基于DSP和Zigbee技術(shù)的多點(diǎn)分布式火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳超，周錦榮，鄭楠
（閩南師范大學(xué)物理與信息工程學(xué)院，漳州363000）

摘要：闡述以DSP高速處理器TMS320F28335和Zigbee物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合的多點(diǎn)分布式火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。每個(gè)監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的溫濕度傳感器、火焰?zhèn)鞲衅?、煙霧傳感器的信息，通過TMS320F28335核心處理器進(jìn)行采集和處理。利用Zigbee無線傳輸模塊發(fā)到協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器通過串口將數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī)。上位機(jī)功能界面由Qt Creator設(shè)計(jì)完成，整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)分布的火災(zāi)終端監(jiān)測報(bào)警與上位機(jī)報(bào)警顯示。

關(guān)鍵詞：火災(zāi)監(jiān)測；Zigbee技術(shù)；DSP TMS320F28335；多點(diǎn)分布式

火災(zāi)是損害生命財(cái)產(chǎn)安全的主要來源之一，以控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和通訊技術(shù)相結(jié)合的分布式火災(zāi)自動報(bào)警網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)是現(xiàn)代火災(zāi)防范的研究熱點(diǎn)之一，將為火災(zāi)報(bào)警的準(zhǔn)確性、以及處理的及時(shí)性和聯(lián)動性起到巨大的推動作用[1]。設(shè)計(jì)的多點(diǎn)分布式火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)主要由TMS320F28335高速處理器控制模塊、傳感器采集模塊、Zigbee無線傳輸模塊、Qt上位機(jī)顯示模塊四個(gè)部分[2-4]。TMS320F28335主控系統(tǒng)可對溫濕度傳感器、火焰?zhèn)鞲衅鳌熿F傳感器的信息進(jìn)行采集和處理，并通過顯示屏上顯示，利用蜂鳴器報(bào)警。TMS320F28335通過串口將數(shù)據(jù)發(fā)送至Zigbee終端，Zigbee組建網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸至協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器再將數(shù)據(jù)由串口傳送至Qt上位機(jī)。Qt上位機(jī)能夠?qū)f(xié)調(diào)器傳輸過來的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如下圖1所示。

1　硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1TMS320F28335控制系統(tǒng)模塊

設(shè)計(jì)中主要利用了高速數(shù)字處理器TMS320F28335的定時(shí)器模塊、GPIO模塊、ADC模塊、PWM模塊、串口通信模塊。如圖2所示，TMS320F28335型數(shù)字信號處理器系TI公司的一款TMS320C28X系列浮點(diǎn)DSP控制器。該芯片的精度高，成本低，功耗小，性能高，外設(shè)集成度高，數(shù)據(jù)以及程序存儲量大，A/D轉(zhuǎn)換更精確快速等，能夠?qū)崟r(shí)地實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號處理算法[2]。

圖1　系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1Schematic diagram of overall system

圖2　DSP28335模塊電路Fig.2Circuit of DSP28335 module

1.2傳感器采集模塊

火災(zāi)信號采集主要是通過火焰?zhèn)鞲衅?、溫濕度傳感器以及煙霧傳感器三個(gè)模塊采集的信號進(jìn)行組合判斷[3-4]?；鹧?zhèn)鞲衅髂K主要由光敏電阻和電壓比較器LM393組成，如圖3所示。

當(dāng)光敏電阻阻值發(fā)生改變了對應(yīng)的Aout電壓值發(fā)生變化用TMS320F28335的ADC模塊采集Aout處的電壓，再根據(jù)光強(qiáng)度與對應(yīng)的電壓值關(guān)系式如下式1所示：

另外為了便于MCU進(jìn)行報(bào)警處理，采用LM393將火焰?zhèn)鞲衅鞯腁out電壓與無火災(zāi)發(fā)生時(shí)預(yù)先設(shè)置的閾值電壓進(jìn)行比較，并輸出二值數(shù)字信號Dout。若大于閾值電壓，則說明有火災(zāi)發(fā)生，LM393輸出0；否則，說明無火災(zāi)發(fā)生，LM393輸出1。

圖3　火焰?zhèn)鞲衅麟娐吩韴DFig.3 Schematics of flame sensor circuit

圖4　煙霧傳感器電路原理圖Fig.4Schematics of smoke sensor circuit

煙霧傳感器MQ-2的工作電壓為5 V直流電壓，根據(jù)煙霧濃度輸出對應(yīng)的模擬電壓Aout，范圍在0～5 V之間?？芍苯佑肨MS320F28335的ADC模塊采集Aout處的電壓，煙霧傳感器模塊主要由煙霧傳感器MQ-2和電壓比較器LM393組成，如上圖4所示。再根據(jù)模擬電壓與煙霧濃度的關(guān)系式如式2所示：

為了便于MCU進(jìn)行報(bào)警處理，采用LM393將MQ-2輸出的模擬電壓與無火災(zāi)發(fā)生時(shí)MQ-2輸出的閾值電壓進(jìn)行比較，并輸出二值數(shù)字信號Dout。若大于閾值電壓，則說明有火災(zāi)發(fā)生，LM393輸出0；否則，說明無火災(zāi)發(fā)生，LM393輸出1。

環(huán)境溫濕度也是判斷火災(zāi)的重要依據(jù)之一，溫濕度采集一般采用專業(yè)的溫濕度傳感器[5]。設(shè)計(jì)中利用DHT11數(shù)字式溫濕度傳感器串行單線雙向接口，其應(yīng)用電路如圖5所示[6-7]。DATA用于TMS320F28335 與DHT11之間的通信與同步，采用單總線數(shù)據(jù)格式，一次完整的數(shù)據(jù)傳輸為40 bit，高位先出。數(shù)據(jù)傳送正確時(shí)校驗(yàn)和等于“8 bit濕度整數(shù)數(shù)據(jù)+8 bit濕度小數(shù)數(shù)據(jù)+8 bit溫度整數(shù)數(shù)據(jù)+8 bit溫度小數(shù)數(shù)據(jù)+ 8 bit校驗(yàn)和”所得結(jié)果的末8位。

圖5　DHT11應(yīng)用電路Fig.5Circuit of DHT11 application

DHT11與TMS320F28335通信過程如圖6所示。DHT11上電后，等待1 s以越過不穩(wěn)定狀態(tài)，之后TMS320F28335向DHT11發(fā)送一次開始信號，DHT11從低功耗模式轉(zhuǎn)變?yōu)楦咚倌Ｊ剑却鳈C(jī)開始信號結(jié)束后，DHT11發(fā)出相應(yīng)信號并送出40位數(shù)據(jù)。

圖6　DHT11與TMS320F28335通信過程Fig.6TMS320F28335 of DHT11 communication process

1.3終端顯示報(bào)警模塊

終端顯示報(bào)警模塊由LCD12864顯示電路與蜂鳴器報(bào)警電路組成，如圖7所示。

終端顯示報(bào)警模塊由傳感器采集到的各個(gè)節(jié)點(diǎn)環(huán)境變量可直接顯示在LCD12864上，當(dāng)環(huán)境變量超過預(yù)設(shè)值時(shí)，TMS320F28335產(chǎn)生不同頻率占空比的PWM波給蜂鳴器，使得蜂鳴器根據(jù)節(jié)點(diǎn)的不同發(fā)出不同的報(bào)警聲音。

圖7　終端顯示報(bào)警模塊Fig.7Alarm module of terminal display

2　軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1TMS320F28335主控模塊軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)所使用的單片機(jī)為TI公司的TMS320F28335芯片，采用的軟件開發(fā)平臺為CCstudio v3.3，仿真器使用的是XDS100 V1。軟件實(shí)現(xiàn)功能程序流程圖如圖8所示，實(shí)現(xiàn)步驟如下：

圖8　主控程序流程圖Fig.8Flowchart of master program

（1）通過內(nèi)部自帶的ADC模塊采集煙霧傳感器與火焰?zhèn)鞲衅鞯腁D值，并通過計(jì)算得到煙霧值與火焰值。

（2）與DHT11溫濕度傳感器進(jìn)行通信，得到溫度值和濕度值。

（3）驅(qū)動LCD12864，能將火焰值、煙霧值以及溫濕度在LCD12864上顯示。

（4）通過控制單片機(jī)內(nèi)部的PWM模塊輸出，從而來控制蜂鳴器報(bào)警的聲音。

（5）將數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送至Zigbee終端。

圖9　CC2530電路原理圖Fig.9Schematics of CC2530 circuit

2.2Zigbee無線傳輸模塊

無線傳輸模塊主要采用ZigBee技術(shù)，利用CC2530作為主控芯片完成相關(guān)設(shè)計(jì)電路如上圖9所示。

ZigBee技術(shù)是基于IEEE802.15.4，介于無線標(biāo)記技術(shù)與藍(lán)牙之間的一種低速短距離傳輸?shù)臒o線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，其特點(diǎn)是近距離、低復(fù)雜度、自組織、低功耗、低數(shù)據(jù)速率[3-4，8]。主控芯片CC2530是由TI公司研究開發(fā)的，該芯片工作在2.4GHz頻段，支持IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)/Zigbee/Zigbee RF4CE的應(yīng)用，結(jié)合了一個(gè)完全集成的射頻收發(fā)器與一個(gè)增強(qiáng)型8051內(nèi)核。設(shè)計(jì)中，采用IAR集成開發(fā)環(huán)境進(jìn)行開發(fā)[9]。Zigbee協(xié)調(diào)器與終端程序流程圖如圖10所示。

圖10　Zigbee協(xié)調(diào)器與終端程序流程圖Fig.10Terminal program flowchart and Zigbee coordinator

2.3上位機(jī)軟件

上位機(jī)主要利用跨平臺集成開發(fā)環(huán)境Qt Creator 3.1.0完成相關(guān)控制和顯示界面設(shè)計(jì)。Qt Creator是一個(gè)用于Qt開發(fā)的輕量級跨平臺集成開發(fā)環(huán)境[10]。上位機(jī)的功能：使用第三方的串口類Qextserialbase與Zigbee協(xié)調(diào)器進(jìn)行通訊，將接收到的每個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)在上位機(jī)上顯示對應(yīng)的溫度、濕度、火焰值、以及煙霧值。程序流程圖如圖11所示。

圖11　上位機(jī)程序流程圖Fig.11Flow chart of PC program

3　實(shí)驗(yàn)測試

在發(fā)射功率為0 dBm的情況下，Zibee在室內(nèi)的作用距離通常能達(dá)到30～50 m，但由于室內(nèi)的墻壁、地面以及障礙物等會對信號傳輸造成一定的影響，實(shí)際傳輸距離比理論值小，且會出現(xiàn)信號傳輸不穩(wěn)定等情況。在實(shí)際應(yīng)用中，將Zigbee終端與協(xié)調(diào)器盡量水平放置，使得二者處于對方的最佳輻射面上。而且，Zigbee終端與協(xié)調(diào)器的安裝不要緊貼金屬，要使得天線距離金屬或金屬平面10 cm以上。否則金屬會破壞天線的輻射場，使得信號輻射圖變形，對信號的傳輸造成影響。

為了測試系統(tǒng)的整體性能，實(shí)驗(yàn)中選擇了一間面積大小約20 m2，高約3 m的公寓進(jìn)行室內(nèi)測試多點(diǎn)分布式的空間布局采用等邊三角形式，將Zigbee終端放置于房間的同一水平內(nèi)并與地面保持一定距離，三個(gè)終端為等邊三角形的三個(gè)頂點(diǎn)，并將協(xié)調(diào)器放置于走廊，當(dāng)模擬發(fā)生火災(zāi)時(shí)將火源放置等邊三角形的中心。利用QT設(shè)計(jì)的上位機(jī)系統(tǒng)監(jiān)測界面如圖12所示。多點(diǎn)分布式的測試數(shù)據(jù)如表1所示。

圖12　多點(diǎn)分布式系統(tǒng)監(jiān)測界面Fig.12Multipoint distribution system monitoring interface

表1　多節(jié)點(diǎn)共同測量數(shù)據(jù)表Table 1Data of multi-node common measurement

表1為多節(jié)點(diǎn)共同測量結(jié)果，其中溫度測量最大誤差為3.3%，濕度測量最大誤差為1.7%，火焰值測量數(shù)據(jù)基本相同，煙霧量的最大測量誤差為4.7%，精度較單節(jié)點(diǎn)測量結(jié)果高。當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，因?yàn)槟M發(fā)生火災(zāi)的火源不能達(dá)到使整個(gè)測試環(huán)境的環(huán)境變量發(fā)生大范圍的變化，且傳感器在實(shí)際測量中受到有效距離的限制，故測試環(huán)境的變量參數(shù)變化較少，但火災(zāi)點(diǎn)局部的變量參數(shù)與測量結(jié)果基本一致。

4　結(jié)論

高速的數(shù)據(jù)處理和智能化、網(wǎng)絡(luò)化的監(jiān)測信息管理是火災(zāi)監(jiān)測管理系統(tǒng)發(fā)展的方向。本設(shè)計(jì)基于高速處理器TMS320F28335 DSP與Zigbee無線物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)，完成了多點(diǎn)分布式火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)的硬件方案設(shè)計(jì)和上位機(jī)QT的軟件設(shè)計(jì)。軟硬件測試結(jié)果顯示表明，在空間較大、遮擋物較多的場合，點(diǎn)對點(diǎn)的信號傳輸無法使得室內(nèi)信號的完全覆蓋，出現(xiàn)盲區(qū)。在該場合下加入路由器，一個(gè)路由器可以加入255個(gè)節(jié)點(diǎn)，一個(gè)協(xié)調(diào)器也可以加入255個(gè)節(jié)點(diǎn)，故在盲區(qū)內(nèi)加入一個(gè)路由器使得終端的數(shù)據(jù)可以發(fā)送給路由器，再由路由器發(fā)送至Zigbee協(xié)調(diào)器，從而使得整個(gè)場合實(shí)現(xiàn)信號的完全覆蓋，可以實(shí)現(xiàn)分布式的多節(jié)點(diǎn)火災(zāi)的監(jiān)測。系統(tǒng)當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)能實(shí)現(xiàn)終端顯示報(bào)警和上位機(jī)顯示報(bào)警，具有人性化管理界面和多點(diǎn)分布無線監(jiān)測管理的優(yōu)點(diǎn)。

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Fire Monitoring System of Muiti-point Distribution Based on DSP and Zigbee

Chen Chao，Zhou Jinrong，Zheng Nan
（College of Physics and Information Engineering，Minnan Normal University，Zhangzhou 363000）

Abstract:Combining multi-point distributed fire monitoring system，the design approach was elaborated to high-speed DSP processor TMS320F28335 and Zigbee networking technology.Each node monitoring temperature and humidity sensors，flame sensor，smoke sensor information were collected and processed by TMS320F28335 core processor by Zigbee wireless transmission module sent to the coordinator.Through the serial port，the coordinator sent the data to PC.PC function interface was designed by Qt Creator.The entire system achieved multi-point distribution′s fire alarm monitoring terminal and PC Alarm display and implemented multi-point distribution of fire alarm monitoring terminal and PC alarm display.

Key words：fire monitoring；Zigbee technology；DSP TMS320F28335；multipoint distribution

中圖分類號：TP29

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1002-2090（2016）01-0093-07

doi:10.3969/j.issn.1002-2090.2016.01.021

收稿日期：2014-12-31

基金項(xiàng)目：2014年大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目資助（201410402016）。

作者簡介：陳超（1994-），男，閩南師范大學(xué)物理與信息工程學(xué)院2012級本科生。

通訊作者：周錦榮，男，講師，E-mail：jinrongzhou@163.com。