張科強(qiáng) 池雄飛 石艷玲鄂爾多斯職業(yè)學(xué)院基金項(xiàng)目：鄂爾多斯職業(yè)學(xué)院科研基金項(xiàng)目（ZK2010A002）

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基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的家庭火災(zāi)監(jiān)控硬件系統(tǒng)

張科強(qiáng) 池雄飛 石艷玲
鄂爾多斯職業(yè)學(xué)院
基金項(xiàng)目：鄂爾多斯職業(yè)學(xué)院科研基金項(xiàng)目（ZK2010A002）

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評(píng)估值30萬(wàn)

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行業(yè)曲線

industry

本文提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的嵌入式家庭火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)。以氣體、煙霧、溫度、紅外線等傳感器組成信號(hào)采集電路，以ZigBee單芯片CC2430為核心，構(gòu)建信息采集無(wú)線網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，以RT3052為控制、處理核心搭建網(wǎng)關(guān)控制平臺(tái)，使無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信平臺(tái)接入Internet，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)控。

隨著人們對(duì)居住環(huán)境的要求越來(lái)越高，家用設(shè)施的安全管理成為人們迫切需要，而現(xiàn)有的監(jiān)控系統(tǒng)集成度低，布線麻煩，監(jiān)測(cè)精度低及遠(yuǎn)程監(jiān)控實(shí)時(shí)性差等缺點(diǎn)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到人們的期望。而科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特別是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的日益成熟，對(duì)滿足人們的期望提供了技術(shù)支撐。本文研究的重點(diǎn)是以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)，提出一種嵌入式家庭火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

本監(jiān)控系統(tǒng)其整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，功能主要分為兩個(gè)部分：基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)和智能網(wǎng)關(guān)。其中無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)以各種傳感器構(gòu)成感知采集系統(tǒng)，以CC2430為信息傳輸控制核心；以路由芯片RT3025實(shí)現(xiàn)智能網(wǎng)關(guān)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)通過(guò)智能網(wǎng)關(guān)與Internet交互，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)計(jì)

電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的終端節(jié)點(diǎn)上分布著多種傳感器，它們的工作電壓不全相同，為了方便設(shè)計(jì)，統(tǒng)一設(shè)成5V供電，本電源系統(tǒng)選擇了電源集成控制芯片LM2596-5。該電源集成控制芯片通過(guò)工作方式DC-DC將12V輸入轉(zhuǎn)化為5V輸出，而且外圍電路只需要4個(gè)元器件，簡(jiǎn)化電源電路的設(shè)計(jì)，同時(shí)提高了電源系統(tǒng)的集成度和穩(wěn)定性。由于ZigBee CC2430控制芯片和DS18B20工作電壓為3.3V，所以選擇一款成本低的穩(wěn)壓芯片LMS1117-3.3，將LM2596-5輸出的5V電壓轉(zhuǎn)為3.3V。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 MQ-2應(yīng)用電路圖

煙霧傳感器設(shè)計(jì)

在火災(zāi)中往往伴隨著煙霧，所以預(yù)防早期火災(zāi)最有效辦法是對(duì)煙霧的及時(shí)檢測(cè)，盡早發(fā)現(xiàn)火災(zāi)險(xiǎn)情。本設(shè)計(jì)選擇MQ-2煙霧傳感器，此傳感器工作原理：當(dāng)環(huán)境中的可燃?xì)怏w和煙霧的濃度增加時(shí)，MQ-2的電導(dǎo)率隨著增大。MQ-2工作時(shí)需要兩個(gè)電壓：加熱電壓UH 和回路電壓UC，加熱電壓為該傳感器工作電壓，回路電壓用于測(cè)量傳感器串聯(lián)負(fù)載上的電壓，在設(shè)計(jì)中，加熱電壓UH 和回路電壓UC統(tǒng)一設(shè)為5V。其電路圖如圖2所示。

氣體傳感器設(shè)計(jì)

天然氣泄漏成為家庭火災(zāi)發(fā)生和氣體中毒的主要原因。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)天然氣濃度，防止火災(zāi)的發(fā)生，具有重要意義。本設(shè)計(jì)選用MQ-7型CO氣體傳感器，其工作原理為：當(dāng)空氣中的CO濃度增加時(shí)，CO氣體傳感器敏感層的電阻減小。其應(yīng)用電路圖與MQ-2一樣。

熱釋電紅外線傳感器設(shè)計(jì)

熱釋電紅外線傳感器可以搜索到物體自身輻射的極弱紅外線信號(hào)。本設(shè)計(jì)采用智能型檢測(cè)傳感器SPS532CA，本芯片主要用于火災(zāi)監(jiān)測(cè)和氣體分析研究。

溫度傳感器設(shè)計(jì)

溫度傳感器DS18B20是一款單總線的數(shù)字式溫度傳感器，測(cè)溫范圍在-55～125℃之間，DS18B20包含唯一產(chǎn)品序列號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)多個(gè)DS18B20 連接到總線上。當(dāng)傳感器正常工作時(shí)，用讀溫度指令，直接從溫度寄存器中讀取溫度信息。

ZigBee節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

在完成傳感器的設(shè)計(jì)后，用ZigBee CC2430芯片和以上多種傳感器構(gòu)建終端采集節(jié)點(diǎn)，再由這些終端采集節(jié)點(diǎn)，構(gòu)建信息采集無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信平臺(tái)。ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)常用的形式有三種：星形、樹(shù)形、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。本設(shè)計(jì)采用網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)比星形和樹(shù)形結(jié)構(gòu)通信率和容錯(cuò)率都大大提高。

智能網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計(jì)

智能網(wǎng)關(guān)硬件結(jié)構(gòu)主要由由CC2430收發(fā)模塊、RT3052、兩路射頻天線、電源電路模塊、以太網(wǎng)接口以及存儲(chǔ)器模塊組成。

1）主芯片選型設(shè)計(jì)：RT3052是一款高性能嵌入式路由芯片，其集成了UART、SPI、 I2S、I2C、USB等豐富的硬件接口，便于與外圍接口通信，同時(shí)滿足了系統(tǒng)平臺(tái)的處理能力。利用RT3052的串口與CC2430的串口連接通信，從而將傳感器采集到的數(shù)據(jù)傳入Internet中。

2）存儲(chǔ)器芯片選型設(shè)計(jì)：因?yàn)樾枰诰W(wǎng)關(guān)平臺(tái)上移植Wince系統(tǒng)，加載用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)庫(kù)、運(yùn)算火災(zāi)判斷算法、發(fā)手機(jī)短信應(yīng)用程序及其它必備的應(yīng)用程序，所以必須對(duì)其存儲(chǔ)器芯片選型，滿足平臺(tái)的需要。在SDRAM方面：選擇2片M12L128168A，其存儲(chǔ)容量為32M。在flash存儲(chǔ)器方面：選擇MX29LV320DBTI芯片，該容量為4M。

結(jié)束語(yǔ)

本文主要介紹了家庭火災(zāi)檢測(cè)中無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)和智能網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計(jì)，本系統(tǒng)已經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的調(diào)試，整個(gè)系統(tǒng)在采、處理、收發(fā)數(shù)據(jù)穩(wěn)定。

10.3969/j.issn.101- 8972.2016.12.015