劉孝趙 王 成

（蘇州經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電與信息技術(shù)學(xué)院 蘇州 215009）

基于LM3S9B96的無線智能樓宇火災(zāi)消防報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)?

劉孝趙 王 成

（蘇州經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電與信息技術(shù)學(xué)院 蘇州 215009）

論文針對(duì)現(xiàn)有樓宇火災(zāi)消防報(bào)警系統(tǒng)存在的問題，設(shè)計(jì)了基于LM3S9B96的無線智能樓宇火災(zāi)消防報(bào)警系統(tǒng)，該系統(tǒng)提出了LM3S9B96和CC2530結(jié)合的無線通信節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，利用ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)CC2530來采集樓宇環(huán)境數(shù)據(jù)信息，通過GPRS數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)把數(shù)據(jù)信息傳輸至Web服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程對(duì)樓宇環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

無線；ZigBee；CC2530

1 引言

雖然當(dāng)今社會(huì)城市化進(jìn)程不斷擴(kuò)大，但是我國的建筑物消防報(bào)警智能化的程度還遠(yuǎn)遠(yuǎn)未達(dá)到要求，仍然以傳統(tǒng)的有線報(bào)警為主［1］。隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的快速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的日趨成熟，智能樓宇中的消防火災(zāi)報(bào)警可以采用遠(yuǎn)程無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)男问竭M(jìn)行布局［2］，節(jié)省消防系統(tǒng)安裝成本、運(yùn)營成本以及維護(hù)成本。本設(shè)計(jì)將以ARM芯片LM3S9B96為核心控制中心，結(jié)合ZigBee技術(shù)的無線傳輸功能，將消防火災(zāi)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)溫度、煙霧、火焰以及視頻信號(hào)遠(yuǎn)程傳輸給監(jiān)控終端［3］，同時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)火災(zāi)報(bào)警信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)智能樓宇內(nèi)部、外部火災(zāi)環(huán)境的感知，讓居住的人們及早發(fā)現(xiàn)火災(zāi)的危險(xiǎn)信號(hào)，避免更大的生命和財(cái)產(chǎn)損失。

2 系統(tǒng)工作原理

為了建立能夠滿足智能樓宇火災(zāi)消防遠(yuǎn)程無線采集系統(tǒng)功能，本系統(tǒng)前端負(fù)責(zé)采集和處理傳感器的數(shù)據(jù)［4］，控制終端對(duì)火災(zāi)報(bào)警遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控，并根據(jù)實(shí)況進(jìn)行報(bào)警處理，以免發(fā)生誤判。無線智能樓宇火災(zāi)消防系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)采集端、視頻監(jiān)控端、集中器、監(jiān)控中心、移動(dòng)終端，最終形成一個(gè)無線傳感器的結(jié)構(gòu)。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 LM3S9B96的最小系統(tǒng)電路

本文設(shè)計(jì)的核心MCU選用TI公司生產(chǎn)的LM3S9B96芯片，它是基于ARM Cortex-M3的32位MCU，高性價(jià)比，它的成本是之前系列的8位和16位MCU的價(jià)格［5］，其芯片外部時(shí)鐘源有兩個(gè)，核心CPU的工作頻率是80MHz，它在運(yùn)行時(shí)，處理性能高達(dá)100DMIPS，具有ARM Cortex SysTick定時(shí)器，芯片內(nèi)擁有高達(dá)50MHz的256KB單周期閃存和96KB單周期SRAM［6］，并且芯片內(nèi)部的ROM還加載了StellarisWare軟件，而且具有擴(kuò)展的外設(shè)接口和串行接口，它的復(fù)位電路可以通過軟硬件不同方式來實(shí)現(xiàn)復(fù)位功能。

3.2 無線通信智能節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

無線通信智能節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)采用ZigBee協(xié)議，硬件芯片選用TI公司生產(chǎn)的CC2530為核心ZigBee模塊［7］，組成終端采集節(jié)點(diǎn)，同時(shí)可以通過配置設(shè)備節(jié)點(diǎn)環(huán)境，以此來實(shí)現(xiàn)ZigBee協(xié)議下的終端數(shù)據(jù)采集功能。LM3S9B96控制器內(nèi)部含DAC、ADC、DMA等功能模塊，以及通信功能模塊CAN總線、以太網(wǎng)和USB接口，且功耗低等特點(diǎn)，這些特點(diǎn)都能為ZigBee應(yīng)用提供很好的硬件支持［8］。本文采用采用LM3S9B96與CC2530平臺(tái)上的ZigBee組網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行通信，它們之間采用SPI接口方式，其連接如圖2所示。

圖2 CC2530和LM3S9B96接口連接圖

圖 2中的 CC2530利用 FIFO、FIFOP、SFD 和CCA四個(gè)引腳來查詢數(shù)據(jù)收發(fā)狀態(tài)，充分利用SPI接口（SO、SI、CSN、SCK）與微控制器LM3S9B96進(jìn)行命令傳輸和數(shù)據(jù)交換［9］。重要的引腳配置為：FIFO作為數(shù)據(jù)緩存判斷端對(duì)應(yīng)PC7引腳；FIFOP端作為接收數(shù)據(jù)包的判斷引腳，對(duì)應(yīng)微控制器中斷引腳PC6。這樣連接的優(yōu)點(diǎn)是，如果在接收模式狀態(tài)，當(dāng)發(fā)生幀接收完或數(shù)據(jù)越界時(shí)，微處理器可以利用FIFOP引腳來進(jìn)行中斷操作，F(xiàn)IFO引腳可以用來判斷數(shù)據(jù)是否都處于接收FIFO中。當(dāng)然這些是硬件配置，還有一部分需要軟件來進(jìn)行配置。

4 軟件設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)只有硬件還不足以實(shí)現(xiàn)功能，必須以軟件來進(jìn)行輔助完善，讓軟件來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的功能，提升系統(tǒng)整體性能。本文軟件設(shè)計(jì)主要有ZigBee環(huán)境數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)、主控制器系統(tǒng)、終端監(jiān)測(cè)上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)。在ZigBee系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)利用傳感器采集樓宇環(huán)境信息，發(fā)送到ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)［10］，LM3S9B96主控制器對(duì)接收到的ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳輸過來的樓宇環(huán)境信息進(jìn)行解析處理，然后再發(fā)送給GPRS模塊，GPRS模塊通過GPRS數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)將樓宇環(huán)境信息發(fā)送至Web服務(wù)器，且在移動(dòng)終端或監(jiān)控終端均可訪問服務(wù)器監(jiān)測(cè)樓宇環(huán)境信息的參數(shù)。由于軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)模塊較多，這里給出最重要的主控制器軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖如圖3所示。

5 系統(tǒng)測(cè)試分析

該系統(tǒng)功能測(cè)試應(yīng)用時(shí)，遠(yuǎn)程控制終端云界面采用VC語言進(jìn)行編程，其主要包括7個(gè)窗體模塊。

ZigBee采集端進(jìn)行功能測(cè)試時(shí)，各個(gè)設(shè)備的連接點(diǎn)通信正常，對(duì)采集的溫度、火焰、煙霧量環(huán)境信息的靈敏度測(cè)試良好，同時(shí)對(duì)超過設(shè)定的閾值參數(shù)時(shí)，報(bào)警功能也正常工作。圖4是對(duì)模擬高溫環(huán)境狀態(tài)下的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

圖3 主控制器程序設(shè)計(jì)流程圖

圖4 節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)圖

經(jīng)過仔細(xì)觀察和記錄，測(cè)試結(jié)果如表1所示。通過表1的測(cè)試結(jié)果可以確定各個(gè)節(jié)點(diǎn)通信正常，且傳感器的靈敏度也較為良好，整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)功能可以滿足無線火災(zāi)消防報(bào)警的需求。

表1 系統(tǒng)功能測(cè)試結(jié)果

6 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了基于LM3S9B96的無線智能樓宇火災(zāi)消防報(bào)警系統(tǒng)，并結(jié)合了ZigBee協(xié)議無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)火災(zāi)消防報(bào)警系統(tǒng)的不足。在設(shè)計(jì)中，利用ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)CC2530來采集樓宇環(huán)境數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)了對(duì)樓宇環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)控，主控制器LM3S9B96與協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)通過串口相連，GPRS模塊接收主控MCU處理過的環(huán)境數(shù)據(jù)信息，再通過GPRS數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)把環(huán)境數(shù)據(jù)信息傳輸至Web服務(wù)器［11］，這樣用戶就可以方便地在監(jiān)控終端或移動(dòng)終端實(shí)時(shí)對(duì)樓宇環(huán)境進(jìn)行監(jiān)控，同時(shí)可以遠(yuǎn)程開啟視頻監(jiān)控，防止誤報(bào)信息，從而更好地防止火災(zāi)發(fā)生。本設(shè)計(jì)系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下運(yùn)行測(cè)試良好，能夠?qū)怯罨馂?zāi)環(huán)境更好地進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

［1］孫亭，楊永田，李立宏.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀［J］.電子技術(shù)應(yīng)用，2006（6）：1-5.SUN Tin，YANG Yongtian，LI Lihong.Development Status ofWireless Sensor Network［J］.Application of Electronic Technique，2006（6）：1-5.

［2］廖曙江，邢佳佳，陳睿迪.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的遠(yuǎn)程建筑消防水壓實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)［J］.自動(dòng)化與儀器儀表，2012（5）：16-20.LIAO Shujiang，XING Jiajia，CHEN Ruidi.Based on Technology of Internet of Building Fire Water Pressure Real-Time Remote Monitoring System［J］.Automation&Instrumentation，2012（5）：16-20.

［3］劉明巖，常寧.基于ZigBee和GPRS全無線火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.消防科學(xué)與技術(shù)，2015，34（5）：603-605.LIU Mingyan，CHANG Ning.Desion on a Fully Wireless Automatic Fire Alarm System Based on ZigBee and GPRS.［J］.Fire Science and Technology，2015，34（5）：603-605.

［4］張?chǎng)H，陳美伊，李壯，等.基于單片機(jī)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理及方案的比較分析與研究［J］.新型工業(yè)化，2014，4（2）：74-77.ZHANG Kun，CHEN Meiyi，LI Zhuang，et al.Based on Comparative Analysis and Research SCM Fire Alarm System Design Principles and Programs［J］.The Journal of New Industrialization，2014，4（2）：74-77.

［5］趙一夔.基于ARM Cortex-M3的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.西安：西安電子科技大學(xué)，2010：66-68.ZHAO Yikui.Research and Implementation of Embedded System Based on ARM Cortex-M3［D］.Xi'an：Xidian University，2010：66-68.

［6］王永虹，徐煒，郝立平.STM32系列ARM Cortex-M3微控制器原理與實(shí)踐［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008：76-88.WANG Yonghong，XU Wei，HAO Liping.The Principle and Practice of STM32 Series ARM Cortex-M3 Microcontroller［M］.Beijing：Beihang University Press，2008：76-88.

［7］姚春.ZigBee在大數(shù)量節(jié)點(diǎn)應(yīng)用中的問題研究［J］.微計(jì)算機(jī)信息，2009（1）：3-5.YAO Chun.The Researc on Zigbee Problems of Application with a mass of Nodes［J］.Microcomputer Information，2009（1）：3-5.

［8］馬忠梅.ARM Cortex核TI微控制器原理與應(yīng)用［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2011（1）：80-81.MA Zhongmei.Principle and Application of ARM Cortex Core TI Microcontroller［M］.Beijing：Beihang University Press，2011（1）：80-81.

［9］田澤.嵌入式系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005：42-45.TIAN Ze.Development and Application of Embedded System［M］.Beijing：Beihang University Press，2005：42-45.

［10］石剛，井元偉，徐皚冬.嵌入式網(wǎng)絡(luò)化裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.儀器儀表學(xué)報(bào)，2005，26（8）：528-531.SHI Gang，JING Yuanwei，XU Aidong.The Design and Implementation of the Embedded Network Device［J］.Chinese Journal of Scientific Instrument，2005，26（8）：528-531.

［11］程金龍.基于GPRS與STM32的AMRS集中器的研究及設(shè)計(jì)［D］.武漢：華中科技大學(xué)，2013：36-39.CHENG Jinlong.A Thesis Submitted in Partial Fulfillment of the Requir ements for the Degree of Master of Engineering［D］.Wuhan：Huazhong University of Science&Technology，2013：36-39.

Design of Wireless Intelligent Building Fire Alarm System Based on LM3S9B96

LIU XiaozhaoWANG Chen
（Institute of Electrical and Information Technology，Suzhou Institute of Trade&Commence，Suzhou 215009）

In this paper，aiming at the existing problems of building fire fire alarm system，the LM3S9B96 based wireless smart building fire alarm system is designed.The system is proposed the LM3S9B96 and CC2530 combined with design of wireless communication node.Zigbee network node CC2530 is used to building environment data information.It is throughing the GPRS data network to transmit data to web server.The paper has realized the remote real-time monitoring of the building environment.

wireless，ZigBee，CC2530

TP39

10.3969/j.issn.1672-9722.2017.11.046

Class Number TP39

2017年5月6日，

2017年6月27日

蘇州市科技應(yīng)用基礎(chǔ)研究計(jì)劃項(xiàng)目（編號(hào)：SYN201524）；蘇州市相城區(qū)重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新專項(xiàng)（編號(hào)：XJ201520）資助。

劉孝趙，男，碩士研究生，實(shí)驗(yàn)師，研究方向：嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用。