時(shí)元振

（山東工程職業(yè)技術(shù)大學(xué)，山東 濟(jì)南 250200）

0 引言

目前我國使用天然氣及液化氣的人口數(shù)量眾多，然而家用燃?xì)庑孤﹩栴}常常會(huì)帶來巨大風(fēng)險(xiǎn)。據(jù)2021年第七次全國人口普查所公開的數(shù)據(jù)顯示，截至2020年底，我國60 歲及以上的人口已經(jīng)達(dá)到2.64 億，占比全國總?cè)丝诘?8.7%，許多社區(qū)的空巢老人的占比也在不斷增加。由于老年人生理功能逐漸衰退、記憶力逐漸減弱，以及部分社區(qū)室內(nèi)燃?xì)夤艿览匣仍?，使得室?nèi)燃?xì)庑孤┏蔀榘l(fā)生燃?xì)庵卸竞突馂?zāi)事故的主要原因。隨著物聯(lián)網(wǎng)智能家居產(chǎn)品的不斷發(fā)展，架設(shè)燃?xì)獾闹腔郾O(jiān)測系統(tǒng)成為保證燃?xì)馐褂冒踩闹匾侄巍?/p>

ZigBee 技術(shù)具有多節(jié)點(diǎn)自組網(wǎng)的優(yōu)勢，通常傳感信息采集是由終端節(jié)點(diǎn)完成的[1-2]。在室內(nèi)或者社區(qū)統(tǒng)一加裝基于ZigBee 技術(shù)的燃?xì)鈭?bào)警系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)并相對準(zhǔn)確地測量室內(nèi)環(huán)境中的可燃性氣體濃度；根據(jù)氣體濃度采取遠(yuǎn)程保護(hù)措施，例如打開排風(fēng)和噴淋等系統(tǒng)，可以有效地避免液化氣中毒、爆炸等安全問題，從而加強(qiáng)對社區(qū)居民的保護(hù)。為解決上述燃?xì)馐褂眠^程中的安全問題，本文設(shè)計(jì)一種基于ZigBee技術(shù)及OneNET 云平臺(tái)的多節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)燃?xì)獗O(jiān)測系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用STM32F103ZET6 芯片作為系統(tǒng)的主控制器，MQ2 氣體傳感器采集可燃?xì)怏w的濃度信息，然后經(jīng)過CC2530 進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行初步處理后通過ZigBee 組網(wǎng)發(fā)送給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器可以將多節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯集，統(tǒng)一發(fā)送給STM32F103ZET6 主控芯片。STM32 系列芯片是常用于智能家居網(wǎng)關(guān)的芯片，因此采用STM32 系列芯片可以兼容常見的其他智能家居系統(tǒng)[3-5]。在主控中添加了室內(nèi)的溫濕度采集模塊DHT11，同時(shí)繼電器模塊連接到主控芯片，最后通過WiFi 模塊將信息上傳到OneNET 云端進(jìn)行實(shí)時(shí)云端監(jiān)控，用戶或集中管理端可以通過云端界面遠(yuǎn)程調(diào)控頁面對其進(jìn)行處理，如果燃?xì)鉂舛瘸瑯?biāo)可以通過繼電器開關(guān)控制排風(fēng)系統(tǒng)或噴淋系統(tǒng)，控制界面可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和遠(yuǎn)程控制開關(guān)繼電器，從而實(shí)時(shí)進(jìn)行多節(jié)點(diǎn)燃?xì)獗O(jiān)測。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

圖1 智慧燃?xì)獗O(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

為了實(shí)現(xiàn)多節(jié)點(diǎn)的燃?xì)庑畔⒈O(jiān)測，系統(tǒng)中采用了ZigBee技術(shù)。ZigBee 技術(shù)具有多節(jié)點(diǎn)自組網(wǎng)的優(yōu)勢，多個(gè)終端監(jiān)測信息后可以匯聚到路由器或者協(xié)調(diào)器進(jìn)行匯總。通常情況下ZigBee 的通信距離可以達(dá)到百米左右，而且可以通過增加通信功率的方式繼續(xù)增大其通信距離，因而該系統(tǒng)可以面向居民比較密集的社區(qū)，對社區(qū)中不同用戶室內(nèi)的燃?xì)鉂舛刃畔⑦M(jìn)行統(tǒng)一采集與管理，從而提高社區(qū)整體的燃?xì)馐褂冒踩浴?/p>

2 硬件設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

2.1 硬件設(shè)計(jì)

CC2530 單片機(jī)是德州儀器（TI）公司生產(chǎn)的8 位主控芯片，屬于增強(qiáng)型8051 系列CPU，支持Z-Stack 協(xié)議棧，可以實(shí)現(xiàn)自組網(wǎng)功能，本文用以實(shí)現(xiàn)ZigBee 的多節(jié)點(diǎn)無線通信。ZigBee 組網(wǎng)采集系統(tǒng)由MQ2 燃?xì)獗O(jiān)測模塊、CC2530終端節(jié)點(diǎn)以及協(xié)調(diào)器共同構(gòu)成。MQ2 氣體傳感器通常可以用于液化氣、甲烷及一氧化碳等氣體監(jiān)測，該模塊可以將濃度數(shù)值轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的模擬電壓值，然后經(jīng)過CC2530 進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。終端節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)采集濃度信息，本系統(tǒng)采用多節(jié)點(diǎn)測量的方式，多個(gè)終端節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器之間采用點(diǎn)播發(fā)送的信息傳送模式，多節(jié)點(diǎn)點(diǎn)播組網(wǎng)發(fā)送燃?xì)鉂舛刃畔⒌暮瘮?shù)定義如下：

ZigBee 協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)匯聚各個(gè)終端的信息，同時(shí)通過串口將數(shù)據(jù)發(fā)送到STM32 主控網(wǎng)關(guān)；此外為了組合智能家居的發(fā)展，主控融合了常用的溫濕度采集DHT11 模塊，主控將多節(jié)點(diǎn)的燃?xì)鉂舛扰c溫濕度等信息組合后發(fā)布到云端。本系統(tǒng)的網(wǎng)關(guān)由MCU、無線通信模塊和供電模塊組成[6-7]，其中MCU 選用型號為意法半導(dǎo)體的STM32F103ZET6 芯片；網(wǎng)關(guān)部分還可以兼容其他的智能家居常用的傳感器，例如本設(shè)計(jì)中所包含的DHT11 溫濕度傳感模塊，用于實(shí)時(shí)測量室內(nèi)的溫濕度；無線通信模塊選擇ESP8266 模塊，STM32 與ESP8266 模塊采用串口方式通信，波特率設(shè)置為115 200；系統(tǒng)測試采用USB 供電。圖2 為測試選用的ZigBee 和STM32 硬件開發(fā)板實(shí)物。

圖2 硬件實(shí)物

2.2 OneNET 云端監(jiān)測界面

OneNET 云平臺(tái)[8-11]是中國移動(dòng)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)打造的開放平臺(tái)，可以適配多種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和協(xié)議類型。本系統(tǒng)的觀測界面采用OneNET 移動(dòng)云端對多個(gè)節(jié)點(diǎn)的濃度信息進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測。當(dāng)硬件驅(qū)動(dòng)程序燒錄完成且硬件設(shè)備組網(wǎng)成功之后，多個(gè)節(jié)點(diǎn)的燃?xì)鉂舛葏?shù)和室內(nèi)溫濕度數(shù)據(jù)等信息通過STM32 網(wǎng)關(guān)并經(jīng)由ESP8266 聯(lián)網(wǎng)模塊上傳發(fā)送至移動(dòng)OneNET 云服務(wù)器，云平臺(tái)與設(shè)備端網(wǎng)關(guān)的ESP8266 模塊間通過MQTT 協(xié)議進(jìn)行通信。OneNET 云端界面具有快速編輯的優(yōu)勢，其觀測界面較為精簡、易于控制且觀測便捷。網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)以發(fā)布和訂閱MQTT 報(bào)文的方式與移動(dòng)OneNET 云服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信；本系統(tǒng)在觀測界面設(shè)置兩組燃?xì)鉂舛扔^測數(shù)值，同時(shí)也包括室內(nèi)溫濕度的實(shí)時(shí)信息；在界面中還可以通過點(diǎn)擊開關(guān)按鈕，實(shí)時(shí)控制與網(wǎng)關(guān)相連的繼電器等外圍設(shè)備，實(shí)現(xiàn)相關(guān)電器的管理與控制，例如通過在界面中設(shè)置的繼電器開關(guān)按鈕可以方便快捷地控制室內(nèi)的排風(fēng)和噴淋等安全輔助設(shè)備，以便于在燃?xì)庑孤┦鹿拾l(fā)生時(shí)可以快速地進(jìn)行反應(yīng)。

本案例以雙節(jié)點(diǎn)終端為例，圖3 為某時(shí)刻兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的燃?xì)鉂舛群蜏貪穸刃畔⒃贠neNET 端的數(shù)據(jù)顯示界面。如果需要繼續(xù)添加終端節(jié)點(diǎn)，可以在ZigBee 組網(wǎng)系統(tǒng)中繼續(xù)添加采集終端，在點(diǎn)播組網(wǎng)程序中更改不同終端節(jié)點(diǎn)的ID 即可完成組網(wǎng)。在增強(qiáng)天線的作用下，ZigBee 的組網(wǎng)距離可以達(dá)到上百米，因此系統(tǒng)可以面向人口密度較高的社區(qū)，進(jìn)行集體化的安全檢測，確保整個(gè)社區(qū)內(nèi)燃?xì)庥脩舻陌踩?/p>

圖3 OneNET 云端的燃?xì)獗O(jiān)測界面

3 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了基于ZigBee 技術(shù)的多節(jié)點(diǎn)室內(nèi)燃?xì)庑孤┍O(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)的優(yōu)勢為可進(jìn)行多節(jié)點(diǎn)的燃?xì)鈱?shí)時(shí)監(jiān)測，并且易于兼容其他的智慧家居系統(tǒng)。系統(tǒng)構(gòu)成主要為STM32F103ZET6主控模塊、ESP8266、ZigBee 終端及協(xié)調(diào)器，監(jiān)測及控制界面部分由移動(dòng)OneNET 云端界面實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)將MQ2 測得的燃?xì)鉂舛刃畔⒔?jīng)終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并通過WiFi 上傳至云平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示，在云端界面可以通過點(diǎn)擊開關(guān)按鈕控制繼電器打開相關(guān)的安全設(shè)備。本系統(tǒng)的總體成本較低，可應(yīng)用于密集型社區(qū)中眾多燃?xì)庥脩舻陌踩雷o(hù)。