0 引言

    燃?xì)獾臋z測(cè)和報(bào)警處理是確保家用燃?xì)獍踩挠行緩街唬瑫r(shí)也是家庭安全防范的重要組成部分。日常生活中，造成燃?xì)庑孤┑闹饕蛴腥細(xì)饽z管破裂未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)、做飯期間中途離開(kāi)等。當(dāng)燃?xì)庑孤r(shí)，未及時(shí)處理導(dǎo)致燃?xì)鉂舛冗^(guò)高而產(chǎn)生爆炸，由此造成巨大生命財(cái)產(chǎn)損失^[1]。目前市場(chǎng)上的燃?xì)鈭?bào)警器只能簡(jiǎn)單地滿足報(bào)警需求，同時(shí)存在誤報(bào)和漏報(bào)警現(xiàn)象，無(wú)法及時(shí)將報(bào)警信號(hào)同時(shí)發(fā)送到用戶和小區(qū)監(jiān)控中心，不能及時(shí)應(yīng)急處理。而且燃?xì)鈭?bào)警器功能單一，無(wú)法滿足燃?xì)馐褂眠^(guò)程中的安全需求，存在諸多局限性^[2]。為了彌補(bǔ)以往燃?xì)鈭?bào)警系統(tǒng)的不足，本文設(shè)計(jì)了一種基于無(wú)線通信技術(shù)的燃?xì)鈭?bào)警系統(tǒng)，當(dāng)燃?xì)庑孤r(shí)，室內(nèi)啟動(dòng)聲光報(bào)警和開(kāi)啟門窗、排風(fēng)扇，以降低燃?xì)鉂舛龋苊獗ㄎｋU(xiǎn)，并通過(guò)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)將報(bào)警信號(hào)同時(shí)發(fā)送到用戶和小區(qū)監(jiān)控中心，以便及時(shí)處理燃?xì)庑孤?sup>[3]。本文設(shè)計(jì)采用較穩(wěn)定的雙向無(wú)線ZigBee通信技術(shù)，處理器采用Freescale公司Cortex-A9處理器，運(yùn)算能力強(qiáng)，易于擴(kuò)展，同時(shí)利用GPRS移動(dòng)通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通信，增強(qiáng)系統(tǒng)可靠性。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

    本設(shè)計(jì)總體把報(bào)警系統(tǒng)分為室外報(bào)警、燃?xì)鈾z測(cè)、室內(nèi)處理三個(gè)部分，系統(tǒng)核心包括ZigBee傳感網(wǎng)絡(luò)、ZigBee網(wǎng)關(guān)、GPRS移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。ZigBee網(wǎng)絡(luò)采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)路由器接入無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)^[4]。當(dāng)傳感器的端節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到燃?xì)庑孤ㄟ^(guò)Z-Stack協(xié)議棧以無(wú)線傳輸形式發(fā)送給協(xié)調(diào)器端的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)模塊，然后通過(guò)其串口發(fā)送到處理器，經(jīng)處理后，通過(guò)聲光報(bào)警器發(fā)出報(bào)警信號(hào)，與此同時(shí)協(xié)調(diào)器端向主控單元發(fā)送控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)繼電器控制門窗、排風(fēng)扇的開(kāi)關(guān)的開(kāi)啟和關(guān)閉。其次經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器的報(bào)警信號(hào)由GPRS移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)以短信/固定撥號(hào)的形式把泄漏情況發(fā)送到用戶和小區(qū)監(jiān)控中心，等待下一步泄漏事故處理。把無(wú)線傳感技術(shù)和移動(dòng)通信技術(shù)充分結(jié)合實(shí)現(xiàn)雙重報(bào)警功能，運(yùn)用于家庭燃?xì)庑孤z測(cè)，具有布線簡(jiǎn)單、傳輸速率快的優(yōu)勢(shì)，能夠滿足不宜布線的室內(nèi)設(shè)計(jì)要求，增強(qiáng)家用燃?xì)獾陌踩浴?/p>

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

    為滿足燃?xì)鈭?bào)警系統(tǒng)的安裝方便和避免室內(nèi)不宜布線的實(shí)際情況，本文設(shè)計(jì)采用無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)，其硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。主要由處理器外圍電路、ZigBee模塊、GPRS模塊組成，遠(yuǎn)程報(bào)警采用GPRS移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)。本設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)在SIM900A模塊能夠?qū)崿F(xiàn)低功耗語(yǔ)音數(shù)據(jù)傳輸，采用分組交換技術(shù)的GPRS具有高速和實(shí)時(shí)在線的特點(diǎn)^[5-8]。采用高主頻Cortex-A9處理器，能夠提供高擴(kuò)展性和高功耗效率的解決方案，具有多種核數(shù)可以選用，其豐富的接口及強(qiáng)大的功能在各個(gè)領(lǐng)域都廣泛的應(yīng)用^[9]。采用CC2530模塊作為無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸，極高的性價(jià)和強(qiáng)大的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，對(duì)于此模塊而言，僅需配上電源、時(shí)鐘電路、串行調(diào)試模塊、天線模塊便可以正常工作^[10]。

2.2 傳感檢測(cè)與報(bào)警設(shè)計(jì)

    本設(shè)計(jì)燃?xì)庑孤z測(cè)由MQ-5半導(dǎo)體氣敏傳感器完成，對(duì)燃?xì)鈾z測(cè)具有很高靈敏度，同時(shí)具有快速的響應(yīng)恢復(fù)特性^[11]。圖3所示為傳感檢測(cè)節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)，由傳感器、傳感網(wǎng)絡(luò)模塊、外圍電路組成。

    本文設(shè)計(jì)雙重報(bào)警功能主要包括室內(nèi)報(bào)警處理和遠(yuǎn)程報(bào)警，其中室內(nèi)報(bào)警處理利用聲光報(bào)警器、繼電器控制門窗、排風(fēng)扇的開(kāi)關(guān)。遠(yuǎn)程報(bào)警主要是通過(guò)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)把報(bào)警信息傳輸?shù)接脩艉托^(qū)監(jiān)控中心。報(bào)警單元結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。繼電器作為一種電控制器件，常用于自動(dòng)化的控制電路，是優(yōu)先選擇的自動(dòng)開(kāi)關(guān)元件^[12]。本設(shè)計(jì)中門窗和排風(fēng)扇的自控正是運(yùn)用繼電器這一優(yōu)越性。當(dāng)傳感器檢測(cè)到燃?xì)鈺r(shí)，繼電器開(kāi)關(guān)工作，打開(kāi)排風(fēng)扇降低燃?xì)鉂舛龋稚⒂卸尽⒁妆镔|(zhì)濃度，防止二次危險(xiǎn)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

    根據(jù)整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，ZigBee芯片的開(kāi)發(fā)基于Z-Stack協(xié)議棧，采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)構(gòu)建無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)，并將軟件設(shè)計(jì)分為終端程序設(shè)計(jì)、網(wǎng)關(guān)程序設(shè)計(jì)、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)、傳感節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)。燃?xì)鈾z測(cè)報(bào)警終端軟件能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、報(bào)警等功能。系統(tǒng)通電后，單片機(jī)和各個(gè)模塊初始化，傳感器獲取燃?xì)庑孤┬畔?shù)據(jù)后上傳主控芯片中，經(jīng)單片機(jī)處理數(shù)據(jù)后發(fā)出報(bào)警指令，系統(tǒng)終端流程如圖5所示。

3.1 Z-Stack協(xié)議棧簡(jiǎn)述

    ZigBee的開(kāi)發(fā)基于Z-Stack協(xié)議棧，它是TI公司推出的符合ZigBee規(guī)范的平臺(tái)，采用分布式尋址方案，能夠完全適應(yīng)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境要求。該協(xié)議棧利用操作系統(tǒng)的思想構(gòu)建系統(tǒng)，當(dāng)系統(tǒng)初始化后，系統(tǒng)進(jìn)入低功耗，當(dāng)系統(tǒng)被呼喚后，開(kāi)始進(jìn)入終端處理數(shù)據(jù)信息。在進(jìn)行Z-Stack協(xié)議棧開(kāi)發(fā)時(shí)，需要理解協(xié)議棧中3個(gè)重要的變量：(1)taskCnt變量，主要保存任務(wù)總數(shù)；(2)taskEvent指針標(biāo)量，主要指向事件表的接收地址；(3)taskArr數(shù)組標(biāo)量，指向每一個(gè)處理函數(shù)，其數(shù)組每一項(xiàng)均為函數(shù)指針。Z-Stack協(xié)議棧具有強(qiáng)大的功能，其開(kāi)放式協(xié)議棧能夠適應(yīng)于大部分應(yīng)用設(shè)計(jì)^[13]。

3.2 ZigBee網(wǎng)關(guān)程序設(shè)計(jì)

    圖6所示為網(wǎng)關(guān)程序設(shè)計(jì)流程圖，首先各個(gè)模塊初始化后，ZigBee網(wǎng)關(guān)接收到傳感器節(jié)點(diǎn)上傳的燃?xì)鈾z測(cè)信號(hào)，通過(guò)繼電器打開(kāi)門窗、排風(fēng)扇并啟動(dòng)聲光報(bào)警，通過(guò)GPRS移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)將報(bào)警信號(hào)遠(yuǎn)程發(fā)送。

3.3 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)

    對(duì)于協(xié)調(diào)器而言，當(dāng)傳感器監(jiān)測(cè)到燃?xì)庑孤┬盘?hào)時(shí)，通過(guò)傳感器終端節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器，再通過(guò)串口把信息傳送到主控芯片，其流程如圖7所示。

3.4 傳感節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

    傳感節(jié)點(diǎn)軟件流程如圖8所示。傳感器模塊初始化后，首先檢測(cè)傳感器是否正常工作，然后采集數(shù)據(jù)，預(yù)警燃?xì)庑孤M(jìn)入無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)，開(kāi)啟聲光報(bào)警和門窗、排風(fēng)扇，并將數(shù)據(jù)上傳至協(xié)調(diào)器。

4 結(jié)語(yǔ)

    本文設(shè)計(jì)以ARM系列處理器為主控芯片，結(jié)合當(dāng)前先進(jìn)的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，從硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)等多方面深入在家庭燃?xì)庑孤z測(cè)報(bào)警系統(tǒng)的應(yīng)用。本設(shè)計(jì)采用CC2530模塊、SIM900A模塊實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的傳輸與通信功能，并采用高靈敏度的MQ-5半導(dǎo)體氣敏傳感完成了對(duì)家用燃?xì)庑孤z測(cè)報(bào)警功能。通過(guò)對(duì)傳感器與無(wú)線網(wǎng)絡(luò)模塊終端節(jié)點(diǎn)連接，監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)經(jīng)主控芯片處理后通過(guò)GPRS移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)傳輸給小區(qū)監(jiān)控中心和用戶，并實(shí)現(xiàn)室內(nèi)聲光報(bào)警和繼電器自控開(kāi)啟門窗、排風(fēng)扇，實(shí)現(xiàn)安全的雙重報(bào)警功能。本系統(tǒng)傳輸速率快、靈敏度高、成本低、功耗低；模塊化設(shè)計(jì)，便于功能擴(kuò)展，能夠滿足對(duì)家庭燃?xì)獾陌踩枨螅哂休^強(qiáng)的實(shí)際使用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1] 安靜怡.基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的室內(nèi)燃?xì)獗O(jiān)測(cè)系統(tǒng)[D].北京：北京郵電大學(xué)，2011.

[2] 王湘云，董大波，吳南健，等.基于短距離無(wú)線、有線通信的燃?xì)鈾z測(cè)報(bào)警系統(tǒng)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2013，39(7)：83-85.

[3] 馬科，陳和平，王志芳，等.基于移動(dòng)平臺(tái)的火災(zāi)短信報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2008，29(9)：2387-2389.

[4] 郭榮祥，陳樹(shù)樹(shù).基于ARM處理器與GPRS技術(shù)的水廠監(jiān)控系統(tǒng)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2010，29(19)：68-69.

[5] 朱恒軍，張玉龍，靳展，等.基于ZigBee的室內(nèi)空氣環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2015，41(2)：86-87.

[6] 張凱，陸鈞,孫躍.基于位置云技術(shù)的智能拼車匹配系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2013，39(8)：20-21.

[7] 呂鑫，王忠.GPRS數(shù)據(jù)傳輸模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2008(9)：17-20.

[8] 郭德強(qiáng)，馬駿，王宗俠，等.基于ARM平臺(tái)的UEFI開(kāi)發(fā)與移植[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2014，40(4)：11-14.

[9] 沈建華，郝立平.STM32w無(wú)線射頻ZigBee單片機(jī)原理與應(yīng)用[M].北京：北京航天航空大學(xué)出版社，2014.

[10] 任先平，章紅.基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的家用燃?xì)鈭?bào)警系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)技術(shù)與自動(dòng)化，2014(1)：142-143.

[11] 王顯維.基于MQ_5和AT89C51的煤礦瓦斯監(jiān)測(cè)報(bào)警器的設(shè)計(jì)[J].黑龍江科技信息，2014(13)：108.

[12] 高志峰，石永生，董明潔.基于CPLD的串口控制繼電器實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2013，11(4)：187-189.

[13] 俞雪婷，陳嵐，李瑩.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞谋O(jiān)控與維護(hù)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2012(4)：32-36.