基于ZigBee技術(shù)的無線智能家用燃?xì)鈭缶到y(tǒng)

楊曉明，施云波，修德斌，趙文杰，米繼耀，劉叢寧

（哈爾濱理工大學(xué) 測控技術(shù)與通信工程學(xué)院測控技術(shù)與儀器黑龍江省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱150080）

安全防范的報警系統(tǒng)是確保住宅、住戶安全的極為重要的途徑之一，同時也是數(shù)字化家庭的重要組成部分。

遇到煤氣泄漏等緊急情況時，及時對外報警求助就顯得十分必要[1]，成為人們生活中必不可少的部分。

本文設(shè)計的基于ZigBee技術(shù)的無線智能家用燃?xì)鈭缶到y(tǒng)是以CC2430為核心，與電話機(jī)網(wǎng)絡(luò)、語音電路及可燃性氣體傳感器相結(jié)合，通過無線節(jié)點(diǎn)的布網(wǎng)，實(shí)時監(jiān)測家用燃?xì)鈿怏w濃度來檢測是否有可燃性氣體泄漏，如果有泄漏并超過安全的范圍，通過ZigBee終端節(jié)點(diǎn)把數(shù)據(jù)傳到中心協(xié)調(diào)器，通過微控制器控制電話機(jī)模塊和語音模塊撥打求助電話，通知家人有安全隱患，并且同時將報警信號發(fā)送給小區(qū)的監(jiān)控中心。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

本智能監(jiān)測系統(tǒng)主要是由ZigBee無線模塊、電話機(jī)模塊、語音模塊、數(shù)據(jù)采集模塊，以及LCD顯示模塊組成。整個系統(tǒng)圍繞ZigBee模塊組網(wǎng)，在整個小區(qū)內(nèi)組建成網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)工作時，終端的ZigBee節(jié)點(diǎn)采用半功能的ZigBee節(jié)點(diǎn)設(shè)備，主要完成燃?xì)鈿怏w濃度的采集及數(shù)據(jù)的發(fā)送。終端節(jié)點(diǎn)把數(shù)據(jù)發(fā)送給中間路由或直接發(fā)送給中央?yún)f(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器會處理診斷傳來的數(shù)據(jù)，如果達(dá)到了預(yù)先設(shè)定好的濃度報警閾值，就會驅(qū)動電話網(wǎng)絡(luò)中的電話機(jī)模塊撥打預(yù)先設(shè)定好的電話號碼，通過模擬摘掛機(jī)的方式驅(qū)動語音模塊撥打設(shè)定好的電話號碼，如果電話占線或無人接聽還可撥打下一個電話號碼，這樣連續(xù)循環(huán)撥打，直到對方摘機(jī)。如果對方摘機(jī)就會聽到預(yù)先編錄好的語音模塊播放的相應(yīng)的語音[2]。在撥打電話號碼的同時，中央處理器也會驅(qū)動蜂鳴器報警，如果有人在家的情況下，還可以直接通過按鍵解除報警，直接看到LCD上的數(shù)據(jù)顯示結(jié)果，進(jìn)而直接采取相應(yīng)措施。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖Fig.1 Total block diagram of system

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

該系統(tǒng)主要由無線模塊、電源模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、電話機(jī)模塊、顯示模塊、蜂鳴報警、語音模塊等部分組成。

2.1 無線數(shù)據(jù)傳輸模塊

ZigBee技術(shù)是一種應(yīng)用于短距離、低速率下的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼夹g(shù)，是基于IEEE 802.15.4無線標(biāo)準(zhǔn)研制開發(fā)的。在PHY層，其頻段是免費(fèi)開放的，國內(nèi)主要應(yīng)用于2.4 GHz頻段，傳輸距離大約100 m，傳輸速率大約是250 Kb/s，各個頻段均采用直接序列擴(kuò)頻技術(shù)。為了避免其他無線通信干擾，采用碰撞避免機(jī)制，同時為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留專用時隙，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時的競爭和沖突。ZigBee提供了數(shù)據(jù)完整性檢查功能，具有加密功能，加密算法采用通用的AES-128加密算法[3]。本文采用以CC2430為內(nèi)核的ZigBee模塊，CC2430集成了RF射頻模塊與加強(qiáng)型的51模塊。CC2430有低功耗模式，在沒有數(shù)據(jù)發(fā)送的時候，前端節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠狀態(tài)，此時的耗電量僅為幾十微瓦。有中斷掛起時能夠很快地傳輸數(shù)據(jù)。針對小區(qū)的智能安防建設(shè)，采用mesh狀的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)模型如圖2所示。Mesh拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有自愈能力，安全性和可靠性高，其中的一個節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障時不會影響整個系統(tǒng)工作。可以通過其他冗余路由傳輸給中心協(xié)調(diào)器（基站），從而能夠使中心協(xié)調(diào)器有效地發(fā)送控制命令。

圖2 mesh網(wǎng)狀拓?fù)銯ig.2 mesh network topology

2.2 電源模塊

電源模塊主要是由TPS79533低壓穩(wěn)壓器輸出3.3 V電壓，其輸入電壓范圍是2.7～5.5 V，并具有較高的電源抑制比、超低噪聲、較好的電壓線性和負(fù)載瞬態(tài)效應(yīng)以及較小的電壓漂移。其具體電路如圖3所示。

圖3 電源模塊設(shè)計電路Fig.3 Power module circuit

此電源模塊采用5 V直流電源直接供電，通過穩(wěn)壓器穩(wěn)壓到3.3 V，也可以通過USB供電，如果作為前端節(jié)點(diǎn)或者受到環(huán)境因素影響，在沒有方便的電氣設(shè)備情況下，也可以采用3節(jié)干電池供電，在3種電源同時存在的情況下，電路會直接以最高電壓輸入為電源，其他則被屏蔽。此電路融合了3種電源的應(yīng)用，節(jié)點(diǎn)在任何場合隨意放置。通過TPS79533轉(zhuǎn)換3.3 V工作電壓；在輸入和GND之間增加上0.1 μF和 47 μF并聯(lián)的旁路電容，47 μF的電容可穩(wěn)定輸出，使輸入電平更加平滑。0.1 μF的小電容與GND相連，對高頻信號提供了一個對地通路。這樣，通過0.1 μF和47 μF兩只電容的并聯(lián)作為旁路電容可以獲得更大的濾波頻段，增強(qiáng)穩(wěn)定性，提高噪聲和紋波抑制。同樣，在輸出和GND之間也要增加同樣的并聯(lián)電容，使輸出更穩(wěn)定，并且可以獲得穩(wěn)定純凈的電壓輸出。由于穩(wěn)壓器的內(nèi)部參考電壓的噪聲是穩(wěn)壓器本身噪聲的主要來源[4]。TPS79533的PASS引腳通過一個250 kΩ電阻連接到參考電壓上。這樣內(nèi)部250 kΩ的電阻連同外部連接的0.01 μF的電容構(gòu)成一個低通濾波器來減少參考電壓的噪聲和輸出噪聲。

2.3 數(shù)據(jù)采集模塊

采用催化燃燒式氣體傳感器TGS6812，TGS6812適用于檢測氫氣、甲烷和液化石油氣等可燃性氣體，傳感器精度高、持久耐用、穩(wěn)定可靠、響應(yīng)快速和線性輸出的良好特性。所以TGS6812是檢測家用燃?xì)獾牧己媒鉀Q方案[5]，其內(nèi)部大致結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

圖4 TGS6812內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖Fig.4 Internal structure of TGS6812

TGS6812由易燃?xì)怏w敏感的元件D和對易燃?xì)怏w不敏感的基準(zhǔn)元件C組成。當(dāng)可燃?xì)怏w存在時，將在D檢測元件上燃燒，造成溫度上升，D元件的電阻將會增加，從而使輸出電壓相應(yīng)被改變。測量這個電壓值，通過計算可以求得可燃?xì)怏w的濃度。當(dāng)在空氣中時，受到環(huán)境溫度的影響，傳感器也會有零點(diǎn)輸出，所以應(yīng)用LM158設(shè)計差動增益可調(diào)的放大電路來抑制零點(diǎn)漂移，具體設(shè)計電路如圖5所示。

圖5 傳感器變送電路Fig.5 Sensor transmitter circuit

通過調(diào)節(jié)變位器R4，使后面由以LM158構(gòu)成的差動放大電路的差動輸入為0，可以減少環(huán)境溫度造成的誤差，進(jìn)一步對溫度影響進(jìn)行補(bǔ)償。通過調(diào)節(jié)電位器R11可以使輸出穩(wěn)定在0～3 V，便于進(jìn)行轉(zhuǎn)化成標(biāo)準(zhǔn)的濃度計算。

2.4 電話機(jī)模塊

本系統(tǒng)采用某電子公司的電話芯片設(shè)計的電話機(jī)模塊，模塊上集成了51內(nèi)核的處理器，擁有獨(dú)立的電話接口，具備DTMF信號檢測功能，振鈴檢測功能，信號音檢測功能，可以通過繼電器的釋放與否來模擬電話的摘掛機(jī)。模塊內(nèi)部固化了完整的串口協(xié)議指令，例如撥打電話號碼，中心協(xié)調(diào)器可以通過串口直接發(fā)送“ATD+110+enter”，如果撥打成功，電話機(jī)模塊會通過串口反饋給協(xié)調(diào)器“OK”，否則反饋“ERROR”。這種協(xié)議可以方便中心協(xié)調(diào)器通過串口發(fā)送協(xié)議指令控制電話機(jī)模塊，從而撥打電話報警，減少系統(tǒng)的復(fù)雜性。

2.5 語音模塊

語音模塊采用ISD1110語音芯片，其單片錄放時間10 s，并具有唯一的錄音控制和邊緣/電平觸發(fā)兩種放音控制，大大提高控制的靈活性。在錄放操作結(jié)束后，ISD1110自動進(jìn)入低功耗節(jié)電模式，其片內(nèi)有EEPROM單元信息可在無需后備電源的情況下保存錄好的語音信息。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計部分主要是由以CC2430為核心的MCU的中心協(xié)調(diào)器組建mesh網(wǎng)絡(luò)部分、數(shù)據(jù)處理診斷部分和電話語音報警部分構(gòu)成。

3.1 系統(tǒng)主程序

主程序流程圖如圖6所示。

主程序流程主要是MCU進(jìn)行數(shù)據(jù)初始化，啟動stack組建網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)組建成功后等待其他節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)。如果沒有事件觸發(fā)，系統(tǒng)則進(jìn)入休眠省電狀態(tài)；如果有觸發(fā)事件發(fā)生，則進(jìn)一步判斷是否是數(shù)據(jù)接收事件。如果不是數(shù)據(jù)觸發(fā)事件，則進(jìn)入相應(yīng)的中斷程序進(jìn)行處理；如果是數(shù)據(jù)接收事件觸發(fā)，則進(jìn)行數(shù)據(jù)處理診斷，轉(zhuǎn)化成標(biāo)準(zhǔn)的氣體濃度，然后通過LCD顯示模塊顯示出來[6]。判斷是否達(dá)到濃度的預(yù)警值，如果達(dá)到預(yù)警值，則啟動語音模塊報警。報警結(jié)束后繼續(xù)進(jìn)入等待事件狀態(tài)。

圖6 主程序流程圖Fig.6 Flow chart of main program

3.2 組建網(wǎng)絡(luò)流程

組建網(wǎng)絡(luò)的流程圖主要是系統(tǒng)設(shè)置初始化，通過按鍵來設(shè)置設(shè)備的邏輯類型，然后進(jìn)行系統(tǒng)復(fù)位，復(fù)位后啟動協(xié)議棧，判斷協(xié)議棧是否啟動成功，如果啟動失敗，觸發(fā)START_EVT事件繼續(xù)啟動協(xié)議棧，直到協(xié)議棧啟動成功，然后把協(xié)調(diào)器設(shè)置成允許其他節(jié)點(diǎn)自動加入網(wǎng)絡(luò)，則建網(wǎng)成功[7]。具體建網(wǎng)流程圖如圖7所示。

圖7 建網(wǎng)流程圖Fig.7 Flow chart of building network

3.3 語音報警流程

報警電路流程首先是系統(tǒng)的初始化，循環(huán)計數(shù)清0，開始進(jìn)入監(jiān)測狀態(tài)，當(dāng)濃度達(dá)到報警值時，開始模擬摘機(jī)，然后判斷是否是撥號音，如果不是則繼續(xù)模擬摘機(jī)，是撥號音則開始撥預(yù)置的電話號碼，撥號循環(huán)計數(shù)加1，進(jìn)行延時等待2 s，判斷是否有回鈴音，沒有回鈴音繼續(xù)等待，有則進(jìn)一步判斷對方是否摘機(jī)，沒摘機(jī)則繼續(xù)等待，當(dāng)?shù)却龝r間超過1 min時，則判斷預(yù)置電話號碼是否播完，如果沒有播完則進(jìn)行撥打下一個電話號碼。對方摘機(jī)成功則啟動語音模塊播放錄音，然后掛機(jī)。具體流程如圖8所示。

圖8 語音報警流程圖Fig.8 Flow chart of voice alarm

4 實(shí)驗(yàn)過程中的關(guān)鍵點(diǎn)分析

首先，在選擇組網(wǎng)過程中，mesh網(wǎng)絡(luò)功能強(qiáng)大健壯且具有自修復(fù)能力，但這是以增加更多冗余路由為代價的，會增大網(wǎng)絡(luò)的能量消耗以及成本，所以在組建網(wǎng)絡(luò)的同時，要折衷處理網(wǎng)絡(luò)成本和網(wǎng)絡(luò)健壯性。再次，ZigBee的功率超低，這對于無線電系統(tǒng)來說是一大優(yōu)點(diǎn)，因此必須能夠?qū)φ麄€系統(tǒng)進(jìn)行低功耗設(shè)計。為了充分優(yōu)化電源的使用和電池壽命，有必要投入大量的時間去優(yōu)化功耗，同時應(yīng)當(dāng)處理對數(shù)據(jù)反應(yīng)時間與電池的壽命進(jìn)行折衷。最后，為了驗(yàn)證設(shè)備的互操作性，往往需要購買ZigBee開發(fā)公司不同的產(chǎn)品。在開發(fā)期間利用另外一臺經(jīng)過認(rèn)證的ZigBee系統(tǒng)進(jìn)行互操作，能夠有助于把產(chǎn)品的性能及兼容性做最好的優(yōu)化。

5 結(jié)束語

該系統(tǒng)設(shè)計的家用燃?xì)鈭缶到y(tǒng)采用CC2430作為控制器，其內(nèi)部集成了RF射頻、加強(qiáng)型51單片機(jī)、A/D轉(zhuǎn)換等，使得系統(tǒng)的整體設(shè)計體積小、外圍電路簡單、降低系統(tǒng)功耗、抗干擾能力強(qiáng)。該系統(tǒng)不僅可以應(yīng)用于家庭報警，而且易于拓展成智能小區(qū)監(jiān)測平臺，有很廣闊的市場應(yīng)用前景。

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