基于物聯網技術的家庭火災監控硬件系統

張科強 池雄飛 石艷玲鄂爾多斯職業學院基金項目：鄂爾多斯職業學院科研基金項目（ZK2010A002）

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基于物聯網技術的家庭火災監控硬件系統

張科強 池雄飛 石艷玲
鄂爾多斯職業學院
基金項目：鄂爾多斯職業學院科研基金項目（ZK2010A002）

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評估值30萬

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行業曲線

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本文提出了一種基于物聯網的嵌入式家庭火災監控系統。以氣體、煙霧、溫度、紅外線等傳感器組成信號采集電路，以ZigBee單芯片CC2430為核心，構建信息采集無線網絡平臺，以RT3052為控制、處理核心搭建網關控制平臺，使無線網絡通信平臺接入Internet，實現了遠程監控。

隨著人們對居住環境的要求越來越高，家用設施的安全管理成為人們迫切需要，而現有的監控系統集成度低，布線麻煩，監測精度低及遠程監控實時性差等缺點，遠遠達不到人們的期望。而科學技術的發展，特別是物聯網技術的日益成熟，對滿足人們的期望提供了技術支撐。本文研究的重點是以物聯網技術為基礎，提出一種嵌入式家庭火災監控系統設計方案。

火災監控系統整體結構

本監控系統其整體結構示意圖如圖1所示，功能主要分為兩個部分：基于ZigBee技術的無線傳感器網絡和智能網關。其中無線傳感器網絡以各種傳感器構成感知采集系統，以CC2430為信息傳輸控制核心；以路由芯片RT3025實現智能網關。無線傳感器網絡的監控數據通過智能網關與Internet交互，從而實現遠程監控。

無線傳感器網絡硬件設計

電源系統設計

無線傳感器網絡的終端節點上分布著多種傳感器，它們的工作電壓不全相同，為了方便設計，統一設成5V供電，本電源系統選擇了電源集成控制芯片LM2596-5。該電源集成控制芯片通過工作方式DC-DC將12V輸入轉化為5V輸出，而且外圍電路只需要4個元器件，簡化電源電路的設計，同時提高了電源系統的集成度和穩定性。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壓芯片LMS1117-3.3，將LM2596-5輸出的5V電壓轉為3.3V。

圖1 系統結構圖

圖2 MQ-2應用電路圖

煙霧傳感器設計

在火災中往往伴隨著煙霧，所以預防早期火災最有效辦法是對煙霧的及時檢測，盡早發現火災險情。本設計選擇MQ-2煙霧傳感器，此傳感器工作原理：當環境中的可燃氣體和煙霧的濃度增加時，MQ-2的電導率隨著增大。MQ-2工作時需要兩個電壓：加熱電壓UH 和回路電壓UC，加熱電壓為該傳感器工作電壓，回路電壓用于測量傳感器串聯負載上的電壓，在設計中，加熱電壓UH 和回路電壓UC統一設為5V。其電路圖如圖2所示。

氣體傳感器設計

天然氣泄漏成為家庭火災發生和氣體中毒的主要原因。實時監測天然氣濃度，防止火災的發生，具有重要意義。本設計選用MQ-7型CO氣體傳感器，其工作原理為：當空氣中的CO濃度增加時，CO氣體傳感器敏感層的電阻減小。其應用電路圖與MQ-2一樣。

熱釋電紅外線傳感器設計

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。本設計采用智能型檢測傳感器SPS532CA，本芯片主要用于火災監測和氣體分析研究。

溫度傳感器設計

溫度傳感器DS18B20是一款單總線的數字式溫度傳感器，測溫范圍在-55～125℃之間，DS18B20包含唯一產品序列號，從而實現多個DS18B20 連接到總線上。當傳感器正常工作時，用讀溫度指令，直接從溫度寄存器中讀取溫度信息。

ZigBee節點設計

在完成傳感器的設計后，用ZigBee CC2430芯片和以上多種傳感器構建終端采集節點，再由這些終端采集節點，構建信息采集無線網絡通信平臺。ZigBee網絡拓撲結構常用的形式有三種：星形、樹形、網狀結構。本設計采用網狀結構，網狀結構比星形和樹形結構通信率和容錯率都大大提高。

智能網關硬件設計

智能網關硬件結構主要由由CC2430收發模塊、RT3052、兩路射頻天線、電源電路模塊、以太網接口以及存儲器模塊組成。

1）主芯片選型設計：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，同時滿足了系統平臺的處理能力。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據傳入Internet中。

2）存儲器芯片選型設計：因為需要在網關平臺上移植Wince系統，加載用于數據存儲的數據庫、運算火災判斷算法、發手機短信應用程序及其它必備的應用程序，所以必須對其存儲器芯片選型，滿足平臺的需要。在SDRAM方面：選擇2片M12L128168A，其存儲容量為32M。在flash存儲器方面：選擇MX29LV320DBTI芯片，該容量為4M。

結束語

本文主要介紹了家庭火災檢測中無線傳感器網絡和智能網關硬件設計，本系統已經過簡單的調試，整個系統在采、處理、收發數據穩定。

10.3969/j.issn.101- 8972.2016.12.015