基于嵌入式的火災(zāi)檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

徐志剛

摘 要： 研究一種基于嵌入式的火災(zāi)檢測系統(tǒng)，通過應(yīng)用無線技術(shù)和嵌入式技術(shù)設(shè)計(jì)火災(zāi)檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)地采集火災(zāi)因子，并采用無線通信和路由傳輸?shù)姆绞綄?shù)據(jù)傳輸?shù)教幚砥髦校M(jìn)而生成火災(zāi)決策和預(yù)警。互聯(lián)網(wǎng)以及手機(jī)監(jiān)測中心可以采用無線通信方法及時(shí)地獲取預(yù)警信息和環(huán)境參數(shù)，根據(jù)所監(jiān)測的煙塵、大氣壓、溫度以及相對濕度等信息來綜合分析森林環(huán)境狀況，進(jìn)而有效地預(yù)報(bào)火災(zāi)，避免森林火災(zāi)產(chǎn)生較大的經(jīng)濟(jì)損失。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

關(guān)鍵詞： 嵌入式技術(shù)； 無線傳感網(wǎng)絡(luò)； 火災(zāi)檢測； 實(shí)時(shí)監(jiān)測

中圖分類號： TN911.23?34； TP27 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）10?0168?04

Abstract： A fire detection system based on embedded technology is studied. The wireless technology and embedded technology are used to design the fire detection system. The system can collect the fire factor in real time， and uses the modes of wireless communication and route transmission to transmit the data to the processor， so as to generate a fire decision， and perform the early warning. The wireless communication method is adopted in Internet and mobile phone monitoring center to acquire the early warning information and environmental parameters timely. According to the monitored smoke， atmospheric pressure， temperature， relative humidity and other information， the environmental condition of the forest is analyzed comprehensively to forecast the fire effectively， and avoid the economic losses caused by forest fire. The experimental results show that the system has reached the expected target.

Keywords： embedded technology； wireless sensor network； fire detection； real?time monitoring

在特定環(huán)境以及人民活動(dòng)范圍逐漸提升的過程中我國的森林火災(zāi)事件頻頻出現(xiàn)。森林火災(zāi)具有危害性大以及難以預(yù)測的特性。由于森林火災(zāi)的危害性和普遍性以及森林資源的珍貴性使得森林防火的重要性越來越大，所以應(yīng)當(dāng)通過對高效精確技術(shù)手段的應(yīng)用來有效地預(yù)警和監(jiān)測森林火災(zāi)[1?2]。

通過對無線技術(shù)和嵌入式技術(shù)的應(yīng)用所設(shè)計(jì)的火災(zāi)檢測系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)地采集火災(zāi)因子，采用無線通信和路由傳輸?shù)姆绞綄?shù)據(jù)傳輸?shù)教幚砥髦校M(jìn)而生成火災(zāi)決策和預(yù)警。互聯(lián)網(wǎng)以及手機(jī)監(jiān)測中心可以采用無線通信方法及時(shí)地獲取預(yù)警信息和環(huán)境參數(shù)，根據(jù)所監(jiān)測的煙塵、大氣壓、溫度以及相對濕度等信息來綜合分析森林環(huán)境狀況，進(jìn)而有效地預(yù)報(bào)火災(zāi)，避免森林火災(zāi)產(chǎn)生較大的經(jīng)濟(jì)損失[3?4]。

1 火災(zāi)檢測系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

森林具有數(shù)目分布隨機(jī)、面積廣以及距離短的特點(diǎn)，因此本文以ZigBee技術(shù)為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)了一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來監(jiān)控森林火災(zāi)。作為一種自組織、低復(fù)雜度、近距離、低功耗以及低成本的無線組網(wǎng)通信技術(shù)，ZigBee技術(shù)具有有線系統(tǒng)所不具有的優(yōu)勢，能夠以較為靈活的方式進(jìn)行安裝和布置，同時(shí)具有較高的可靠性、較低的能耗以及低廉的安裝費(fèi)用等優(yōu)勢，因此在實(shí)時(shí)監(jiān)測森林火災(zāi)的過程中能夠發(fā)揮非常重要的作用[5?6]。

系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。外部通信網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)、終端設(shè)計(jì)以及主控制器是本文所設(shè)計(jì)火災(zāi)檢測系統(tǒng)的主要組成部分。其中終端節(jié)點(diǎn)、路由器以及協(xié)調(diào)器是無線數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)的三種功能節(jié)點(diǎn)，通過自組織這三種功能節(jié)點(diǎn)能夠組成無線通信網(wǎng)絡(luò)，各種傳感器組成了終端設(shè)備，在風(fēng)力、煙霧濃度以及溫度等森林環(huán)境參數(shù)監(jiān)測的過程中能夠發(fā)揮非常重要的作用。

主控制器，也就是嵌入式網(wǎng)關(guān)，該部分為系統(tǒng)的主要控制部分，需要將系統(tǒng)外部網(wǎng)絡(luò)與內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)連接起來；另外利用ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崟r(shí)地監(jiān)測智能終端設(shè)備[7]。內(nèi)部網(wǎng)路，也就是無線數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)，多個(gè) CC2530 模塊組成了這種網(wǎng)絡(luò)。模塊中包含終端節(jié)點(diǎn)、路由器以及解調(diào)器三種類型的節(jié)點(diǎn)，通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)⒔K端節(jié)點(diǎn)上所采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器，然后利用UART接口協(xié)調(diào)器能夠?qū)?shù)據(jù)傳輸?shù)角度胧骄W(wǎng)關(guān)中。傳感器主要包含風(fēng)力傳感器、氣體傳感器以及溫濕度傳感器等，主要在內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的終端節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行安裝，主要對目標(biāo)區(qū)域的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行采集。

外部網(wǎng)絡(luò)， Internet，用戶通過外部網(wǎng)絡(luò)能夠遠(yuǎn)程訪問整個(gè)系統(tǒng)[8]。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 嵌入式模塊硬件設(shè)計(jì)

作為一種中央處理器架構(gòu)，ARM架構(gòu)和PC 常用的X86比較類似，這種架構(gòu)具有穩(wěn)定性高、效率高、成本低以及功耗低的特點(diǎn)，因此在嵌入式設(shè)備的應(yīng)用非常廣泛[9]。本文在設(shè)計(jì)的過程中對S3C2440A 處理器進(jìn)行了應(yīng)用。

（1） 供電電路。本文設(shè)計(jì)的嵌入式系統(tǒng)中使用 5 V，3.3 V及1.25 V 三種電壓供電。5 V和3.3 V電壓為存儲器和外部設(shè)備供電，1.25 V電壓為S3C2440A 處理器的內(nèi)核供電。3.3 V電壓由5 V電壓經(jīng)過AS1117AR?3.3芯片轉(zhuǎn)換，1.25 V電壓由3.3 V電壓經(jīng)過MAX8860EUA 芯片轉(zhuǎn)換得來[10]。供電電路如圖2所示。

（2） USB 接口電路。本文使用4線制的USB連接方式，USB 的接口電路如圖3所示，D+，D-端用于傳輸數(shù)據(jù)。

（3） 以太網(wǎng)電路。本文研究的嵌入式檢測系統(tǒng)中使用DM9000 網(wǎng)卡芯片作為以太網(wǎng)連接，使用H1102 網(wǎng)絡(luò)變壓器作為電氣隔離以及保護(hù)芯片之用[11]。

2.2 無線通信模塊硬件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)火災(zāi)檢測系統(tǒng)的無線通信模塊使用TI 公司的 CC2530 芯片作為射頻芯片。

（1） 主控器最小系統(tǒng)。最小系統(tǒng)電路是實(shí)現(xiàn)主控器基本功能的基礎(chǔ)電路，如圖4所示[12]。

2.3 傳感采集模塊硬件設(shè)計(jì)

（1） 溫濕度傳感器。本系統(tǒng)采用SHT10數(shù)字式溫濕度傳感器芯片對檢測區(qū)域內(nèi)的環(huán)境溫濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，該芯片抗干擾能力突出、功耗低、體積較小。SHT10數(shù)字式溫濕度傳感器芯片與CC2530主控模塊連接見圖6。

（2） 煙霧濃度傳感器 MQ?2。本系統(tǒng)采用MQ?2 煙霧濃度傳感器對檢測區(qū)域內(nèi)的環(huán)境煙霧濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，該芯片抗干擾能力突出、對烷類氣體檢測效果最優(yōu)。其工作電壓為DC 5 V，檢測范圍在100～1 000 ppm。MQ?2 煙霧濃度傳感器與CC2530主控模塊連接如圖7所示，傳感器需要經(jīng)過LM358 放大處理后與CC2530進(jìn)行連接[13]。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 采集節(jié)點(diǎn)的程序設(shè)計(jì)

在接通電源以后采集節(jié)點(diǎn)首先初始化整個(gè)系統(tǒng)。完成初始化以后就開始對節(jié)點(diǎn)自身附近的可用信道進(jìn)行掃描，如果有可用信道就通過發(fā)送入網(wǎng)請求來進(jìn)入到網(wǎng)絡(luò)中。根據(jù)前面的描述，森林檢測環(huán)境非常復(fù)雜，只能采用電池供電的方法對實(shí)際森林環(huán)境進(jìn)行檢測，因此節(jié)點(diǎn)的能量會受到一定的限制。

為了減少節(jié)點(diǎn)采集過程中所耗費(fèi)的能量，在完成初始化后節(jié)點(diǎn)就進(jìn)入到休眠狀態(tài)，利用定時(shí)采集數(shù)據(jù)的方法能夠喚醒采集節(jié)點(diǎn)。當(dāng)達(dá)到定時(shí)時(shí)間以后就會喚醒節(jié)點(diǎn)，根據(jù)所設(shè)置的定時(shí)周期就可以周期性地采集森林環(huán)境數(shù)據(jù)，然后直接或者間接地將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄W(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)中，就能夠不間斷地監(jiān)測森林環(huán)境，還能夠保證實(shí)時(shí)和高效地傳輸網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)和采集節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)。另外還能夠有效地避免節(jié)點(diǎn)消耗過多的能量，對于整個(gè)系統(tǒng)生命周期的延長有非常重要的作用。采集節(jié)點(diǎn)的程序流程如圖8所示[14]。

3.2 路由節(jié)點(diǎn)的程序設(shè)計(jì)

在對路由節(jié)點(diǎn)程序進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，應(yīng)當(dāng)保證路由轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)功能的實(shí)現(xiàn)。在申請進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)以后路由節(jié)點(diǎn)需要根據(jù)所設(shè)置的周期對森林環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行不間斷的采集，另外還要對其他路由節(jié)點(diǎn)和采集節(jié)點(diǎn)發(fā)送過來的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，最后將這些數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄W(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)中。路由節(jié)點(diǎn)的流程如圖9所示[15]。

3.3 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的主程序設(shè)計(jì)

在整個(gè)森林火災(zāi)檢測系統(tǒng)中網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)是核心部分，能夠連接監(jiān)測中心和傳感器節(jié)點(diǎn)。既要對路由節(jié)點(diǎn)和傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送過來的環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行接收，還要通過對通信模塊的控制將數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)端監(jiān)測中心；另外一方面各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)通過網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)能夠獲取監(jiān)測中心的指令。在接通電源后網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)首先初始化核心微處理器模塊，同時(shí)對無線通信模塊進(jìn)行初始化。初始化完成后通過對空閑信道的掃描來建立全新的網(wǎng)絡(luò)，并對所建立的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行啟動(dòng)。

接下來節(jié)點(diǎn)的地址信息通過網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)街車膫鞲衅髦校绻麄鞲衅魈幵谟行У耐ㄐ欧秶鷥?nèi)，而且接收到了信息，才對網(wǎng)關(guān)所分配的地址成功獲取以后就能夠?qū)⒋_認(rèn)信息發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)中，使得成功地組建系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。這樣傳感器所發(fā)送的入網(wǎng)請求就能夠得到定時(shí)的響應(yīng)和監(jiān)測，對于傳感器節(jié)點(diǎn)所采集到的環(huán)境數(shù)據(jù)也能夠順利的接收。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的主程序流程如圖10所示[15]。

3.4 監(jiān)控組態(tài)軟件設(shè)計(jì)

基本上所有的工業(yè)軟硬件通信接口都能夠?qū)崿F(xiàn)與組態(tài)王的兼容，因此可以將其稱之為具有開放性特點(diǎn)的監(jiān)控系統(tǒng)集成平臺。具有適應(yīng)性強(qiáng)以及展性強(qiáng)的特點(diǎn)。利用組態(tài)王能夠進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的發(fā)布，另外通過瀏覽器監(jiān)控端能夠在任意的位置對監(jiān)控畫面和監(jiān)控的數(shù)據(jù)進(jìn)行查看。圖11為組態(tài)王操作智能板卡的方法。設(shè)計(jì)人員利用組態(tài)王對所用板卡的驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行固定調(diào)用以后就能夠?qū)Π蹇ǖ倪壿嬯P(guān)系進(jìn)行使用，另外利用組態(tài)王能夠自動(dòng)的完成其他底層的操作。

嵌入式火災(zāi)檢測系統(tǒng)的組態(tài)界面如圖12所示。

4 結(jié) 論

本文研究一種基于嵌入式的火災(zāi)檢測系統(tǒng)，通過對無線技術(shù)和嵌入式技術(shù)的應(yīng)用所設(shè)計(jì)的火災(zāi)檢測系統(tǒng)。對檢測系統(tǒng)的嵌入式模塊硬件、無線通信模塊硬件、傳感采集模塊硬件進(jìn)行了設(shè)計(jì)。對系統(tǒng)采集節(jié)點(diǎn)程序、路由節(jié)點(diǎn)程序、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)程序及組態(tài)軟件進(jìn)行了設(shè)計(jì)。結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

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