基于物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的無線火災(zāi)GSM報(bào)警系統(tǒng)

杜 毅，吳 剛

(塔里木大學(xué) 信息工程學(xué)院，新疆 阿拉爾 843300)

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)由ZIGBEE數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)、WIFI數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)、ZIGBEE轉(zhuǎn)WIFI網(wǎng)關(guān)、綜合報(bào)警終端、物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)和用戶客服端組成。ZIGBEE數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)設(shè)置在無WFI網(wǎng)絡(luò)區(qū)域，通過ZIGBEE數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)把采集的數(shù)據(jù)傳送給ZIGBEE轉(zhuǎn)WIFI網(wǎng)關(guān)，從而實(shí)現(xiàn)上傳云服務(wù)，并且對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析判斷是否要聲光報(bào)警；WIFI數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)自行將采集數(shù)據(jù)上傳物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)并且對(duì)采集數(shù)據(jù)分析判斷是否要聲光報(bào)警，由綜合報(bào)警終端對(duì)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一分析并監(jiān)測用戶是否開啟電話報(bào)警功能，若到達(dá)報(bào)警要求實(shí)施電話報(bào)警或短信報(bào)警。

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 ZIGBEE數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

ZIGBEE數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)選用美國TI公司生產(chǎn)的CC2530芯片作為主控芯片。與上一代CC2430相比,在整個(gè)ZIGBEE協(xié)議棧的升級(jí)方面改進(jìn)最大,極大地提高了其穩(wěn)定性和可靠性，并集成了業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的射頻收發(fā)器以及工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)增強(qiáng)型微處理器,它的輸出可編程功率高達(dá)4.5dB[1]。由ZIGBEE數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)組成的ZIGBEE無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點(diǎn)可以隨機(jī)分布于監(jiān)控區(qū)域，以自組織方式構(gòu)成無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[2-4]，可大大降低系統(tǒng)成本和復(fù)雜度，提高設(shè)計(jì)靈活性[5-7]。

溫濕度傳感器選用的是DHT11傳感器模塊，與一般溫濕度采集模塊相比，省去了AD轉(zhuǎn)換模塊，由CC2530的IO接口與DHT11的data接口進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取。煙霧傳感器模塊選用的是MQ-2型煙霧傳感器，MQ-2對(duì)煙霧、天然氣等易燃?xì)怏w有很高的靈敏度且具有良好的抗干擾性。ZIGBEE有自帶的AD轉(zhuǎn)換功能，只需對(duì)寄存器進(jìn)行配置，支持14位的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換。

硬件設(shè)計(jì)架構(gòu)如圖2(a)所示。

2.2 WIFI數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)選用的是功耗相對(duì)較低的WIFI芯片ESP8266。ESP8266是一個(gè)相對(duì)完整且自成體系的WIFI網(wǎng)絡(luò)解決方案，可獨(dú)立運(yùn)行，也可以搭載在其他的Host上運(yùn)行。ESP8266內(nèi)置高速緩沖存儲(chǔ)器，能夠很好地提高系統(tǒng)性能，并且最大限度地減少內(nèi)存需求。WIFI數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)由傳感器、聲光報(bào)警模塊、ESP8266等組成。硬件設(shè)計(jì)架構(gòu)如圖2(b)所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

圖2 數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

2.3 綜合報(bào)警終端的設(shè)計(jì)

結(jié)合系統(tǒng)對(duì)綜合報(bào)警終端數(shù)據(jù)處理能力的要求，選用ST推出的STM32F4微控制芯片。綜合報(bào)警終端的核心部件是STM32F4+SIM900[8]、電源、OLED液晶顯示屏、以太網(wǎng)口。該報(bào)警裝置實(shí)現(xiàn)了電話報(bào)警、短信報(bào)警、火災(zāi)發(fā)生地地址顯示、在線實(shí)時(shí)顯示各節(jié)點(diǎn)溫濕度和煙霧濃度情況，增加了報(bào)警的方式，并極大地提高了報(bào)警的及時(shí)性和有效性。硬件總體架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3(a)所示。

2.4 網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)

近年來，隨著無線通信技術(shù)的高速發(fā)展，無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)越來越穩(wěn)定可靠，其抗干擾和糾錯(cuò)的能力也不斷提高。特別是隨著物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)憑借自身的方便快捷，也受到了廣大消費(fèi)者的重視和青睞。ZIGBEE協(xié)議基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)[9-12]，具有抗干擾性、低能量、高容錯(cuò)性、穩(wěn)定性等特點(diǎn)，主要應(yīng)用于智能家居、物聯(lián)網(wǎng)、軍事等方面。但是它的控制中心大多數(shù)情況下都是PC，不能適應(yīng)戶外等一些特殊環(huán)境。WIFI已經(jīng)成為一種越來越受歡迎的無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，其覆蓋范圍廣、布線簡單等諸多優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于人們生產(chǎn)生活的各個(gè)方面。因此設(shè)計(jì)出一種適應(yīng)于復(fù)雜環(huán)境的ZIGBEE轉(zhuǎn)WIFI網(wǎng)關(guān)的方案[13]，具有很好的實(shí)用價(jià)值。硬件總體架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3(b)所示。

圖3綜合報(bào)警終端與網(wǎng)關(guān)的硬件設(shè)計(jì)

3 系統(tǒng)工作流程

3.1 ZIGBEE數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)

系統(tǒng)硬件初始化后，再進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)初始化，而后掃描信道并且完成建網(wǎng)和組網(wǎng)的工作。ZIGBEE數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)后進(jìn)行尋網(wǎng)，并通過信道掃描且固定IP完成入網(wǎng)等工作。接入節(jié)點(diǎn)以廣播方式向各數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)發(fā)出數(shù)據(jù)請(qǐng)求，各ZIGBEE數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)溫濕度及煙霧傳感器并且開始采集相關(guān)數(shù)據(jù)，并且進(jìn)行信號(hào)類型的判別。DHT11采集到的溫度信號(hào)為數(shù)字信號(hào)，而MQ2采集到的煙霧信號(hào)為模擬信號(hào)，因此需要通過A/D模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，經(jīng)過信號(hào)處理后，通過無線發(fā)送模塊發(fā)送到接入節(jié)點(diǎn)。而分站接入節(jié)點(diǎn)再通過ZIGBEE轉(zhuǎn)WIFI網(wǎng)關(guān)[14]上傳物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，同時(shí)主控芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析，判斷和報(bào)警。工作流程如圖4(a)所示。

3.2 WIFI數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)

系統(tǒng)硬件初始化后，連接AP熱點(diǎn)，各子節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)傳感器并開始采集數(shù)據(jù)，并進(jìn)行信號(hào)類型判別。與ZIGBEE數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)類似，需要將MQ2采集到的煙霧信號(hào)(模擬信號(hào))通過A/D模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào),DHT11采集的溫度信號(hào)(數(shù)字信號(hào))[15]經(jīng)過信號(hào)處，再通過無線發(fā)送模塊上傳至物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，同時(shí)主控芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析，判斷和報(bào)警。工作流程如圖4(b)所示。

圖4 數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)工作流程

3.3 綜合報(bào)警終端

系統(tǒng)硬件連接互聯(lián)網(wǎng)，從物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)獲取各數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)上傳的數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析，判斷，報(bào)警；等待客服端發(fā)送電話、短信報(bào)警的指令，實(shí)施電話、短信報(bào)警。工作流程見圖5。

4 數(shù)據(jù)分析及報(bào)警

綜合報(bào)警終端，從物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)上獲取各個(gè)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)的采集數(shù)據(jù)，然后對(duì)其進(jìn)行分析。設(shè)置溫度的預(yù)設(shè)值為W，煙霧濃度的預(yù)設(shè)值為M，其報(bào)警的判斷方法如表1所示。

圖5綜合報(bào)警終端工作流程

表1報(bào)警判別

煙霧參數(shù)D溫度參數(shù)T是否開啟電話報(bào)警是否報(bào)警報(bào)警形式D>MTW否DMT>W否是聲音報(bào)警,液晶顯示屏顯示其具體地址D>MT>W是是聲音報(bào)警,液晶顯示屏顯示其具體地址,電話報(bào)警

當(dāng)節(jié)點(diǎn)的采集數(shù)據(jù)滿足：實(shí)際采集溫度值大于預(yù)設(shè)溫度值且實(shí)際采集煙霧濃度值大于預(yù)設(shè)煙霧濃度值，啟動(dòng)聲光報(bào)警，液晶顯示屏顯示其具體地址，若此時(shí)也開啟了電話報(bào)警，將啟動(dòng)電話報(bào)警。綜合報(bào)警終端的主控芯片STM32將向Sim900通過串口發(fā)送AT指令，實(shí)現(xiàn)電話報(bào)警，串口發(fā)送代碼如下：

if(GPRS_Mark==1&& sum!=0) //判斷是否達(dá)到電話報(bào)警要求

switch(GR)

{

case0:os_printf("ATI ");break;

case1:os_printf("ATE1 ");break;

case2:os_printf("ATD15739296xxx; ");break;

default:break;

}

5 結(jié)束語

設(shè)計(jì)了基于物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的無線火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)，系統(tǒng)通過ZIGBEE數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)和WIFI數(shù)據(jù)采集網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)將有WIFI覆蓋區(qū)與無WIFI覆蓋區(qū)的數(shù)據(jù)上傳物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，從而對(duì)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一的分析處理，判斷是否實(shí)施電話或短信報(bào)警，大大提高了系統(tǒng)的可靠性，并有效地避免了布線成本高和對(duì)建筑外包環(huán)境的破壞。

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