基于ZigBee的實(shí)驗(yàn)室防火遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

閆亞玲，李 博，劉偉杰

(中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原 030051)

0 引 言

實(shí)驗(yàn)室防火是實(shí)驗(yàn)室安全建設(shè)的重點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)室火災(zāi)的發(fā)生無(wú)論在科研還是生命安全方面都會(huì)造成極大危害。隨著人們對(duì)安全性認(rèn)識(shí)越來(lái)越高，實(shí)驗(yàn)室安全防范工作也日益周密，但僅采用人為防范措施就會(huì)存在一些不可預(yù)測(cè)安全隱患，例如實(shí)驗(yàn)室無(wú)人情況下發(fā)生火情的狀況，為此本文設(shè)計(jì)ZigBee的實(shí)驗(yàn)室防火遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)[1]。ZigBee采用無(wú)線通信方式方便在實(shí)驗(yàn)室不同方位布置設(shè)備并且可以組網(wǎng)檢測(cè)，如有火情不僅可以通過(guò)蜂鳴器鳴叫提示預(yù)警，而且在實(shí)驗(yàn)室無(wú)人管理的情況下可以通過(guò)自動(dòng)發(fā)送報(bào)警彩信到指定手機(jī)，管理人員可以遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)室安全狀態(tài)，在多個(gè)方面確保實(shí)驗(yàn)室安全[2]。

1 ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

ZigBee是一種新型的的短距離、低碼率無(wú)線組網(wǎng)通信技術(shù)，具有低功耗、低成本、低速率、自組網(wǎng)方便靈活、安全性高等特點(diǎn)[3]。ZigBee是一種介于無(wú)線標(biāo)記技術(shù)與藍(lán)牙之間的技術(shù)方案，遵循IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗局域網(wǎng)協(xié)議[4]，其組網(wǎng)效率非常高，最多可組成一個(gè)高達(dá)65 000個(gè)無(wú)線數(shù)傳模塊組成的無(wú)線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)[5]。ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓樸結(jié)構(gòu)可以分為星狀拓樸和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)對(duì)等拓樸，無(wú)論哪種結(jié)構(gòu)必須只有一個(gè)協(xié)調(diào)器和其他設(shè)備終端節(jié)點(diǎn)通信，協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)建立網(wǎng)絡(luò)并對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行監(jiān)控。

2 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)主要硬件包括采用ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)、基于ARM架構(gòu)的TE6410開(kāi)發(fā)板平臺(tái)、GPRS模塊、蜂鳴器、USB攝像頭等[6]。系統(tǒng)硬件組成如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

各個(gè)硬件模塊功能如下：

(1)ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)利用多路煙霧器節(jié)點(diǎn)采集實(shí)驗(yàn)室煙霧信息，由協(xié)調(diào)器接收到的信息通過(guò)串口發(fā)送到數(shù)據(jù)處理服務(wù)器上。

(2)數(shù)據(jù)處理服務(wù)器通過(guò)判斷采集信息是否超過(guò)用戶設(shè)定的上限，如果超過(guò)則讓蜂鳴器鳴叫和設(shè)置GPRS模塊發(fā)送彩信模式。

(3)USB攝像頭采集實(shí)驗(yàn)室圖像。

(4)數(shù)據(jù)處理服務(wù)器處理采集到的視頻信息，并將采集到的圖片信息通過(guò)GPRS模塊發(fā)送彩信到指定手機(jī)，方便管理者監(jiān)控實(shí)驗(yàn)室狀態(tài)。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

Zigbee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的硬件采用TI公司生產(chǎn)的SOC芯片CC2430[7]，內(nèi)置增強(qiáng)型8051內(nèi)核，接口豐富，具有8KB SDRAM、128KB閃存,其性能較為強(qiáng)大，具有DMA功能、12位ADC、2路全功能串口、自帶看門(mén)狗、支持硬件調(diào)試、21個(gè)IO等，ZigBee本身模塊帶有射頻功能，因此只需要模塊RF-P、RF_N管腳與天線之間加一級(jí)接口電路，即無(wú)線收發(fā)模快，就可用來(lái)放大接收和發(fā)送信息的功率，從而加大數(shù)據(jù)傳輸距離[8]。CC2430模快電路如圖2所示。

圖2 CC2430模塊電路設(shè)計(jì)

3.2 煙霧傳感器模快設(shè)計(jì)

系統(tǒng)煙霧傳感器使用MQ2,該傳感器是基于氣敏元件傳感器，靈敏度高、對(duì)各種煙霧能均衡響應(yīng)，在火災(zāi)預(yù)警中表現(xiàn)出色[9]。MQ2傳感器電路如圖3所示，主要包括一個(gè)集成電路芯片LM393，通過(guò)管腳2和3電壓的比較功能，用于輸出數(shù)字量電壓。電阻R4用來(lái)調(diào)節(jié)傳感器的敏感程度，兩個(gè)發(fā)光LED用作指示燈，綠色LED燈亮表示系統(tǒng)正常工作，紅色LED燈亮表示煙霧報(bào)警功能[10]。傳感器在5 V、CC2430在3.3 V電壓下工作。為了保證CC2430在3.3 V電壓下工作，采用TI公司生產(chǎn)的REG117-3.3芯片，實(shí)現(xiàn)5 V到3.3 V電壓的轉(zhuǎn)換。

圖3 MQ2傳感器電路

3.3 GPRS模塊設(shè)計(jì)

GPRS是通用分組無(wú)線服務(wù)技術(shù)的簡(jiǎn)稱(chēng)，它是GSM移動(dòng)電話用戶可用的一種移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。本文采用的ATK-SIM900A模塊是 ALIENTEK推出的一款高性能工業(yè)級(jí)GPRS模塊，支持短信、彩信、語(yǔ)音通信等功能，模塊具有RS-232和TTL串口，通過(guò)它與TE6410串口通信。在模塊使用時(shí)需要一塊開(kāi)通GPRS業(yè)務(wù)的手機(jī)卡才可以使用。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 ZigBee節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)在整個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)中起到兩個(gè)重大作用，一是負(fù)責(zé)建立起網(wǎng)絡(luò)并且循序加入設(shè)備節(jié)點(diǎn)，二是與其他傳感器節(jié)點(diǎn)通信，并將通信信息通過(guò)串口發(fā)送到數(shù)據(jù)處理平臺(tái)。本文采用ZigBee軟件節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)和TI公司半開(kāi)源的Zstack協(xié)議棧ZigBee-2006,協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)在設(shè)備上電后初始化，通過(guò)主動(dòng)掃描其他設(shè)備并為其分配一個(gè)16位地址，允許其加入網(wǎng)絡(luò)，協(xié)調(diào)器工作流程如圖4所示。在網(wǎng)絡(luò)組建以后傳感器節(jié)點(diǎn)需要周期性向協(xié)調(diào)器發(fā)送數(shù)據(jù)[11]。周期性的工作采用ZigBee協(xié)議棧的輪訓(xùn)方式，使用定時(shí)函數(shù)osal_start_timeEX()，該函數(shù)可以實(shí)現(xiàn)ms級(jí)的定時(shí)，周期性重復(fù)類(lèi)似于單片機(jī)定時(shí)器中斷方式[12]。在整個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，各個(gè)傳感器采集到的數(shù)據(jù)，周期性向協(xié)調(diào)器發(fā)送，其工作流程如圖5所示。

4.2 嵌入式應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用TE6410開(kāi)發(fā)板作為處理數(shù)據(jù)服務(wù)器，基于Linux操作系統(tǒng)[13]，煙霧傳感器各個(gè)節(jié)點(diǎn)通過(guò)發(fā)送傳感器數(shù)據(jù)到協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器通過(guò)串口與處理器相連將數(shù)據(jù)進(jìn)行分析輸出[14]。煙霧傳感器MQ2使用數(shù)字量輸出，輸出引腳與CC2430的P0.1引腳相連，一旦傳感器檢測(cè)到煙物所設(shè)置的閾值，輸出引腳電平會(huì)變低，CC2430便會(huì)發(fā)送無(wú)線信息到協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器通過(guò)串口發(fā)送信息進(jìn)入處理器，處理器串口設(shè)置中斷模式，可以避免處理器輪訓(xùn)占用處理器資源，觸發(fā)串口中斷并對(duì)信息進(jìn)行判斷讓蜂鳴器鳴叫報(bào)警，攝像頭進(jìn)行拍照，處理器通過(guò)設(shè)置GPRS模塊調(diào)用攝像頭拍照?qǐng)D片發(fā)送彩信到指定手機(jī)[15]。應(yīng)用程序采用模塊化開(kāi)發(fā)，采用多線程程序設(shè)計(jì)，線程1設(shè)計(jì)GPRS模塊發(fā)送彩信，線程2設(shè)計(jì)攝像頭拍照，通過(guò)判斷協(xié)調(diào)器發(fā)送的信息設(shè)置條件變量，觸發(fā)線程1設(shè)置，GPRS發(fā)送彩信指令，GPRS線程啟動(dòng)通過(guò)環(huán)境變量觸發(fā)線程2，線程2采集圖片信息通過(guò)共享內(nèi)存以線程1通信，發(fā)送彩信到指定手機(jī)，恢復(fù)條件變量[16]。應(yīng)用程序設(shè)計(jì)流程如圖6所示。

圖4 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)工作流程圖圖5 傳感器節(jié)點(diǎn)工作流程圖

圖6 應(yīng)用程序設(shè)計(jì)流程

5 結(jié) 語(yǔ)

鑒于實(shí)驗(yàn)室防火安全體系的不足，設(shè)計(jì)基于ZigBee的實(shí)驗(yàn)室防火遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，能夠高效快速準(zhǔn)確檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室火情。采用多路煙霧傳感器利用ZigBee組成立體的檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)，提高了檢測(cè)的準(zhǔn)確度和靈敏度，并且采用無(wú)線通信技術(shù)避免了占用實(shí)驗(yàn)室布線的不便。通過(guò)本地蜂鳴器和遠(yuǎn)程彩信報(bào)警確保實(shí)驗(yàn)室的安全。經(jīng)實(shí)驗(yàn)檢測(cè)，當(dāng)有火焰或者煙霧出現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)室時(shí)，報(bào)警器快速準(zhǔn)確報(bào)警，蜂鳴器快速做出反應(yīng)，在3 min內(nèi)用戶收到攝像機(jī)發(fā)出的火情信息，基本實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室的防火預(yù)警，給實(shí)驗(yàn)室火災(zāi)預(yù)警提供一個(gè)新思路。