基于CC2530無線火災報警系統的設計

魏志強 馬 敏 閆佳暉 蔡文杰

(1.北京航天計量測試技術研究所，北京 100076；2.中國運載火箭技術研究院，北京 100076)

1 引 言

隨著計算機技術、現代通信技術的日益成熟和廣泛應用，消防報警系統的無線設計、實現與運行具有了相當的穩定性。而我國中小型場所乃至家庭還沒有成型的，較為完善的防火預警系統，這些場所點多面廣，本文提到的無線火災報警系統正契合這一特征。

本設計是將簡單、低功耗的ZigBee無線傳感網絡加入到火災報警這個已經相對成熟的領域，使之更加趨于智能化、廣泛化和大眾化。主要目的是希望改進后的火災報警系統可以進入普通的家庭，以減少意外所帶來的損失。

整個系統圍繞傳感器網絡節點、協調器節點等硬件電路和軟件部分進行設計。主要流程為：由終端傳感器網絡節點監測現場環境并將采集數據周期性地發送給協調器節點，再通過USB串口在上位機上顯示采集的信息。

2 系統整體設計

本系統主要包括傳感器網絡節點、協調器節點、USB串口、系統上位機和供電電源。ZigBee無線傳感網絡采用“廣播”的方式，由協調器節點和傳感器網絡節點(溫度、氣體、火焰)組成。協調器節點的功能包括建立組網、接收終端傳感器采集的信號以及轉發上位機的指令；溫度傳感器節點主要負責對當前環境的溫度信息進行采集；煙霧傳感器終端節點主要負責采集當前環境的氣體信息(出現火災主要是采集煙霧濃度)；火焰傳感器節點主要負責監測當前環境是否存在火星火源以及采集其位置信息。系統整體框圖如圖1所示。

圖1 系統整體框圖

3 系統硬件設計

3.1 系統無線收發模塊的設計

系統的核心芯片是CC2530，該芯片集成了IEEE802.15.4標準的2.4GHz頻段RF收發器，可配置的RF調制解調器，提供了一套廣泛的外設集，包括8通道的12位A/D轉換器和21個通用I/O管腳、2個USART接口、128位的AES加密解密內核、MAC專用定時器、兩個8位定時器等功能，該芯片只需設計極少的外接電路即可構建一個簡單的ZigBee節點。CC2530芯片可支持2.0V～3.6V的寬電源電壓范圍，具備三種供電模式：4μs的喚醒模式(耗電電流0.2mA)、睡眠模式(耗電電流1μA)和中斷模式(耗電電流0.4μA)，當CC2530處于非工作模式時，任何中斷可將CC2530恢復到主動工作模式，某些中斷還可將CC2530從睡眠模式喚醒，實現超短時間的快速轉換，確保了低功耗的使用，設備的工作溫度范圍為-40℃～125℃，特別適合需要待電時間長、低功耗且環境變化的大場所使用。CC2530自身帶有射頻收發和調制解調等功能便于數據傳送，而且只需要添加簡單電路就可以實現，如圖2所示。

圖2 系統主體控制部分原理圖

天線是無線收發的重要一環，既可以發送數據也可以接收信息，其可逆性極大地增強了協調器在設計中的作用。本電路采用無源晶振電路給主體控制芯片CC2530的正常工作提供持續穩定的時鐘信號。從芯片CC2530的管腳RF_P和PF_N出來的指令通過一個同軸天線(電感、電容相連構成)輸出發送。

3.2 系統功能模塊的設計

3.2.1

協調器節點主要包括CC2530數據處理模塊、天線、電源模塊、串口模塊、LED部分等。CC2530部分是各個節點的主控中心，是整個電路的中軸。傳感器與協調器的天線用來收發信號信息。串口模塊主要是讓上位機和終端傳感器和協調器建立連接。LED燈的亮滅是表示網絡的連接情況，LED1亮說明允許其他節點加入該網絡，LED2亮說明協調器組建ZigBee網絡成功。如圖3所示。

圖3 協調器節點功能框圖

3.2.2

傳感器節點的整體結構與協調器節點類似，由CC2530數據處理模塊、天線、傳感器數據采集模塊、電源部分和LED部分組成。其中，數據采集模塊主要是負責采集環境中的溫度、煙霧、火源數據，然后需要對數據進行轉換。LED部分是表示節點是否加入或退出網絡，D2亮則說明傳感器節點加入ZigBee網絡，D1亮則說明傳感器節點開始周期性地發送數據。天線用于無線發送數據信息。

數據采集模塊使用的傳感器是DS18B20數字溫度傳感器和MQ-2氣體傳感器。DS18B20數字溫度傳感器是單總線器件，具有線路簡單，體積小的特點，使用起來方便。接入電路部分如圖4所示。MQ-2氣體傳感器可以用于家庭和工廠的氣體泄漏監測裝置，適宜于液化氣、丁烷、丙烷、甲烷、酒精、煙霧等的檢測，接入電路部分如圖5所示。

圖4 溫度傳感器電路原理圖

圖5 煙霧傳感器電路原理圖

3.2.3

有源蜂鳴器像其他的傳感器節點一樣，其作用就是等待上位機下發的命令，然后報警。它工作的理想信號是直流電。原理是蜂鳴器內部有一些簡單的振蕩電路，能將恒定的直流電轉化為一定頻率的脈沖信號，從而引起磁場交變，帶動鉬片振動發音，所以產生了蜂鳴聲。其原理圖如圖6所示。

圖6 有源蜂鳴器電路原理圖

4 系統軟件設計

如圖7所示，無線傳感網絡的建立選擇星型拓撲網絡，其較另外的拓撲結構更加具有優勢：結構簡單、容易管理和維護、成本低。本系統調試過程由一個協調器節點分別對應溫度、煙霧和火焰三個傳感器節點進行數據傳輸，協調器建立并維護整個組網，而終端傳感器節點采集環境中的信息是通過ZigBee網絡協議并發送到協調器節點，通過USB串口傳給上位機顯示，若是有災情出現就下發命令給有源蜂鳴器報警來及時阻止災情的進一步加劇。

4.1 協調器節點的軟件設計

關于協調器節點的軟件設計，它的作用主要是負責組建并維護網絡，其次是接收終端傳感器節點采集的環境信息數據，并將這些數據信息經由串口傳給上位機顯示。整個協調器的軟件工作流程如圖7所示。

圖7 協調器節點的工作流程圖

4.2 傳感器節點的軟件設計

組網成功后，終端傳感器節點加入ZigBee網絡，然后周期性地采集外部環境信息數據、處理各個傳感器的數據并向協調器發送。鑒于大多數時間以及系統功耗考慮，各個傳感器設置為周期性工作，其余時間進入休眠模式。這里選擇了ZigBee協議棧里的一個可以實現毫秒(ms)級的定時函數OSAL_START_TIMEREX()，定時發送數據到協調器節點，從而達到周期性工作的目的。整個工作流程如圖8所示。

圖8 傳感器網絡節點的工作流程圖

4.3 報警系統的軟件設計

如下圖9所示為整個報警系統的工作流程。考慮具體的實際情況主要設計了未存在災情、存在火災隱患(如溫度升高、出現少量煙霧)和出現火災三種處理模式，出現災情的話立即啟動蜂鳴器報警1分鐘，否則的話就將實時采集的溫度、煙霧濃度和火源數據發送給上位機顯示。

圖9 報警器的工作流程

5 測試結果

整個實驗過程：給協調器和三個終端傳感器下載各自的程序，擺放好各自的位置，模擬一個小型火災環境一一點燃紙張(紙張燃燒的溫度在200℃左右)。先做預熱準備，如設置好串口的各個參數(波特率為115200、校驗位NONE、數據位8、停止位1)，然后上電，可以看到協調器和傳感器的LED燈都亮了，即ZigBee組網成功。點擊調試助手的“打開”按鈕，看到各個傳感器上傳的數據即為當前室內的常溫信息。觀察一段時間，確認整個設計無漏洞，點燃紙張，看到上位機接收區域數據均明顯變化，且點燃紙張約1s便聽見警報響起。如圖10所示，溫度明顯升高；煙霧數據如圖11所示；火焰數據如圖12所示。

圖10 溫度數據變化

圖11 煙霧數據變化

圖12 火焰數據變化

6 結束語

本火災報警系統是基于ZigBee無線網絡的設計，采用了CC2530作為主控制芯片，通過對環境中溫度、氣體煙霧、火星火源的實時監測對火災隱患報警，為預防火災提供了一個新的實現途徑。采用ZigBee進行設計，簡單且易實現；采集數據及數據的傳輸過程中，系統穩定、數據無誤，擴大終端傳感器的散布范圍，可廣泛的應用于各種火災監測和預防。