一种无线可燃气体声光报警器的设计

张剑飞，张 彤，姚宇鹏

（1.齐齐哈尔大学计算机与控制工程学院，黑龙江齐齐哈尔161006；2.哈尔滨工业大学软件学院，黑龙江哈尔滨150001）

一种无线可燃气体声光报警器的设计

张剑飞1，张 彤1，姚宇鹏2

（1.齐齐哈尔大学计算机与控制工程学院，黑龙江齐齐哈尔161006；2.哈尔滨工业大学软件学院，黑龙江哈尔滨150001）

为降低可燃气体报警系统的建设成本，缩短工程建设周期，又易于设备的安装与维护，提出了一种无线可燃气体报警器的设计方案.采用通信协议对收发无线信号进行管理，在此基础上设计了系统总体方案，然后对方案进行分解，模块化设计了探测器部分、控制部分和声光报警部分，从而提高了系统的稳定性，方便了维护管理.通过多组重复性实验数据分析，证明了方案的可行性，符合国家标准.

无线通信；NRF905；气体检测；声光报警；上位机

近年来，随着科学技术和石油化工产业的蓬勃发展，越来越多的可燃性气体被应用于人们的生活、生产工作中，可燃性气体种类繁多，易燃易爆，更有的带毒性和腐蚀性，及时准确地检测出这些危险性气体，对于保障国家的财产和人民的生命安全具有重大意义［1］.由于相关政策和法规陆续出台，刺激了可燃气体检测仪器行业的发展［2－3］.如何既保证各监测节点和主控室之间稳定的数据通信，又有效地降低系统维护的成本成为当今业内的一个难点.因此，将无线通信技术引入气体检测系统将成为该领域的重点研究方向之一.

1 总体方案设计

本文方案采用NRF905芯片作为通信模块核心，由MSP430F149单片机作为控制核心和声光报警电路组成.其系统框架如图1所示.相比有线数据通信报警，无线通信具有成本低廉、建设工程周期短、适应性强、扩展性好，尤其是在设备维护方面更容易实现，如果通信线路出现故障，不必像有线通信那样排查线路，只需维护数据传输模块，就能快速找出故障原因，恢复线路到正常工作状态.因此，我们专门设计了一款带有无线通信功能的可燃气体检测系统.气体浓度由探测器检测，经信号放大，再经A／D转换等处理后，将检测到的模拟信号转换为数字信号后，由NRF905无线射频发射器发出.接收端由射频接收器接收信号送给单片机.经过单片机分析处理，与设定好的浓度阈值比对分析，若大于阈值，则启动报警电路，按级发出相应声光报警.此外，使用RS232总线与上位机进行串口通信，及时把监测到的实时数据上传给上位机显示并记录，便于工作人员分析、比对和监控.

2 硬件实现

2.1主控部分硬件实现

本文设计控制模块的核心采用美国德州仪器公司研发的一款具有16位超低功耗的混合信号处理功能的单片机MSP430F149［4］.它具有16位总线，外设内存统一编址，可以扩展存储器，中断统一管理的特点，片内设有乘法器、2个16位定时器、1个12位模数转换器、6路P口、两路USART通信端口、1个比较器、1个看门狗和2个外部时钟.该型号单片机具有功耗超低、信息处理功能强大、工作稳定、抗干扰能力强、支持C语言开发和性价比与集成度高的特点，因此，备受广大科研技术人员青睐.设计主要应用MSP430F149单片机的2个串口USART1和USART0，其中USART1当做SPI接口使用，主要是用来与NRF905之间进行通信.USART0作为UART使用，通过MAX3232芯片提供RS－232总线和上位机进行通信.主控部分电路如图2所示.

在电源电路中，由于主电路为5V电源供电，而MSP430F149单片机需3.3V电源，因此这里采用ASM1117－3.3降压芯片提供单片机供电.

2.2气体检测模块的硬件实现

可燃气体检测模块采用Nemoto公司生产的NAP－55A催化燃烧型可燃气体传感器.该型传感器采用的是惠斯通电桥原理设计电路.当可燃气体在催化剂作用下，在传感器检测元件表面上进行无焰燃烧，温度上升导致元件电阻阻值上升，致使电桥不平衡，输出一个与可燃气体浓度成正比的信号，从而将可燃气体浓度信号转换为电压信号，如图3所示.该型传感器受环境温度、湿度影响较小，线性度较高，稳定性强.并且只用于测量可燃气体，不可用于非可燃气体.通常情况下，电桥产生的电压信号十分微弱，因此在信号处理之前需要用放大器将信号放大，再经A／D转换后，将模拟信号变成数字信号等一系列信号处理后，由无线射频发射器将信号发给报警器，实现远程报警.

2.3无线通信模块的硬件实现

为满足探测器和主控单元之间的通信要求，保证数据传输的高效性和稳定性，设计采用Nordic VLSI公司生产的以NRF905射频发射芯片为核心的无线通信模块.NRF905芯片工作电压1.9～3.6V，待机模式下电流仅为2.5μA，工作433／868／915MHz的ISM频段，频道之间转换时间小于650μs，数据传输速率由微控制器的接口速率自行设定.通过SPI总线控制多点通信的地址、频率、功耗等.最大数据速率为100kB／s.NRF905是一款集成度较高的无线通信芯片，由功率放大器、频率合成器、接收解调器、晶体振荡器和GFSK调制器组成［5－6］.若配置高增益SMA天线，具有高性能、低功耗、接收灵敏度高、抗干扰能力强、集成度高和信号传输稳定的优点，可实现自动处理字头、曼彻斯特编解码，使用方便，尤其适合工业控制，是目前市场上应用较为广泛的无线通信模块.

NRF905与MSP430单片机接口电路如图4所示，它主要通过片内SPI接口进行数据传递，SPI口由MOSI主器件数据输出信号、MISO主器件数据输入信号、SCLK位移时钟信号和CS从器件使能端信号组成［7－8］.通信由位移时钟发起，在SCLK为1时由MISO发出，在SCLK为0由MOSI输入，循环执行8次，由此完成数据传递.

在NRF905芯片处于收发模式时，应用芯片内的堆栈区，将微控制器中数据高速送入到芯片内，尽可能的节能.与射频相关的所有信号处理过程都在芯片内进行，这样不仅节能，还节省了信号在空中滞留的时间，起抗干扰作用.在收发模式下，NRF905芯片会自动处理所有校验码和字头.发送数据时，TRX＿CE脚置高，TX＿EN脚置低，信号处理单元通过SPI口，把时序和地址发送给NRF905，并自动添加校验码和字头；接收数据时，TRX＿CE脚置高，TX＿EN脚置低，收到匹配地址后，AM脚置高.自动移除校验码、地址和字头.在完成发送数据后，DR脚自动通知MSP430F149单片机发送完毕.由此可见，TRX＿CE，TX＿EN和PWR＿UP这3个引脚决定芯片的模式.不同功能模式转换如表1所示.

本文系统由多个探测器发送节点与报警器接收节点进行通信，如果同时有多个发送节点要发送数据势必会导致信道冲突，数据包丢失，漏报等事故.因此，系统采用竞争类MAC通信协议中的CSMA／CA协议，进行通信前信道预约.具体步骤如下：（1）在发送数据前，监听信道，若空闲，则向接收节点发送请求帧RTS；（2）接收节点收到RTS后，向发送节点回复一个允许发送帧CTS，在帧上都带有数据长度；（3）发送节点收到CTS后，即确认建立通信连接，发送数据，若没收到CTS，则延迟一段时间重新发送RTS；（4）接收节点收到数据后，发送数据确认帧ACK，通信完毕.

2.4报警模块的硬件实现

当探测器检测到周围环境中可燃气体浓度超过预设定阈值时，系统将通过声光报警装置发出警报，具体表现为语音报警和红、黄、绿三级LED灯闪烁，提醒安全人员及时采取必要措施排查险情，以防火灾、爆炸等重大安全事故的发生.

本系统设置三级报警机制，不同的情况下分别点亮不同颜色的LED灯，并发出不同报警.具体如下：

（1）绿色灯点亮时，表示探测器没有从环境中检测到可燃气体，此时黄灯、红灯熄灭，扬声器不发出语音报警.

（2）黄色灯闪烁时，表示探测器从周围环境中检测到可燃气体，但气体浓度未超过系统设定阈值，此时绿灯、红灯熄灭，扬声器发出二级语音报警.

（3）红色灯闪烁时，表示探测器检测到周围空气中可燃气体浓度超过设定阈值，此时绿灯、黄灯熄灭，扬声器发出一级语音报警，声光报警部分电路如图5所示.

语音模块采用WT588D语音芯片为核心设计.WT588D是一个功能强大的可编辑语音芯片，可以由配套的上位机软件Voice Chip配置芯片的控制模式，将需要播放的语音信息下载到SPI－Flash存储器上即可.MP3控制模式、组合按键控制模式、并口控制模式、一线串口控制模式和三线串口控制模式等多种模式，使WT588D芯片广泛应用于工作、生活中各种场所.由于设计多应用于工厂、矿井等生产现场，噪声比较大，报警器采用超大声音报警模式，因此，在设计加入功放电路以达到超大声音目的.声光报警器采用防暴不锈钢外壳，灯帽采用高强度材料，多种颜色可选，超强抗冲击，工作稳定，使用寿命长.顶部配有多组超高亮LED发光二极管，亮度大，多角度清晰可见.超大声音可满足高端防爆客户应用在油井的开采现场、钻井现场、动火现场等环境.可采用落地式、吸顶式和壁挂式多种方式安装.

3 系统的软件设计

在系统上电后，为了使其进入最佳工作状态，首先要对系统进行初始化，调整设置微控制器内相关的寄存器、定义所需的全局变量，根据要求设定系统的报警阈值.系统的软件主要由主程序及无线发射、无线接收、定时中断、温度补偿、WT588D语音声光报警子程序组成.本文重点实现无线通信，所以主要阐述无线发射子程序、无线接收子程序的设计.

3.1无线发射子程序

当有数据要发射给接收节点时，接收节点地址和发射有效数据从SPI口传给NRF905射频发射器，TRX－CE和TX－EN被单片机设置为高电平，从而启动传输.芯片内部加前导码和校验码，当TRX－CE被设置为低时，数据传输结束.发射部分代码如下：

void TxPacket（void）

｛ uchar i＝0；

CSN＝0； ／／SPI使能，准备写入地址信息

SpiWrite（WTP）； ／／写数据至数据发送寄存器

for（i＝0；i＜32；i＋＋）

｛

SpiWrite（TxBufffer［0］）；／／写入1字节直接发送数据

｝

……

TRX＿CE＝1；／／进入发送模式，启动射频发送

Delay（10）；／／（＞＝650μs）

TRX＿CE＝0；发射结束.

3.2无线接收子程序

设置引脚TRX－CE为高、TX－EN为低，650μs后，NRF905接收端开始扫描空中信息.当接收端发现频率相同的载波时，CD端被置高；收到有效地址后，AM被置高，确认CRC校验码，芯片去除前导码、地址后，DR脚被置高.TRX－CE脚置低，SPI口读出有效数据.部分代码如下：

voidRxPacket（void）

｛ uchar i＝0；

TX＿EN＝0； ／／进入接收模式

for（i＝0；i＜32；i＋＋）

｛

TxRxBuffer［i］＝SpiRead（）； ／／读取数据并保存

｝……

……

CSN＝1；

TRX＿CE＝1； ／／（＞＝650μs）

Delay（1）；

｝

4 实验结果与分析

此项实验在合作公司进行调试实验，主要检测的是可燃气体报警器的精度、线性度等性能指标.其中检测精度作为探测器性能好坏的重要指标，为了得出更为精确的测试结果，本次实验分别采用2组体积分数为26%LEL和51%LEL的标准丙烷作为测试气体，每组8个检测单元进行标定.实验结果如图6所示.根据国家标准规定，上电送气后，显示浓度上下浮动范围不超过2%，否则视为不合格.

按照规范的气体标定流程，上电后要持续送气70s，待示数稳定后，记录实验数据.本设计分别用体积分数为26%和51%来设定线性关系，经过比对分析，可以发现体积分数26%和51%时测试数据对比标准气浓度上下浮动均在2%以内，符合标定规定，由此可以得出系统具有良好的线性度，精度也控制在2%以内.综上所述，该方案是可行性.

5 结束语

本文为可燃气体勘测设计了一种无线声光报警系统，根据对现场安装维护的经验，提出了一种基于无线通信方式代替有线的气体预警机制.这不仅大大缩短了工程建设时间，还提高了系统的稳定性、可扩展性，最重要的是方便后续使用中的设备维护，为提高企业生产效率提供了坚实的安全保障.

［1］ 聂巍，李晓青.智能火灾报警系统设计［J］.信息通信，2012（2）：89－90.

［2］ 王凯，王亚刚，邵惠鹤.无线可燃气体检测系统设计与实现［J］.控制工程，2011，18（4）：535－538.

［3］ 焦琪，樊泽明.便携式气体报警器的研究与实现［J］.计算机测量与控制，2011，19（5）：1139－1141.

［4］ 李智奇，白小平.MSP430系列超低功耗单片机原理与系统设计［M］.西安：西安电子科技大学出版社，2008：15－25.

［5］ 杨光松.基于NRF905的无线温度数据采集系统［J］.微计算机信息，2008，24（8）：104－106.

［6］ 马巧丽，林端全.基于STC12C5A60S2单片机的可燃气体报警仪的设计［J］.机电技术，2012，（5）：111－113.

［7］ 徐延海，黄鸿雁，关学忠.基于NRF905无线窗帘控制器设计［J］.自动化技术与应用.2013，32（4）：87－90.

［8］ ZANG HAIHE，WANG YANPING.Design of combustible gas detector based on STC12C5410AD［J］.IEEE Conference Publications，2011：293－296.

Design of a wireless combustible gas acousto－optic alarm

ZHANG Jian－fei1，ZHANG Tong1，YAO Yu－peng2

（1.College of Computer and Control Engineering，Qiqihar University，Qiqihar 161006，China；2.School of Software，Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，China）

To reduce the construction cost of combustible gas alarm system，shorten the construction period and facilitate the installation and maintenance of equipments.A design scheme of wireless combustible gas alarm system is presented.The sending and receiving wireless signals can be controlled by the communication protocols.On the basis of the systemic overall scheme design，the scheme is decomposed with modular design detector parts，acousto－optic alarm and control parts.The design scheme can be used to improve the system stability and facilitate maintenance and management.The feasibility of the scheme is proved by multiple sets of repeated experiments；it also meets the national standards.

wireless communication；NRF905；gas detection；acousto－optic alarm；principal computer

TP 216 ［学科代码］ 520·5050 ［

］ A

（责任编辑：石绍庆）

1000－1832（2015）01－0083－06

10.16163／j.cnki.22－1123／n.2015.01.016

2014－04－30

黑龙江省自然科学基金资助项目（F201333）.

张剑飞（1974—），男，博士研究生，副教授，主要从事智能算法研究.