基于DSP和Zigbee技术的多点分布式火灾监测系统设计

陈超，周锦荣，郑楠（闽南师范大学物理与信息工程学院，漳州363000）



基于DSP和Zigbee技术的多点分布式火灾监测系统设计

陈超，周锦荣，郑楠
（闽南师范大学物理与信息工程学院，漳州363000）

摘要：阐述以DSP高速处理器TMS320F28335和Zigbee物联网技术相结合的多点分布式火灾监测系统的设计方法。每个监测节点的温湿度传感器、火焰传感器、烟雾传感器的信息，通过TMS320F28335核心处理器进行采集和处理。利用Zigbee无线传输模块发到协调器，协调器通过串口将数据发送至上位机。上位机功能界面由Qt Creator设计完成，整个系统实现多点分布的火灾终端监测报警与上位机报警显示。

关键词：火灾监测；Zigbee技术；DSP TMS320F28335；多点分布式

火灾是损害生命财产安全的主要来源之一，以控制技术、网络技术和通讯技术相结合的分布式火灾自动报警网络监控系统是现代火灾防范的研究热点之一，将为火灾报警的准确性、以及处理的及时性和联动性起到巨大的推动作用[1]。设计的多点分布式火灾监测系统主要由TMS320F28335高速处理器控制模块、传感器采集模块、Zigbee无线传输模块、Qt上位机显示模块四个部分[2-4]。TMS320F28335主控系统可对温湿度传感器、火焰传感器、烟雾传感器的信息进行采集和处理，并通过显示屏上显示，利用蜂鸣器报警。TMS320F28335通过串口将数据发送至Zigbee终端，Zigbee组建网络将数据传输至协调器，协调器再将数据由串口传送至Qt上位机。Qt上位机能够将协调器传输过来的数据进行实时显示。系统结构图如下图1所示。

1　硬件系统设计

1.1TMS320F28335控制系统模块

设计中主要利用了高速数字处理器TMS320F28335的定时器模块、GPIO模块、ADC模块、PWM模块、串口通信模块。如图2所示，TMS320F28335型数字信号处理器系TI公司的一款TMS320C28X系列浮点DSP控制器。该芯片的精度高，成本低，功耗小，性能高，外设集成度高，数据以及程序存储量大，A/D转换更精确快速等，能够实时地实现各种数字信号处理算法[2]。

图1　系统总体结构示意图Fig.1Schematic diagram of overall system

图2　DSP28335模块电路Fig.2Circuit of DSP28335 module

1.2传感器采集模块

火灾信号采集主要是通过火焰传感器、温湿度传感器以及烟雾传感器三个模块采集的信号进行组合判断[3-4]。火焰传感器模块主要由光敏电阻和电压比较器LM393组成，如图3所示。

当光敏电阻阻值发生改变了对应的Aout电压值发生变化用TMS320F28335的ADC模块采集Aout处的电压，再根据光强度与对应的电压值关系式如下式1所示：

另外为了便于MCU进行报警处理，采用LM393将火焰传感器的Aout电压与无火灾发生时预先设置的阈值电压进行比较，并输出二值数字信号Dout。若大于阈值电压，则说明有火灾发生，LM393输出0；否则，说明无火灾发生，LM393输出1。

图3　火焰传感器电路原理图Fig.3 Schematics of flame sensor circuit

图4　烟雾传感器电路原理图Fig.4Schematics of smoke sensor circuit

烟雾传感器MQ-2的工作电压为5 V直流电压，根据烟雾浓度输出对应的模拟电压Aout，范围在0～5 V之间。可直接用TMS320F28335的ADC模块采集Aout处的电压，烟雾传感器模块主要由烟雾传感器MQ-2和电压比较器LM393组成，如上图4所示。再根据模拟电压与烟雾浓度的关系式如式2所示：

为了便于MCU进行报警处理，采用LM393将MQ-2输出的模拟电压与无火灾发生时MQ-2输出的阈值电压进行比较，并输出二值数字信号Dout。若大于阈值电压，则说明有火灾发生，LM393输出0；否则，说明无火灾发生，LM393输出1。

环境温湿度也是判断火灾的重要依据之一，温湿度采集一般采用专业的温湿度传感器[5]。设计中利用DHT11数字式温湿度传感器串行单线双向接口，其应用电路如图5所示[6-7]。DATA用于TMS320F28335 与DHT11之间的通信与同步，采用单总线数据格式，一次完整的数据传输为40 bit，高位先出。数据传送正确时校验和等于“8 bit湿度整数数据+8 bit湿度小数数据+8 bit温度整数数据+8 bit温度小数数据+ 8 bit校验和”所得结果的末8位。

图5　DHT11应用电路Fig.5Circuit of DHT11 application

DHT11与TMS320F28335通信过程如图6所示。DHT11上电后，等待1 s以越过不稳定状态，之后TMS320F28335向DHT11发送一次开始信号，DHT11从低功耗模式转变为高速模式，等待主机开始信号结束后，DHT11发出相应信号并送出40位数据。

图6　DHT11与TMS320F28335通信过程Fig.6TMS320F28335 of DHT11 communication process

1.3终端显示报警模块

终端显示报警模块由LCD12864显示电路与蜂鸣器报警电路组成，如图7所示。

终端显示报警模块由传感器采集到的各个节点环境变量可直接显示在LCD12864上，当环境变量超过预设值时，TMS320F28335产生不同频率占空比的PWM波给蜂鸣器，使得蜂鸣器根据节点的不同发出不同的报警声音。

图7　终端显示报警模块Fig.7Alarm module of terminal display

2　软件系统设计

2.1TMS320F28335主控模块软件设计

系统所使用的单片机为TI公司的TMS320F28335芯片，采用的软件开发平台为CCstudio v3.3，仿真器使用的是XDS100 V1。软件实现功能程序流程图如图8所示，实现步骤如下：

图8　主控程序流程图Fig.8Flowchart of master program

（1）通过内部自带的ADC模块采集烟雾传感器与火焰传感器的AD值，并通过计算得到烟雾值与火焰值。

（2）与DHT11温湿度传感器进行通信，得到温度值和湿度值。

（3）驱动LCD12864，能将火焰值、烟雾值以及温湿度在LCD12864上显示。

（4）通过控制单片机内部的PWM模块输出，从而来控制蜂鸣器报警的声音。

（5）将数据通过串口发送至Zigbee终端。

图9　CC2530电路原理图Fig.9Schematics of CC2530 circuit

2.2Zigbee无线传输模块

无线传输模块主要采用ZigBee技术，利用CC2530作为主控芯片完成相关设计电路如上图9所示。

ZigBee技术是基于IEEE802.15.4，介于无线标记技术与蓝牙之间的一种低速短距离传输的无线网络协议，其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率[3-4，8]。主控芯片CC2530是由TI公司研究开发的，该芯片工作在2.4GHz频段，支持IEEE802.15.4标准/Zigbee/Zigbee RF4CE的应用，结合了一个完全集成的射频收发器与一个增强型8051内核。设计中，采用IAR集成开发环境进行开发[9]。Zigbee协调器与终端程序流程图如图10所示。

图10　Zigbee协调器与终端程序流程图Fig.10Terminal program flowchart and Zigbee coordinator

2.3上位机软件

上位机主要利用跨平台集成开发环境Qt Creator 3.1.0完成相关控制和显示界面设计。Qt Creator是一个用于Qt开发的轻量级跨平台集成开发环境[10]。上位机的功能：使用第三方的串口类Qextserialbase与Zigbee协调器进行通讯，将接收到的每个节点数据在上位机上显示对应的温度、湿度、火焰值、以及烟雾值。程序流程图如图11所示。

图11　上位机程序流程图Fig.11Flow chart of PC program

3　实验测试

在发射功率为0 dBm的情况下，Zibee在室内的作用距离通常能达到30～50 m，但由于室内的墙壁、地面以及障碍物等会对信号传输造成一定的影响，实际传输距离比理论值小，且会出现信号传输不稳定等情况。在实际应用中，将Zigbee终端与协调器尽量水平放置，使得二者处于对方的最佳辐射面上。而且，Zigbee终端与协调器的安装不要紧贴金属，要使得天线距离金属或金属平面10 cm以上。否则金属会破坏天线的辐射场，使得信号辐射图变形，对信号的传输造成影响。

为了测试系统的整体性能，实验中选择了一间面积大小约20 m2，高约3 m的公寓进行室内测试多点分布式的空间布局采用等边三角形式，将Zigbee终端放置于房间的同一水平内并与地面保持一定距离，三个终端为等边三角形的三个顶点，并将协调器放置于走廊，当模拟发生火灾时将火源放置等边三角形的中心。利用QT设计的上位机系统监测界面如图12所示。多点分布式的测试数据如表1所示。

图12　多点分布式系统监测界面Fig.12Multipoint distribution system monitoring interface

表1　多节点共同测量数据表Table 1Data of multi-node common measurement

表1为多节点共同测量结果，其中温度测量最大误差为3.3%，湿度测量最大误差为1.7%，火焰值测量数据基本相同，烟雾量的最大测量误差为4.7%，精度较单节点测量结果高。当发生火灾时，因为模拟发生火灾的火源不能达到使整个测试环境的环境变量发生大范围的变化，且传感器在实际测量中受到有效距离的限制，故测试环境的变量参数变化较少，但火灾点局部的变量参数与测量结果基本一致。

4　结论

高速的数据处理和智能化、网络化的监测信息管理是火灾监测管理系统发展的方向。本设计基于高速处理器TMS320F28335 DSP与Zigbee无线物联网技术为基础，完成了多点分布式火灾监测系统的硬件方案设计和上位机QT的软件设计。软硬件测试结果显示表明，在空间较大、遮挡物较多的场合，点对点的信号传输无法使得室内信号的完全覆盖，出现盲区。在该场合下加入路由器，一个路由器可以加入255个节点，一个协调器也可以加入255个节点，故在盲区内加入一个路由器使得终端的数据可以发送给路由器，再由路由器发送至Zigbee协调器，从而使得整个场合实现信号的完全覆盖，可以实现分布式的多节点火灾的监测。系统当发生火灾时能实现终端显示报警和上位机显示报警，具有人性化管理界面和多点分布无线监测管理的优点。

参考文献：

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［3］聂春雷，谢巍.基于Zigbee的火灾报警系统的研究［J］.硅谷，2011（11）：48.

［4］卓可强，王鹏程，左开中.基于Zigbee的烟雾检测火灾报警传感节点设计［J］.现代计算机，2013（8）：78-80.

［5］薛冬雪，赵斌，衣淑娟，等.基于RS485总线的群体育秧棚环境智能监控系统的研究［J］.黑龙江八一农垦大学学报，2014，26（3）：23-25.

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Fire Monitoring System of Muiti-point Distribution Based on DSP and Zigbee

Chen Chao，Zhou Jinrong，Zheng Nan
（College of Physics and Information Engineering，Minnan Normal University，Zhangzhou 363000）

Abstract:Combining multi-point distributed fire monitoring system，the design approach was elaborated to high-speed DSP processor TMS320F28335 and Zigbee networking technology.Each node monitoring temperature and humidity sensors，flame sensor，smoke sensor information were collected and processed by TMS320F28335 core processor by Zigbee wireless transmission module sent to the coordinator.Through the serial port，the coordinator sent the data to PC.PC function interface was designed by Qt Creator.The entire system achieved multi-point distribution′s fire alarm monitoring terminal and PC Alarm display and implemented multi-point distribution of fire alarm monitoring terminal and PC alarm display.

Key words：fire monitoring；Zigbee technology；DSP TMS320F28335；multipoint distribution

中图分类号：TP29

文献标识码：A

文章编号：1002-2090（2016）01-0093-07

doi:10.3969/j.issn.1002-2090.2016.01.021

收稿日期：2014-12-31

基金项目：2014年大学生创新创业训练计划项目资助（201410402016）。

作者简介：陈超（1994-），男，闽南师范大学物理与信息工程学院2012级本科生。

通讯作者：周锦荣，男，讲师，E-mail：jinrongzhou@163.com。