基于ZigBee的实验室防火远程监控系统设计

闫亚玲，李 博，刘伟杰

(中北大学 仪器科学与动态测试教育部重点实验室，太原 030051)

0 引 言

实验室防火是实验室安全建设的重点，实验室火灾的发生无论在科研还是生命安全方面都会造成极大危害。随着人们对安全性认识越来越高，实验室安全防范工作也日益周密，但仅采用人为防范措施就会存在一些不可预测安全隐患，例如实验室无人情况下发生火情的状况，为此本文设计ZigBee的实验室防火远程监控系统[1]。ZigBee采用无线通信方式方便在实验室不同方位布置设备并且可以组网检测，如有火情不仅可以通过蜂鸣器鸣叫提示预警，而且在实验室无人管理的情况下可以通过自动发送报警彩信到指定手机，管理人员可以远程监测实验室安全状态，在多个方面确保实验室安全[2]。

1 ZigBee无线网络技术

ZigBee是一种新型的的短距离、低码率无线组网通信技术，具有低功耗、低成本、低速率、自组网方便灵活、安全性高等特点[3]。ZigBee是一种介于无线标记技术与蓝牙之间的技术方案，遵循IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议[4]，其组网效率非常高，最多可组成一个高达65 000个无线数传模块组成的无线数传网络平台[5]。ZigBee网络拓朴结构可以分为星状拓朴和点对点对等拓朴，无论哪种结构必须只有一个协调器和其他设备终端节点通信，协调器负责建立网络并对网络进行监控。

2 系统整体设计方案

系统主要硬件包括采用ZigBee无线传感网络、基于ARM架构的TE6410开发板平台、GPRS模块、蜂鸣器、USB摄像头等[6]。系统硬件组成如图1所示。

图1 系统硬件结构

各个硬件模块功能如下：

(1)ZigBee无线传感网络利用多路烟雾器节点采集实验室烟雾信息，由协调器接收到的信息通过串口发送到数据处理服务器上。

(2)数据处理服务器通过判断采集信息是否超过用户设定的上限，如果超过则让蜂鸣器鸣叫和设置GPRS模块发送彩信模式。

(3)USB摄像头采集实验室图像。

(4)数据处理服务器处理采集到的视频信息，并将采集到的图片信息通过GPRS模块发送彩信到指定手机，方便管理者监控实验室状态。

3 系统硬件设计

3.1 ZigBee无线网络节点的设计

Zigbee无线网络节点的硬件采用TI公司生产的SOC芯片CC2430[7]，内置增强型8051内核，接口丰富，具有8KB SDRAM、128KB闪存,其性能较为强大，具有DMA功能、12位ADC、2路全功能串口、自带看门狗、支持硬件调试、21个IO等，ZigBee本身模块带有射频功能，因此只需要模块RF-P、RF_N管脚与天线之间加一级接口电路，即无线收发模快，就可用来放大接收和发送信息的功率，从而加大数据传输距离[8]。CC2430模快电路如图2所示。

图2 CC2430模块电路设计

3.2 烟雾传感器模快设计

系统烟雾传感器使用MQ2,该传感器是基于气敏元件传感器，灵敏度高、对各种烟雾能均衡响应，在火灾预警中表现出色[9]。MQ2传感器电路如图3所示，主要包括一个集成电路芯片LM393，通过管脚2和3电压的比较功能，用于输出数字量电压。电阻R4用来调节传感器的敏感程度，两个发光LED用作指示灯，绿色LED灯亮表示系统正常工作，红色LED灯亮表示烟雾报警功能[10]。传感器在5 V、CC2430在3.3 V电压下工作。为了保证CC2430在3.3 V电压下工作，采用TI公司生产的REG117-3.3芯片，实现5 V到3.3 V电压的转换。

图3 MQ2传感器电路

3.3 GPRS模块设计

GPRS是通用分组无线服务技术的简称，它是GSM移动电话用户可用的一种移动数据业务。本文采用的ATK-SIM900A模块是 ALIENTEK推出的一款高性能工业级GPRS模块，支持短信、彩信、语音通信等功能，模块具有RS-232和TTL串口，通过它与TE6410串口通信。在模块使用时需要一块开通GPRS业务的手机卡才可以使用。

4 系统软件设计

4.1 ZigBee节点程序设计

协调器节点在整个ZigBee网络中起到两个重大作用，一是负责建立起网络并且循序加入设备节点，二是与其他传感器节点通信，并将通信信息通过串口发送到数据处理平台。本文采用ZigBee软件节点设计和TI公司半开源的Zstack协议栈ZigBee-2006,协调器节点在设备上电后初始化，通过主动扫描其他设备并为其分配一个16位地址，允许其加入网络，协调器工作流程如图4所示。在网络组建以后传感器节点需要周期性向协调器发送数据[11]。周期性的工作采用ZigBee协议栈的轮训方式，使用定时函数osal_start_timeEX()，该函数可以实现ms级的定时，周期性重复类似于单片机定时器中断方式[12]。在整个无线网络系统中，各个传感器采集到的数据，周期性向协调器发送，其工作流程如图5所示。

4.2 嵌入式应用软件设计

系统采用TE6410开发板作为处理数据服务器，基于Linux操作系统[13]，烟雾传感器各个节点通过发送传感器数据到协调器，协调器通过串口与处理器相连将数据进行分析输出[14]。烟雾传感器MQ2使用数字量输出，输出引脚与CC2430的P0.1引脚相连，一旦传感器检测到烟物所设置的阈值，输出引脚电平会变低，CC2430便会发送无线信息到协调器，协调器通过串口发送信息进入处理器，处理器串口设置中断模式，可以避免处理器轮训占用处理器资源，触发串口中断并对信息进行判断让蜂鸣器鸣叫报警，摄像头进行拍照，处理器通过设置GPRS模块调用摄像头拍照图片发送彩信到指定手机[15]。应用程序采用模块化开发，采用多线程程序设计，线程1设计GPRS模块发送彩信，线程2设计摄像头拍照，通过判断协调器发送的信息设置条件变量，触发线程1设置，GPRS发送彩信指令，GPRS线程启动通过环境变量触发线程2，线程2采集图片信息通过共享内存以线程1通信，发送彩信到指定手机，恢复条件变量[16]。应用程序设计流程如图6所示。

图4 协调器节点工作流程图图5 传感器节点工作流程图

图6 应用程序设计流程

5 结 语

鉴于实验室防火安全体系的不足，设计基于ZigBee的实验室防火远程监控系统，能够高效快速准确检测实验室火情。采用多路烟雾传感器利用ZigBee组成立体的检测网络，提高了检测的准确度和灵敏度，并且采用无线通信技术避免了占用实验室布线的不便。通过本地蜂鸣器和远程彩信报警确保实验室的安全。经实验检测，当有火焰或者烟雾出现在实验室时，报警器快速准确报警，蜂鸣器快速做出反应，在3 min内用户收到摄像机发出的火情信息，基本实现实验室的防火预警，给实验室火灾预警提供一个新思路。