基于CC2530无线火灾报警系统的设计

魏志强 马 敏 闫佳晖 蔡文杰

(1.北京航天计量测试技术研究所，北京 100076；2.中国运载火箭技术研究院，北京 100076)

1 引 言

随着计算机技术、现代通信技术的日益成熟和广泛应用，消防报警系统的无线设计、实现与运行具有了相当的稳定性。而我国中小型场所乃至家庭还没有成型的，较为完善的防火预警系统，这些场所点多面广，本文提到的无线火灾报警系统正契合这一特征。

本设计是将简单、低功耗的ZigBee无线传感网络加入到火灾报警这个已经相对成熟的领域，使之更加趋于智能化、广泛化和大众化。主要目的是希望改进后的火灾报警系统可以进入普通的家庭，以减少意外所带来的损失。

整个系统围绕传感器网络节点、协调器节点等硬件电路和软件部分进行设计。主要流程为：由终端传感器网络节点监测现场环境并将采集数据周期性地发送给协调器节点，再通过USB串口在上位机上显示采集的信息。

2 系统整体设计

本系统主要包括传感器网络节点、协调器节点、USB串口、系统上位机和供电电源。ZigBee无线传感网络采用“广播”的方式，由协调器节点和传感器网络节点(温度、气体、火焰)组成。协调器节点的功能包括建立组网、接收终端传感器采集的信号以及转发上位机的指令；温度传感器节点主要负责对当前环境的温度信息进行采集；烟雾传感器终端节点主要负责采集当前环境的气体信息(出现火灾主要是采集烟雾浓度)；火焰传感器节点主要负责监测当前环境是否存在火星火源以及采集其位置信息。系统整体框图如图1所示。

图1 系统整体框图

3 系统硬件设计

3.1 系统无线收发模块的设计

系统的核心芯片是CC2530，该芯片集成了IEEE802.15.4标准的2.4GHz频段RF收发器，可配置的RF调制解调器，提供了一套广泛的外设集，包括8通道的12位A/D转换器和21个通用I/O管脚、2个USART接口、128位的AES加密解密内核、MAC专用定时器、两个8位定时器等功能，该芯片只需设计极少的外接电路即可构建一个简单的ZigBee节点。CC2530芯片可支持2.0V～3.6V的宽电源电压范围，具备三种供电模式：4μs的唤醒模式(耗电电流0.2mA)、睡眠模式(耗电电流1μA)和中断模式(耗电电流0.4μA)，当CC2530处于非工作模式时，任何中断可将CC2530恢复到主动工作模式，某些中断还可将CC2530从睡眠模式唤醒，实现超短时间的快速转换，确保了低功耗的使用，设备的工作温度范围为-40℃～125℃，特别适合需要待电时间长、低功耗且环境变化的大场所使用。CC2530自身带有射频收发和调制解调等功能便于数据传送，而且只需要添加简单电路就可以实现，如图2所示。

图2 系统主体控制部分原理图

天线是无线收发的重要一环，既可以发送数据也可以接收信息，其可逆性极大地增强了协调器在设计中的作用。本电路采用无源晶振电路给主体控制芯片CC2530的正常工作提供持续稳定的时钟信号。从芯片CC2530的管脚RF_P和PF_N出来的指令通过一个同轴天线(电感、电容相连构成)输出发送。

3.2 系统功能模块的设计

3.2.1

协调器节点设计

协调器节点主要包括CC2530数据处理模块、天线、电源模块、串口模块、LED部分等。CC2530部分是各个节点的主控中心，是整个电路的中轴。传感器与协调器的天线用来收发信号信息。串口模块主要是让上位机和终端传感器和协调器建立连接。LED灯的亮灭是表示网络的连接情况，LED1亮说明允许其他节点加入该网络，LED2亮说明协调器组建ZigBee网络成功。如图3所示。

图3 协调器节点功能框图

3.2.2

传感器节点设计

传感器节点的整体结构与协调器节点类似，由CC2530数据处理模块、天线、传感器数据采集模块、电源部分和LED部分组成。其中，数据采集模块主要是负责采集环境中的温度、烟雾、火源数据，然后需要对数据进行转换。LED部分是表示节点是否加入或退出网络，D2亮则说明传感器节点加入ZigBee网络，D1亮则说明传感器节点开始周期性地发送数据。天线用于无线发送数据信息。

数据采集模块使用的传感器是DS18B20数字温度传感器和MQ-2气体传感器。DS18B20数字温度传感器是单总线器件，具有线路简单，体积小的特点，使用起来方便。接入电路部分如图4所示。MQ-2气体传感器可以用于家庭和工厂的气体泄漏监测装置，适宜于液化气、丁烷、丙烷、甲烷、酒精、烟雾等的检测，接入电路部分如图5所示。

图4 温度传感器电路原理图

图5 烟雾传感器电路原理图

3.2.3

有源蜂鸣器电路的设计

有源蜂鸣器像其他的传感器节点一样，其作用就是等待上位机下发的命令，然后报警。它工作的理想信号是直流电。原理是蜂鸣器内部有一些简单的振荡电路，能将恒定的直流电转化为一定频率的脉冲信号，从而引起磁场交变，带动钼片振动发音，所以产生了蜂鸣声。其原理图如图6所示。

图6 有源蜂鸣器电路原理图

4 系统软件设计

如图7所示，无线传感网络的建立选择星型拓扑网络，其较另外的拓扑结构更加具有优势：结构简单、容易管理和维护、成本低。本系统调试过程由一个协调器节点分别对应温度、烟雾和火焰三个传感器节点进行数据传输，协调器建立并维护整个组网，而终端传感器节点采集环境中的信息是通过ZigBee网络协议并发送到协调器节点，通过USB串口传给上位机显示，若是有灾情出现就下发命令给有源蜂鸣器报警来及时阻止灾情的进一步加剧。

4.1 协调器节点的软件设计

关于协调器节点的软件设计，它的作用主要是负责组建并维护网络，其次是接收终端传感器节点采集的环境信息数据，并将这些数据信息经由串口传给上位机显示。整个协调器的软件工作流程如图7所示。

图7 协调器节点的工作流程图

4.2 传感器节点的软件设计

组网成功后，终端传感器节点加入ZigBee网络，然后周期性地采集外部环境信息数据、处理各个传感器的数据并向协调器发送。鉴于大多数时间以及系统功耗考虑，各个传感器设置为周期性工作，其余时间进入休眠模式。这里选择了ZigBee协议栈里的一个可以实现毫秒(ms)级的定时函数OSAL_START_TIMEREX()，定时发送数据到协调器节点，从而达到周期性工作的目的。整个工作流程如图8所示。

图8 传感器网络节点的工作流程图

4.3 报警系统的软件设计

如下图9所示为整个报警系统的工作流程。考虑具体的实际情况主要设计了未存在灾情、存在火灾隐患(如温度升高、出现少量烟雾)和出现火灾三种处理模式，出现灾情的话立即启动蜂鸣器报警1分钟，否则的话就将实时采集的温度、烟雾浓度和火源数据发送给上位机显示。

图9 报警器的工作流程

5 测试结果

整个实验过程：给协调器和三个终端传感器下载各自的程序，摆放好各自的位置，模拟一个小型火灾环境一一点燃纸张(纸张燃烧的温度在200℃左右)。先做预热准备，如设置好串口的各个参数(波特率为115200、校验位NONE、数据位8、停止位1)，然后上电，可以看到协调器和传感器的LED灯都亮了，即ZigBee组网成功。点击调试助手的“打开”按钮，看到各个传感器上传的数据即为当前室内的常温信息。观察一段时间，确认整个设计无漏洞，点燃纸张，看到上位机接收区域数据均明显变化，且点燃纸张约1s便听见警报响起。如图10所示，温度明显升高；烟雾数据如图11所示；火焰数据如图12所示。

图10 温度数据变化

图11 烟雾数据变化

图12 火焰数据变化

6 结束语

本火灾报警系统是基于ZigBee无线网络的设计，采用了CC2530作为主控制芯片，通过对环境中温度、气体烟雾、火星火源的实时监测对火灾隐患报警，为预防火灾提供了一个新的实现途径。采用ZigBee进行设计，简单且易实现；采集数据及数据的传输过程中，系统稳定、数据无误，扩大终端传感器的散布范围，可广泛的应用于各种火灾监测和预防。