智能火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

張戰(zhàn)鳴

摘要：本文設(shè)計了一種由煙霧傳感器、單片機構(gòu)成的智能火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)。通過無線通信模塊對監(jiān)控區(qū)域進行多點數(shù)據(jù)采集，采用循環(huán)檢測技術(shù)，對傳感器數(shù)據(jù)進行循環(huán)檢測。實測表明，該監(jiān)控系統(tǒng)各項指標(biāo)皆能達到要求，具有一定的實用性。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)采集；火災(zāi)監(jiān)控；無線通信；循環(huán)檢測

中圖分類號：TP311 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）06-0179-02

1 概述

火災(zāi)的時有發(fā)生給人們造成了嚴(yán)重?fù)p失，完善火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)，對于探測火災(zāi)隱患，保障生命財產(chǎn)安全有著重要的意義。通?；馂?zāi)監(jiān)控系統(tǒng)都采用布線方式將各個數(shù)據(jù)采集點集中起來，這樣需要大量的時間，而且布線過程復(fù)雜，帶來很多的不便。同時，導(dǎo)線本身的老化或損壞也會直接影響故障率高、誤報率高。

本火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)是將所監(jiān)視的若干區(qū)域內(nèi)的傳感器輸信號，以無線通信形式發(fā)送給MCU控制單元。這樣安裝起來就結(jié)構(gòu)簡單，沒有復(fù)雜的布線，檢修方便。

2 系統(tǒng)分析

本系統(tǒng)采用了多個無線傳感器節(jié)點和一個監(jiān)控終端。整個系統(tǒng)以單片機89C2051為核心，包括煙霧傳感器、驅(qū)動電路、外部天線、射頻收發(fā)器等構(gòu)成。煙霧傳感器按照要求布置到在監(jiān)控區(qū)域的各個地點，其作用是數(shù)據(jù)的采集和傳輸，同時接收各節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)和命令。單片機89C2051負(fù)責(zé)信息分析處理，完成相應(yīng)的操作。其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

監(jiān)控終端與無線傳感器節(jié)點直接相連，定時向無線傳感器節(jié)點采集數(shù)據(jù)，并分析是否有火災(zāi)報警相關(guān)信息，這樣即降低了監(jiān)控系統(tǒng)的誤報率，又提高了系統(tǒng)的可靠性。系統(tǒng)如果接收到火災(zāi)信息，則發(fā)出報警，立即給數(shù)據(jù)采集節(jié)點發(fā)出控制指令，迅速啟動滅火設(shè)施。監(jiān)控終端結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3 硬件設(shè)計

3.1無線傳輸模塊

nRF905是單片射頻收發(fā)器，工作在433/868/915MHz的ISM頻段。它包括頻率調(diào)制器、帶解調(diào)器的接收器、功率放大器、晶體振蕩器和調(diào)節(jié)器等部分，采用ShockBurstTM工作模式，使用SPI接口與微控制器通信。工作特點是功耗非常低，發(fā)射功率為+10dBm 時發(fā)射電流為30mA，接收電流為12.5mA。進入POWERDOWN 模式可以很容易實現(xiàn)節(jié)電。nRF905與單片機的連接如圖3所示。

射頻收發(fā)器nRF905有ShockBurstTM RX和ShockBurstTM TX兩種活動模式，同時有斷電和SPI編程以及待機和SPI編程兩種省電模式。

nRF905的模式由TRX_CE， TX_EN 和 PWR_UP劃分如表1所示。

活動模式：nRF905數(shù)據(jù)傳輸快速，通過將與RF協(xié)議有關(guān)的高速信號處理放到芯片內(nèi)，數(shù)據(jù)在MCU中低速處理，在nRF905中高速發(fā)送。當(dāng)接收到匹配正確地址和數(shù)據(jù)后，通過地址匹配端（AM）和數(shù)據(jù)準(zhǔn)備端（DR）兩通知單片機。在信號發(fā)送時，nRF905自動產(chǎn)生前導(dǎo)碼和CRC校驗碼，如果發(fā)送過程完成，則由引腳通知微處理器數(shù)據(jù)發(fā)射完畢。

關(guān)機模式：進入關(guān)機模式后，設(shè)備不再工作，nRF905的消耗電流最小，通常為2.5uA，這樣將減少平均耗電并最大的維持電池的生命。nRF905將保持配置字中的內(nèi)容直到關(guān)機。

節(jié)能模式：保持電流消耗最小，而且保證最短的ShockBurstRX、ShockBurstTX的啟動時間和啟動時減小工作電流。在該模式下，部分晶體振蕩器處于工作狀態(tài)。

3.2數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)信號采集模塊包括煙霧傳感器和驅(qū)動電路兩個部分，感應(yīng)煙霧信號，輸出模擬電信號。煙霧信號采用MQ-2氣體傳感器，MQ-2氣體傳感器的工作原理是在干凈空氣中電導(dǎo)率較低，當(dāng)MQ-2檢測到煙霧信息時，傳感器的電導(dǎo)率迅速增大。

驅(qū)動電路以LM393為核心，MQ-2檢測到的信號比較小，使用時需要對其進行放大，驅(qū)動電路如圖4所示。

采用LM393放大芯片作為信號驅(qū)動電路，LM393是雙電壓比較器集成電路。工作電源電壓范圍寬，單電源、雙電源均可工作。單電源1～36V，雙電源+1～+18V、-1至+18；輸出TTL信號LED指示。雙信號輸出，模擬量TTL電平輸出。TTL輸出有效信號低電平。模仿量輸出0至5V電壓，濃度越高，電壓越高。TTL的靈敏度可通過電位器調(diào)節(jié)。

4 軟件設(shè)計

軟件設(shè)計包括監(jiān)控終端和數(shù)據(jù)采集端設(shè)計，采用循環(huán)檢測技術(shù)，因此監(jiān)控終端依次向數(shù)據(jù)采集端發(fā)送命令，并接收數(shù)據(jù)采集端的應(yīng)答信號，以此判斷是否有火災(zāi)發(fā)生。

數(shù)據(jù)采集端程序包括主程序和中斷程序兩部分。主程序的作用是對系統(tǒng)進行初始化和檢測處理，中斷程序的作用是通過nRF905發(fā)送數(shù)據(jù)。

4.1發(fā)射程序

數(shù)據(jù)發(fā)送按以下步驟進行：當(dāng)需要送數(shù)據(jù)時，接收節(jié)點的地址和有效數(shù)據(jù)通過SPI接口傳送給nRF905，并設(shè)置好接口速度；設(shè)置TRX_CE=1，TX_EN=1，啟動nRF905 的ShockBurstTM 工作模式；自動上電，數(shù)據(jù)包自處理完成，數(shù)據(jù)包被發(fā)射（50kbps， GFSK， Manchester-encoded）；如果設(shè)置AUTO_RETURN為高電平，在TRX_CE=1期間，nRF905將持續(xù)的發(fā)送數(shù)據(jù)包；當(dāng)TRX_CE=0時，數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束并進入待機模式。

發(fā)送過程流程圖如圖5所示。

4.2 接收程序

通過分別設(shè)置TRX_CE=1和TX_EN=0來選擇RX不同模式；650us后，nRF905監(jiān)測感應(yīng)數(shù)據(jù)信息，等待接收數(shù)據(jù)；當(dāng)射頻收發(fā)器nRF905檢測到相關(guān)信息時，載波檢測CD端被置為高電平；如果nRF905接收到相匹配的地址，則地址匹配端AM被置為高電平；當(dāng)nRF905通過CRC校驗正確，接收到有效的數(shù)據(jù)包時，數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒，則DR端被置高電平；單片機設(shè)置TRX_CE為低電平時，進入待機模式。單片機通過SPI接口讀出有效數(shù)據(jù)。接收程序流程圖如圖6所示。

5 結(jié)束語

綜上所述，由MQ-2、89S51、nRF905組成的火災(zāi)自動報警系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，具有較高的靈活性和可靠性，抗干擾能力強。該監(jiān)控系統(tǒng)制作和調(diào)試方便，容易實現(xiàn)。各項指標(biāo)皆能達到要求，具有一定的實用性，符合安全系統(tǒng)的要求。

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