王鵬彪,劉 鈺,張志美（沈陽師范大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,沈陽 110034）

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)消防報警系統(tǒng)的設(shè)計

王鵬彪,劉 鈺,張志美
（沈陽師范大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,沈陽 110034）

本文設(shè)計火災(zāi)報警系統(tǒng)可實現(xiàn)實時溫度監(jiān)測和空氣煙霧濃度監(jiān)測。該系統(tǒng)采用單片機(jī)AT89S52RC實現(xiàn)控制電路，采用數(shù)字式溫度傳感器DS18B20實時監(jiān)測環(huán)境溫度，采用煙霧毒氣傳感器MQ-2實現(xiàn)對空氣中煙霧濃度實時采集，利用無線數(shù)據(jù)通信收發(fā)芯片NRF24L01實現(xiàn)對溫度及煙霧濃度現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)的實時傳送，實現(xiàn)遠(yuǎn)程的監(jiān)控及預(yù)警。該系統(tǒng)體積小，便于多點監(jiān)測，智能控制且性能穩(wěn)定，可供家用及公共場所的火災(zāi)監(jiān)測。

SoC；AT89S52RC；煙霧傳感器MQ-2；溫度傳感器DS18B20；無線

1 前言

隨著社會的進(jìn)步和生產(chǎn)的需要，利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的方式應(yīng)用已經(jīng)滲透到生活各個方面，因此利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計新產(chǎn)品必然在當(dāng)今社會成為一個焦點。在現(xiàn)實生活中，這種無線采集系統(tǒng)已經(jīng)被成功應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)、環(huán)境監(jiān)測、軍事國防、機(jī)器人控制等許多重要領(lǐng)域。特別是無線火災(zāi)報警系統(tǒng)可以有效的實現(xiàn)火災(zāi)預(yù)警，減少損失。

本文基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)消防報警系統(tǒng)，該設(shè)計具有實際意義，可以應(yīng)用于預(yù)防火災(zāi)、預(yù)防煤氣中毒、煤炭資源開采等諸多方面，具有設(shè)計小巧、多點式的檢測、無線報警、智能控制、性價比高、操作簡單、性能穩(wěn)定和功能強(qiáng)大的特點。本系統(tǒng)的設(shè)計采用了Nordic公司新推出的射頻芯片NRF24L01射頻芯片，利用單片機(jī)STC89S52RC控制實現(xiàn)短距離無線數(shù)據(jù)通信。該系統(tǒng)包括發(fā)送和接收兩個模塊。發(fā)送部分以單片機(jī)STC89S52RC為核心，溫度傳感器DS18B20和煙霧傳感器MQ-2負(fù)責(zé)實時采集環(huán)境溫度和煙霧濃度，單片機(jī)負(fù)責(zé)將傳感器采集到的數(shù)據(jù)通過NRF24L01無線傳送給接收部分。接收模塊NRF24L01負(fù)責(zé)將、接收的溫度和煙霧濃度數(shù)據(jù)，單片機(jī)控制實現(xiàn)顯示和報警功能，若采集到的數(shù)據(jù)超過安全設(shè)定值則通過蜂鳴器報警，系統(tǒng)還包括人機(jī)交互模塊，根據(jù)環(huán)境不同設(shè)置不同的安全閾值，有效地適應(yīng)現(xiàn)實環(huán)境的需要，實現(xiàn)準(zhǔn)確的火災(zāi)預(yù)警。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 主控電路

本文采用STC89S52RC作為主控制芯片[1-3]?？刂齐娐分饕?fù)責(zé)轉(zhuǎn)換傳感器采集的數(shù)據(jù)，并實現(xiàn)報警控制，同時控制無線收發(fā)模塊的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。圖1所示單片機(jī)最小系統(tǒng)。

圖1 單片機(jī)最小系統(tǒng)

2.2 檢測電路

本設(shè)計包含2類傳感器，分別是溫度傳感器DS18B20和煙霧傳感器MQ-2。 其中單線數(shù)字溫度傳感器DS18B20是世界上第一片支持 "一線總線"接口的溫度傳感器。DS18B20引腳圖及接線圖如下圖所示。

圖2 DS18B20引腳圖

圖3 DS18B20接線圖

MQ-2傳感器是以清潔空氣中電導(dǎo)率較低的金屬氧化物二氧化錫(SnO2)為主體的N型半導(dǎo)體氣敏元件。當(dāng)傳感器所處環(huán)境中存在煙霧氣體時，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中煙霧氣體濃度的增加而增大。MQ-2半導(dǎo)體氣體煙霧傳感器采集到的煙霧濃度模擬信號必須經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為可以識別的數(shù)字信號給單片機(jī)。

圖4 煙霧傳感器及其結(jié)構(gòu)圖

圖5 煙霧濃度采集電路

QM-2氣體傳感器開機(jī)通電時，內(nèi)阻小，需開機(jī)預(yù)熱幾分鐘，才能達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，應(yīng)用過程中要注意這一過程。

2.3 無線收發(fā)模塊

本文采用射頻收發(fā)器件nRF24L01作為收發(fā)模塊的核心器件[4-5]，工作頻段為2.4 GΗz～2.5 GΗz ISM頻段。單片機(jī)通過配置使能發(fā)射或接收端CE及CSN，SCK，MOSI，MISO，SPI，IRQ引腳端，控制nRF24L01模塊收發(fā)數(shù)據(jù)。

圖6 NRF24L01接線圖

2.4 聲光報警模塊

聲光報警電路主要通過彩燈的閃爍和蜂鳴器鳴響引起用戶的注意，當(dāng)外界溫度或空氣煙霧濃度超過預(yù)設(shè)溫度上下限時，單片機(jī)調(diào)用報警子程序。該電路由蜂鳴器和數(shù)碼管組成，具體電路如圖所示。

圖7 報警燈閃爍電路　

圖8 蜂鳴器報警電路

本文設(shè)計實現(xiàn)基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的消防報警系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括傳感器采集電路、無線收發(fā)模塊、單片機(jī)控制電路和煙霧溫度報警電路四大部分構(gòu)成。根據(jù)設(shè)計要求、使用環(huán)境、成本等因素，選用MQ.2型半導(dǎo)體電阻式煙霧傳感器和直接數(shù)字輸入式的溫度傳感器DS18B20。經(jīng)測定該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，能根據(jù)環(huán)境溫度和煙霧濃度實時報警，可用于家庭、學(xué)校及公共場所的消防預(yù)警。

3 軟件設(shè)計

單片機(jī)對NRF24L01無線模塊以及DS18B20、 MQ-2進(jìn)行初始化之后，從DS18B20讀取溫度數(shù)據(jù)，從MQ-2讀取煙霧數(shù)據(jù)，由單片機(jī)處理數(shù)據(jù)，通過調(diào)用無線發(fā)送程序?qū)囟群蜔熿F濃度數(shù)據(jù)發(fā)送給接收端，經(jīng)過處理之后在液晶顯示器LCD1602上顯示，同時接收端單片機(jī)分析采集到的溫度和濃度值是否超過設(shè)定閾值，實現(xiàn)實時監(jiān)測及報警功能。

3.1 發(fā)送部分流程圖

發(fā)送部分主要功能是利用傳感器網(wǎng)絡(luò)采集溫度與煙霧濃度數(shù)據(jù)，并通過NRF24L01將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送出。

3.2 接收部分流程圖

接受部分包括接受數(shù)據(jù)顯示和判斷報警兩部分。單片機(jī)通過控制無線接收模塊，接收來自遠(yuǎn)端傳感器的采集數(shù)據(jù)，并在LCD1602液晶屏上顯示。單片機(jī)的另一個功能是比較實時采集數(shù)據(jù)與設(shè)定的閾值，若溫度值或煙霧濃度值超過閾值則啟動報警程序，流程圖如圖10所示。

圖9 發(fā)送部分流程圖

圖10 接收部分流程圖

4 結(jié)論與展望

[1]李文忠,段朝玉.短距離無線數(shù)據(jù)通信[M].北京航空航天大學(xué)出版社,2006.

[2]張毅剛.單片機(jī)原理及接口技術(shù)（C51編程）[M].人民郵電出版社,2011.

[3]王全.AT89S51單片機(jī)原理及應(yīng)用技術(shù)[M].機(jī)械工業(yè)出版社,2015 .

[4]韓立偉,李界家,呂晶，劉悅.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)建筑火災(zāi)報警系統(tǒng)設(shè)計[J].安防科技，2015(01):11-13.

[5]時志云，蓋建平,王代華，張志杰.新型高速無線射頻器件nRF24L01及其應(yīng)用[J].國外電子元器件,2007(08):42-44.

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2015.21.111