張戰(zhàn)鳴

摘要：本文設(shè)計(jì)了一種由煙霧傳感器、單片機(jī)構(gòu)成的智能火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)。通過(guò)無(wú)線通信模塊對(duì)監(jiān)控區(qū)域進(jìn)行多點(diǎn)數(shù)據(jù)采集，采用循環(huán)檢測(cè)技術(shù)，對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行循環(huán)檢測(cè)。實(shí)測(cè)表明，該監(jiān)控系統(tǒng)各項(xiàng)指標(biāo)皆能達(dá)到要求，具有一定的實(shí)用性。

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

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2016）06-0179-02

1 概述

火災(zāi)的時(shí)有發(fā)生給人們?cè)斐闪藝?yán)重?fù)p失，完善火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)于探測(cè)火災(zāi)隱患，保障生命財(cái)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(gè)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)集中起來(lái)，這樣需要大量的時(shí)間，而且布線過(guò)程復(fù)雜，帶來(lái)很多的不便。同時(shí)，導(dǎo)線本身的老化或損壞也會(huì)直接影響故障率高、誤報(bào)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(hào)，以無(wú)線通信形式發(fā)送給MCU控制單元。這樣安裝起來(lái)就結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，沒(méi)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(gè)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)和一個(gè)監(jiān)控終端。整個(gè)系統(tǒng)以單片機(jī)89C2051為核心，包括煙霧傳感器、驅(qū)動(dòng)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(gè)地點(diǎn)，其作用是數(shù)據(jù)的采集和傳輸，同時(shí)接收各節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)和命令。單片機(jī)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(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)直接相連，定時(shí)向無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)，并分析是否有火災(zāi)報(bào)警相關(guān)信息，這樣即降低了監(jiān)控系統(tǒng)的誤報(bào)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(bào)警，立即給數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)發(fā)出控制指令，迅速啟動(dòng)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(jì)

3.1無(wú)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(diǎn)是功耗非常低，發(fā)射功率為+10dBm 時(shí)發(fā)射電流為30mA，接收電流為12.5mA。進(jìn)入POWERDOWN 模式可以很容易實(shí)現(xiàn)節(jié)電。nRF905與單片機(jī)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(dòng)模式，同時(shí)有斷電和SPI編程以及待機(jī)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(dòng)模式：nRF905數(shù)據(jù)傳輸快速，通過(guò)將與RF協(xié)議有關(guān)的高速信號(hào)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(guò)地址匹配端（AM）和數(shù)據(jù)準(zhǔn)備端（DR）兩通知單片機(jī)。在信號(hào)發(fā)送時(shí)，nRF905自動(dòng)產(chǎn)生前導(dǎo)碼和CRC校驗(yàn)碼，如果發(fā)送過(guò)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(jī)模式：進(jìn)入關(guān)機(jī)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(jī)。

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(dòng)時(shí)間和啟動(dòng)時(shí)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(hào)采集模塊包括煙霧傳感器和驅(qū)動(dòng)電路兩個(gè)部分，感應(yīng)煙霧信號(hào)，輸出模擬電信號(hào)。煙霧信號(hào)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(cè)到煙霧信息時(shí)，傳感器的電導(dǎo)率迅速增大。

驅(qū)動(dòng)電路以LM393為核心，MQ-2檢測(cè)到的信號(hào)比較小，使用時(shí)需要對(duì)其進(jìn)行放大，驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示。

采用LM393放大芯片作為信號(hào)驅(qū)動(dòng)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(hào)LED指示。雙信號(hào)輸出，模擬量TTL電平輸出。TTL輸出有效信號(hào)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(guò)電位器調(diào)節(jié)。

4 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)包括監(jiān)控終端和數(shù)據(jù)采集端設(shè)計(jì)，采用循環(huán)檢測(cè)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(hào)，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(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化和檢測(cè)處理，中斷程序的作用是通過(guò)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(jìn)行：當(dāng)需要送數(shù)據(jù)時(shí)，接收節(jié)點(diǎn)的地址和有效數(shù)據(jù)通過(guò)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(dòng)nRF905 的ShockBurstTM 工作模式；自動(dòng)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(shí)，數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束并進(jìn)入待機(jī)模式。

發(fā)送過(guò)程流程圖如圖5所示。

4.2 接收程序

通過(guò)分別設(shè)置TRX_CE=1和TX_EN=0來(lái)選擇RX不同模式；650us后，nRF905監(jiān)測(cè)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(cè)到相關(guān)信息時(shí)，載波檢測(cè)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(guò)CRC校驗(yàn)正確，接收到有效的數(shù)據(jù)包時(shí)，數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒，則DR端被置高電平；單片機(jī)設(shè)置TRX_CE為低電平時(shí)，進(jìn)入待機(jī)模式。單片機(jī)通過(guò)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(yǔ)

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

參考文獻(xiàn)：

[1] 李全利.單片機(jī)原理及應(yīng)用技術(shù)[M].3版.北京：高等教育出版社，2003.

[2] 徐錫生.淺談高層建筑電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].機(jī)電信息，2011（15）.

[3] 孫英達(dá).nRF905無(wú)線收發(fā)芯片的應(yīng)用[J].機(jī)械制造與自動(dòng)化，2009（6）.

[4] 劉瀟.電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用分析[J].智能建筑電氣技術(shù)，2014（5）.