基于nRF2401智能無(wú)線火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　引言

　　火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)關(guān)系到建筑物內(nèi)人們生命財(cái)產(chǎn)安全，在整個(gè)智能建筑中，火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)起著相當(dāng)重要的作用. 傳統(tǒng)火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)無(wú)法滿足及時(shí)報(bào)警的要求.問(wèn)題主要集中在兩個(gè)方面:首先,當(dāng)建筑物中發(fā)生火災(zāi)時(shí),傳統(tǒng)的火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)容易因?yàn)榫€路損壞而失去效用,在傳統(tǒng)火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)中大量使用的有線通信電纜,極易造成火勢(shì)的蔓延,加劇災(zāi)情;其次,傳統(tǒng)的火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)中探測(cè)器分布有限,直接導(dǎo)致火災(zāi)檢測(cè)的可靠性差,容易出現(xiàn)誤報(bào)情況,并且無(wú)法對(duì)整個(gè)建筑物進(jìn)行系統(tǒng)和全面地探測(cè)。本文設(shè)計(jì)了基于nRF2401智能無(wú)線火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)可以對(duì)建筑物目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行有效的監(jiān)控，而且監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)體積小，無(wú)需布線，移動(dòng)、安裝和檢修方便。

　　系統(tǒng)概述

　　監(jiān)控系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集控制節(jié)點(diǎn)和監(jiān)控終端組成.在本文中監(jiān)控系統(tǒng)采用了星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由一個(gè)與計(jì)算機(jī)相連的無(wú)線通信模塊作為系統(tǒng)的監(jiān)控終端，可以跟監(jiān)控系統(tǒng)中的任何一個(gè)數(shù)據(jù)采集控制節(jié)點(diǎn)通信。數(shù)據(jù)采集控制節(jié)點(diǎn)按照一定的規(guī)則分布在建筑物的各個(gè)房間或走廊內(nèi)，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集、處理和傳輸，并且對(duì)監(jiān)控終端發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)、命令進(jìn)行分析處理，完成相應(yīng)的操作。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

　　                               圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

　　該火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)采用了星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，采用這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能夠很好地?cái)U(kuò)展組合，容易增加系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)，滿足在建筑物中節(jié)點(diǎn)分布的不確定性，可以在建筑物中房間、隔離處放置節(jié)點(diǎn)，避免無(wú)線干擾和監(jiān)控區(qū)域不確定性的問(wèn)題。監(jiān)控終端與數(shù)據(jù)采集控制節(jié)點(diǎn)直接相連,每隔一段時(shí)間向數(shù)據(jù)采集控制節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù),然后進(jìn)行數(shù)據(jù)融合, 分析是否發(fā)出火災(zāi)報(bào)警信號(hào)。在一定程度上降低監(jiān)控系統(tǒng)的誤報(bào)，提高無(wú)線火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性。若有火災(zāi)發(fā)生則發(fā)出報(bào)警,同時(shí)給數(shù)據(jù)采集控制節(jié)點(diǎn)發(fā)出控制指令,啟動(dòng)滅火設(shè)施。

　　系統(tǒng)硬件

　　無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊nRF2401

　　nRF2401是挪威 Nordic公司的單片2.4GHz無(wú)線收發(fā)一體芯片。它將射頻、8051MCU、9通道12位ADC、外圍元件、電感和濾波器全部集成到單芯片中，并采用2.4GHz頻帶和0.18μm工藝，可提供ShockBurst(瘁發(fā))、 DuoCeiver、片上CRC以及地址計(jì)算編碼等功能。nRF2401支持多點(diǎn)間通信，最高傳輸速率超過(guò)1Mbit/S，比藍(lán)牙具有更高的傳輸速度。它采用SoC方法設(shè)計(jì)，只需少量外圍元件便可組成射頻收發(fā)電路。與藍(lán)牙不同的是, nRF2401沒(méi)有復(fù)雜的通信協(xié)議,它完全對(duì)用戶透明,同種產(chǎn)品之間可以自由通信。更重要的是，nRF2401比藍(lán)牙產(chǎn)品更便宜。所以nRF2401是業(yè)界體積最小、功耗最少、外圍元件最少的低成本射頻系統(tǒng)級(jí)芯片。

　　數(shù)據(jù)采集控制節(jié)點(diǎn)

　　數(shù)據(jù)采集控制節(jié)點(diǎn)作為監(jiān)控系統(tǒng)的終端部分，在本設(shè)計(jì)中被設(shè)計(jì)成模塊，這些模塊直接與傳感器和被控滅火設(shè)備相連來(lái)完成火災(zāi)報(bào)警和控制等功能。通過(guò)無(wú)線的方式與監(jiān)控終端相連，接收監(jiān)控終端發(fā)給自己的信息，并把自己的信息發(fā)送給監(jiān)控終端。數(shù)據(jù)采集控制節(jié)點(diǎn)的電路包括傳感器的輸入接口,輸出控制接口,電源接口和無(wú)線通信芯片的接口等，其電路原理圖如圖2所示。

　                     　圖2 數(shù)據(jù)采集控制節(jié)點(diǎn)電路原理圖

　　數(shù)據(jù)采集控制節(jié)點(diǎn)的電路主要包括傳感器的輸入接口,輸出控制接口,電源接口和無(wú)線通信芯片nRF2401的接口等。數(shù)據(jù)采集控制節(jié)點(diǎn)通過(guò)無(wú)線通信芯片nRF2401和監(jiān)控終端進(jìn)行通信，數(shù)據(jù)采集控制節(jié)點(diǎn)的無(wú)線通信接口由配置選通線(CS、CE、PWR_UP)，通道1(DATA1、CLK1、DR1)和通道2(DOUT2、CLK2、DR2)三部分組成。CS、CE和PWR_UP負(fù)責(zé)無(wú)線通信芯片nRF2401工作模式的配置，nRF2401工作模式有四種：收發(fā)模式、配置模式、空閑模式和關(guān)機(jī)模式。通道1(DATA1、CLK1、DR1)和通道2(DOUT2、CLK2、DR2)是無(wú)線通信芯片nRF2401和單片機(jī)AT89C2051之間的數(shù)據(jù)通道，本設(shè)計(jì)選用通道1(DATA1、CLK1、DR1)作為無(wú)線通信芯片nRF2401和單片機(jī)AT89C2051之間的數(shù)據(jù)通道。CLK1是單片機(jī)AT89C2051向無(wú)線通信芯片nRF2401的時(shí)鐘輸出線，DR1是無(wú)線通信芯片nRF2401向單片機(jī)AT89C2051發(fā)送的中斷信號(hào)接口，當(dāng)無(wú)線通信芯片nRF2401有數(shù)據(jù)準(zhǔn)備向單片機(jī)AT89C2051發(fā)送時(shí)，DR1產(chǎn)生高電平，則三極管N2導(dǎo)通，單片機(jī)AT89C2051引腳P3.3變?yōu)榈碗娖?，產(chǎn)生中斷，單片機(jī)AT89C51置接收模式，無(wú)線通信芯片nRF2401通過(guò)DATA1向單片機(jī)AT89C2051發(fā)送數(shù)據(jù)。

　　控制輸出采用四路繼電器輸出，為了防止干擾，采用光電隔離器將輸入與輸出相互隔離,也將輸入和輸出端與單片機(jī)AT89C2051隔開(kāi)。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的單片機(jī)通過(guò)光電隔離器和繼電器控制輸出， 其中P1.X是單片機(jī)AT89C2051引腳P1.4、P1.5、P1.6和P1.7，當(dāng)P1.X置低時(shí)，光電隔離器導(dǎo)通，繼電器線圈導(dǎo)通，則繼電器觸點(diǎn)動(dòng)作，完成控制動(dòng)作。
　　采集數(shù)據(jù)處理

　　采樣數(shù)據(jù)處理使用融合算法,將數(shù)據(jù)采集控制節(jié)點(diǎn)發(fā)送來(lái)的信息用多傳感器融合原理進(jìn)行處理(u=+1為發(fā)生火災(zāi),u=-1為未發(fā)生火災(zāi)):

　　式中ui是接收到數(shù)據(jù)采集控制節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù);

　　a0=log(P1/P0);當(dāng)ui=+1時(shí)，ai=PDi /PFi ;當(dāng)ui=-1時(shí)ai=1-PDi /1-PFi。

　　根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)和火源由專家經(jīng)驗(yàn)或現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)等賦予各傳感器以不同的檢出概率PD和虛警概率Pf以及P1和P0,在單片機(jī)內(nèi)部按照上述算法得u=1或者u=0,從而得出正確判斷.

　　系統(tǒng)抗干擾

　　系統(tǒng)的主要干擾源有電源線中的高頻干擾、感性負(fù)載產(chǎn)生瞬變?cè)肼暩蓴_、噪聲電壓干擾。為保證系統(tǒng)判斷傳感器輸入信號(hào)的穩(wěn)定性采用如下濾波電路: 選用專為通信控制芯片提供轉(zhuǎn)換電壓的LM1117為轉(zhuǎn)換芯片，它具有功耗低，體積小等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)在電源電路中加入220μH的電感，與并入多個(gè)不同容值的電容所構(gòu)成的濾波電路來(lái)抑制各種高頻信號(hào)，使數(shù)據(jù)采集控制節(jié)點(diǎn)能夠得到穩(wěn)定可靠且低干擾的電源,保證其可靠運(yùn)行。同時(shí)射頻部分的電路設(shè)計(jì)也是數(shù)據(jù)采集控制節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)與難點(diǎn),是數(shù)據(jù)采集控制節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)成功的關(guān)鍵?？垢蓴_設(shè)計(jì)直接關(guān)系到射頻性能和整個(gè)數(shù)據(jù)采集控制節(jié)點(diǎn)的運(yùn)轉(zhuǎn)情況。在射頻部分布線時(shí),合理的布局與布線及采用多層板既是布線所必須的也是降低電磁干擾提高抗干擾能力的有效手段。布線時(shí)需要注意以下幾點(diǎn)：一是射頻部分電路沒(méi)有用做布線的面積均需用銅填充并連接到地,以提供RF屏蔽達(dá)到有效抗干擾的目的 ;nRF2401芯片底部應(yīng)接地 ;為了降低延遲、減少串?dāng)_，確保高頻信號(hào)的傳輸 ，要使用多個(gè)接地過(guò)孔將nRF2401芯片底部和地層相連;盡可能地減少串?dāng)_，減少分布參數(shù)的影響，器件要緊密地分布在nRF2401 的四周,并使用較小封裝。

　　系統(tǒng)軟件

　　數(shù)據(jù)采集控制節(jié)點(diǎn)是一種嵌入式無(wú)線通信接口，是連接傳感器和滅火等設(shè)備與監(jiān)控終端的紐帶。數(shù)據(jù)采集控制節(jié)點(diǎn)軟件系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)方法，一個(gè)模塊可被多個(gè)任務(wù)共享，可以有效節(jié)省存儲(chǔ)空間，也便于設(shè)計(jì)和調(diào)試。以匯編語(yǔ)言為編程工具，更加有效地利用單片機(jī)的硬件資源，可以使系統(tǒng)程序更加簡(jiǎn)潔，減少占用的內(nèi)存資源。按照硬件電路設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)采集控制節(jié)點(diǎn)軟件主要完成初始化設(shè)置部分、傳感器信號(hào)檢測(cè)部分、數(shù)據(jù)發(fā)送部分、數(shù)據(jù)接收及控制輸出幾部分等。系統(tǒng)上電后，首先對(duì)單片機(jī)端口進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置;其次通過(guò)nRF2401的DATA1和CLK1端口將nRF2401配置數(shù)據(jù)包發(fā)送給nRF2401，并置nRF2401為接收模式;最后定時(shí)對(duì)單片機(jī)端口進(jìn)行循環(huán)掃描，若有傳感器信號(hào)輸入，將數(shù)據(jù)打包，并調(diào)用通信數(shù)據(jù)發(fā)送模塊將信息發(fā)送出去。若有中斷信號(hào)，則調(diào)用通信數(shù)據(jù)接收模塊接收數(shù)據(jù)，接收完畢對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，輸出執(zhí)行命令。數(shù)據(jù)采集控制節(jié)點(diǎn)軟件流程如圖3所示。

　　                  圖3 數(shù)據(jù)采集控制節(jié)點(diǎn)軟件流程圖

　　結(jié)語(yǔ)

　　設(shè)計(jì)了利用無(wú)線通信芯片nRF2401進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o(wú)線火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)系統(tǒng)，并全采用了模塊化設(shè)計(jì)，使其具有很好的移植性和擴(kuò)展性。該系統(tǒng)具有使用方便、成本低、應(yīng)用靈活、無(wú)需重新布線等優(yōu)點(diǎn)。在實(shí)驗(yàn)樓內(nèi)搭建的該系統(tǒng)能夠正常實(shí)現(xiàn)火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警監(jiān)控的功能，具有誤報(bào)率低及抗干擾性強(qiáng)等特點(diǎn)。此外本系統(tǒng)具有良好的通用性和可靠性，也可用于建筑物的報(bào)警和安全系統(tǒng)。