基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線智能家用燃?xì)鈭?bào)警系統(tǒng)

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
    該系統(tǒng)主要由無(wú)線模塊、電源模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、電話機(jī)模塊、顯示模塊、蜂鳴報(bào)警、語(yǔ)音模塊等部分組成。
2．1 無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊
    ZigBee技術(shù)是一種應(yīng)用于短距離、低速率下的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼夹g(shù)，是基于IEEE 802．15.4無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)研制開(kāi)發(fā)的。在PHY層，其頻段是免費(fèi)開(kāi)放的，國(guó)內(nèi)主要應(yīng)用于2．4 GHz頻段，傳輸距離大約100 m，傳輸速率大約是250 Kb／s，各個(gè)頻段均采用直接序列擴(kuò)頻技術(shù)。為了避免其他無(wú)線通信干擾，采用碰撞避免機(jī)制，同時(shí)為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留專用時(shí)隙，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)的競(jìng)爭(zhēng)和沖突。ZigBee提供了數(shù)據(jù)完整性檢查功能，具有加密功能，加密算法采用通用的AES-128加密算法。本文采用以CC2430為內(nèi)核的ZigBee模塊，CC2430集成了RF射頻模塊與加強(qiáng)型的51模塊。CC2430有低功耗模式，在沒(méi)有數(shù)據(jù)發(fā)送的時(shí)候，前端節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠狀態(tài)，此時(shí)的耗電量?jī)H為幾十微瓦。有中斷掛起時(shí)能夠很快地傳輸數(shù)據(jù)。針對(duì)小區(qū)的智能安防建設(shè)，采用mesh狀的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)模型如圖2所示。Mesh拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有自愈能力，安全性和可靠性高，其中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)不會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)工作?？梢酝ㄟ^(guò)其他冗余路由傳輸給中心協(xié)調(diào)器(基站)，從而能夠使中心協(xié)調(diào)器有效地發(fā)送控制命令。

2．2 電源模塊
    電源模塊主要是由TPS79533低壓穩(wěn)壓器輸出3．3 V電壓，其輸入電壓范圍是2．7～5．5 V，并具有較高的電源抑制比、超低噪聲、較好的電壓線性和負(fù)載瞬態(tài)效應(yīng)以及較小的電壓漂移。其具體電路如圖3所示。

    此電源模塊采用5 V直流電源直接供電，通過(guò)穩(wěn)壓器穩(wěn)壓到3．3 V，也可以通過(guò)USB供電，如果作為前端節(jié)點(diǎn)或者受到環(huán)境因素影響，在沒(méi)有方便的電氣設(shè)備情況下，也可以采用3節(jié)干電池供電，在3種電源同時(shí)存在的情況下，電路會(huì)直接以最高電壓輸入為電源，其他則被屏蔽。此電路融合了3種電源的應(yīng)用，節(jié)點(diǎn)在任何場(chǎng)合隨意放置。通過(guò)TPS79533轉(zhuǎn)換3．3V工作電壓：在輸入和GND之間增加上O.1μF和47μF并聯(lián)的旁路電容，47μF的電容可穩(wěn)定輸出，使輸入電平更加平滑。0.1μF的小電容與GND相連，對(duì)高頻信號(hào)提供了一個(gè)對(duì)地通路。這樣，通過(guò)O.1 μF和47μF兩只電容的并聯(lián)作為旁路電容可以獲得更大的濾波頻段，增強(qiáng)穩(wěn)定性，提高噪聲和紋波抑制。同樣，在輸出和GND之間也要增加同樣的并聯(lián)電容，使輸出更穩(wěn)定，并且可以獲得穩(wěn)定純凈的電壓輸出。由于穩(wěn)壓器的內(nèi)部參考電壓的噪聲是穩(wěn)壓器本身噪聲的主要來(lái)源。TPS79 533的PASS引腳通過(guò)一個(gè)250 kΩ電阻連接到參考電壓上。這樣內(nèi)部250 kΩ的電阻連同外部連接的O．01 μF的電容構(gòu)成一個(gè)低通濾波器來(lái)減少參考電壓的噪聲和輸出噪聲。
2．3 數(shù)據(jù)采集模塊
    采用催化燃燒式氣體傳感器TGS6812，TGS6812適用于檢測(cè)氫氣、甲烷和液化石油氣等可燃性氣體，傳感器精度高、持久耐用、穩(wěn)定可靠、響應(yīng)快速和線性輸出的良好特性。所以TGS6812是檢測(cè)家用燃?xì)獾牧己媒鉀Q方案，其內(nèi)部大致結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

    TGS6812由易燃?xì)怏w敏感的元件D和對(duì)易燃?xì)怏w不敏感的基準(zhǔn)元件C組成。當(dāng)可燃?xì)怏w存在時(shí)，將在D檢測(cè)元件上燃燒，造成溫度上升，D元件的電阻將會(huì)增加，從而使輸出電壓相應(yīng)被改變。測(cè)量這個(gè)電壓值，通過(guò)計(jì)算可以求得可燃?xì)怏w的濃度。當(dāng)在空氣中時(shí)，受到環(huán)境溫度的影響，傳感器也會(huì)有零點(diǎn)輸出，所以應(yīng)用LM158設(shè)計(jì)差動(dòng)增益可調(diào)的放大電路來(lái)抑制零點(diǎn)漂移，具體設(shè)計(jì)電路如圖5所示。

    通過(guò)調(diào)節(jié)變位器R4，使后面由以LM158構(gòu)成的差動(dòng)放大電路的差動(dòng)輸入為0，可以減少環(huán)境沮度造成的誤差，進(jìn)一步對(duì)溫度影響進(jìn)行補(bǔ)償。通過(guò)調(diào)節(jié)電位器R11可以使輸出穩(wěn)定在0～3 V，便于進(jìn)行轉(zhuǎn)化成標(biāo)準(zhǔn)的濃度計(jì)算。
2．4 電話機(jī)模塊
    本系統(tǒng)采用某電子公司的電話芯片設(shè)計(jì)的電話機(jī)模塊，模塊上集成了51內(nèi)核的處理器，擁有獨(dú)立的電話接口，具備DTMF信號(hào)檢測(cè)功能，振鈴檢測(cè)功能，信號(hào)音檢測(cè)功能，可以通過(guò)繼電器的釋放與否來(lái)模擬電話的摘掛機(jī)。模塊內(nèi)部固化了完整的串口協(xié)議指令，例如撥打電話號(hào)碼，中心協(xié)調(diào)器可以通過(guò)串口直接發(fā)送“ATD+110+enter”，如果撥打成功，電話機(jī)模塊會(huì)通過(guò)串口反饋給協(xié)調(diào)器“OK”，否則反饋“ERR-OR”。這種協(xié)議可以方便中心協(xié)調(diào)器通過(guò)串口發(fā)送協(xié)議指令控制電話機(jī)模塊，從而撥打電話報(bào)警，減少系統(tǒng)的復(fù)雜性。
2．5 語(yǔ)音模塊
    語(yǔ)音模塊采用ISD1110語(yǔ)音芯片，其單片錄放時(shí)間10 s，并具有唯一的錄音控制和邊緣／電平觸發(fā)兩種放音控制，大大提高控制的靈活性。在錄放操作結(jié)束后，ISD1110自動(dòng)進(jìn)入低功耗節(jié)電模式，其片內(nèi)有EEPROM單元信息可在無(wú)需后備電源的情況下保存錄好的語(yǔ)音信息。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)部分主要是由以CC2430為核心的MCU的中心協(xié)調(diào)器組建mesh網(wǎng)絡(luò)部分、數(shù)據(jù)處理診斷部分和電話語(yǔ)音報(bào)警部分構(gòu)成。
3．1 系統(tǒng)主程序
    主程序流程圖如圖6所示。

    主程序流程主要是MCU進(jìn)行數(shù)據(jù)初始化，啟動(dòng)stack組建網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)組建成功后等待其他節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)。如果沒(méi)有事件觸發(fā)，系統(tǒng)則進(jìn)入休眠省電狀態(tài)；如果有觸發(fā)事件發(fā)生，則進(jìn)一步判斷是否是數(shù)據(jù)接收事件。如果不是數(shù)據(jù)觸發(fā)事件，則進(jìn)入相應(yīng)的中斷程序進(jìn)行處理；如果是數(shù)據(jù)接收事件觸發(fā)，則進(jìn)行數(shù)據(jù)處理診斷，轉(zhuǎn)化成標(biāo)準(zhǔn)的氣體濃度，然后通過(guò)LCD顯示模塊顯示出來(lái)。判斷是否達(dá)到濃度的預(yù)警值，如果達(dá)到預(yù)警值，則啟動(dòng)語(yǔ)音模塊報(bào)警。報(bào)警結(jié)束后繼續(xù)進(jìn)入等待事件狀態(tài)。
3．2 組建網(wǎng)絡(luò)流程
    組建網(wǎng)絡(luò)的流程圖主要是系統(tǒng)設(shè)置初始化，通過(guò)按鍵來(lái)設(shè)置設(shè)備的邏輯類型，然后進(jìn)行系統(tǒng)復(fù)位，復(fù)位后啟動(dòng)協(xié)議棧，判斷協(xié)議棧是否啟動(dòng)成功，如果啟動(dòng)失敗，觸發(fā)START_EVT事件繼續(xù)啟動(dòng)協(xié)議棧，直到協(xié)議棧啟動(dòng)成功，然后把協(xié)調(diào)器設(shè)置成允許其他節(jié)點(diǎn)自動(dòng)加入網(wǎng)絡(luò)，則建網(wǎng)成功。具體建網(wǎng)流程圖如圖7所示。

3．3 語(yǔ)音報(bào)警流程
    報(bào)警電路流程首先是系統(tǒng)的初始化，循環(huán)計(jì)數(shù)清0，開(kāi)始進(jìn)入監(jiān)測(cè)狀態(tài)，當(dāng)濃度達(dá)到報(bào)警值時(shí)，開(kāi)始模擬摘機(jī)，然后判斷是否是撥號(hào)音，如果不是則繼續(xù)模擬摘機(jī)，是撥號(hào)音則開(kāi)始撥預(yù)置的電話號(hào)碼，撥號(hào)循環(huán)計(jì)數(shù)加1，進(jìn)行延時(shí)等待2 s，判斷是否有回鈴音，沒(méi)有回鈴音繼續(xù)等待，有則進(jìn)一步判斷對(duì)方是否摘機(jī)，沒(méi)摘機(jī)則繼續(xù)等待，當(dāng)?shù)却龝r(shí)問(wèn)超過(guò)1 min時(shí)，剛判斷預(yù)置電話號(hào)碼是否播完，如果沒(méi)有播完則進(jìn)行撥打下一個(gè)電話號(hào)碼。對(duì)方摘機(jī)成功則啟動(dòng)語(yǔ)音模塊播放錄音，然后掛機(jī)。具體流程如圖8所示。

4 實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的關(guān)鍵點(diǎn)分析
    首先，在選擇組網(wǎng)過(guò)程中，mesh網(wǎng)絡(luò)功能強(qiáng)大健壯且具有自修復(fù)能力，但這是以增加更多冗余路由為代價(jià)的，會(huì)增大網(wǎng)絡(luò)的能量消耗以及成本，所以在組建網(wǎng)絡(luò)的同時(shí)，要折衷處理網(wǎng)絡(luò)成本和網(wǎng)絡(luò)健壯性。再次，zigBee的功率超低，這對(duì)于無(wú)線電系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是一大優(yōu)點(diǎn)，因此必須能夠?qū)φ麄€(gè)系統(tǒng)進(jìn)行低功耗設(shè)計(jì)。為了充分優(yōu)化電源的使用和電池壽命，有必要投入大量的時(shí)間去優(yōu)化功耗，同時(shí)應(yīng)當(dāng)處理對(duì)數(shù)據(jù)反應(yīng)時(shí)間與電池的壽命進(jìn)行折衷。最后，為了驗(yàn)證設(shè)備的互操作性，往往需要購(gòu)買ZigBee開(kāi)發(fā)公司不同的產(chǎn)品。在開(kāi)發(fā)期間利用另外一臺(tái)經(jīng)過(guò)認(rèn)證的ZigBee系統(tǒng)進(jìn)行互操作，能夠有助于把產(chǎn)品的性能及兼容性做最好的優(yōu)化。

5 結(jié)束語(yǔ)
    該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的家用燃?xì)?/strong>報(bào)警系統(tǒng)采用CC2430作為控制器，其內(nèi)部集成了RF射頻、加強(qiáng)型51單片機(jī)、A／D轉(zhuǎn)換等，使得系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)體積小、外圍電路簡(jiǎn)單、降低系統(tǒng)功耗、抗干擾能力強(qiáng)。該系統(tǒng)不僅可以應(yīng)用于家庭報(bào)警，而且易于拓展成智能小區(qū)監(jiān)測(cè)平臺(tái)，有很廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景。