基于ZigBee技術的無線智能家用燃氣報警系統(tǒng)

安全防范的報警系統(tǒng)是確保住宅、住戶安全的極為重要的途徑之一，同時也是數(shù)字化家庭的重要組成部分。
    遇到煤氣泄漏等緊急情況時，及時對外報警求助就顯得十分必要，成為人們生活中必不可少的部分。
    本文設計的基于ZigBee技術的無線智能家用燃氣報警系統(tǒng)是以CC2430為核心，與電話機網(wǎng)絡、語音電路及可燃性氣體傳感器相結合，通過無線節(jié)點的布網(wǎng)，實時監(jiān)測家用燃氣氣體濃度來檢測是否有可燃性氣體泄漏，如果有泄漏并超過安全的范圍，通過ZigBee終端節(jié)點把數(shù)據(jù)傳到中心協(xié)調器，通過微控制器控制電話機模塊和語音模塊撥打求助電話，通知家人有安全隱患，并且同時將報警信號發(fā)送給小區(qū)的監(jiān)控中心。

1 系統(tǒng)構成
    本智能監(jiān)測系統(tǒng)主要是由ZigBee無線模塊、電話機模塊、語音模塊、數(shù)據(jù)采集模塊，以及LCD顯示模塊組成。整個系統(tǒng)圍繞zigBee模塊組網(wǎng)，在整個小區(qū)內組建成網(wǎng)狀網(wǎng)絡。系統(tǒng)工作時，終端的ZigBee節(jié)點采用半功能的ZigBee節(jié)點設備，主要完成燃氣氣體濃度的采集及數(shù)據(jù)的發(fā)送。終端節(jié)點把數(shù)據(jù)發(fā)送給中間路由或直接發(fā)送給中央?yún)f(xié)調器，協(xié)調器會處理診斷傳來的數(shù)據(jù)，如果達到了預先設定好的濃度報警閾值，就會驅動電話網(wǎng)絡中的電話機模塊撥打預先設定好的電話號碼，通過模擬摘掛機的方式驅動語音模塊撥打設定好的電話號碼，如果電話占線或無人接聽還可撥打下一個電話號碼，這樣連續(xù)循環(huán)撥打，直到對方摘機。如果對方摘機就會聽到預先編錄好的語音模塊播放的相應的語音。在撥打電話號碼的同時，中央處理器也會驅動蜂鳴器報警，如果有人在家的情況下，還可以直接通過按鍵解除報警，直接看到LCD上的數(shù)據(jù)顯示結果，進而直接采取相應措施。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)的硬件設計與實現(xiàn)
    該系統(tǒng)主要由無線模塊、電源模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、電話機模塊、顯示模塊、蜂鳴報警、語音模塊等部分組成。
2．1 無線數(shù)據(jù)傳輸模塊
    ZigBee技術是一種應用于短距離、低速率下的網(wǎng)絡拓撲技術，是基于IEEE 802．15.4無線標準研制開發(fā)的。在PHY層，其頻段是免費開放的，國內主要應用于2．4 GHz頻段，傳輸距離大約100 m，傳輸速率大約是250 Kb／s，各個頻段均采用直接序列擴頻技術。為了避免其他無線通信干擾，采用碰撞避免機制，同時為需要固定帶寬的通信業(yè)務預留專用時隙，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時的競爭和沖突。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為內核的ZigBee模塊，CC2430集成了RF射頻模塊與加強型的51模塊。CC2430有低功耗模式，在沒有數(shù)據(jù)發(fā)送的時候，前端節(jié)點進入休眠狀態(tài)，此時的耗電量僅為幾十微瓦。有中斷掛起時能夠很快地傳輸數(shù)據(jù)。針對小區(qū)的智能安防建設，采用mesh狀的拓撲結構，拓撲結構模型如圖2所示。Mesh拓撲結構具有自愈能力，安全性和可靠性高，其中的一個節(jié)點發(fā)生故障時不會影響整個系統(tǒng)工作?？梢酝ㄟ^其他冗余路由傳輸給中心協(xié)調器(基站)，從而能夠使中心協(xié)調器有效地發(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載瞬態(tài)效應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，通過穩(wěn)壓器穩(wěn)壓到3．3 V，也可以通過USB供電，如果作為前端節(jié)點或者受到環(huán)境因素影響，在沒有方便的電氣設備情況下，也可以采用3節(jié)干電池供電，在3種電源同時存在的情況下，電路會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種電源的應用，節(jié)點在任何場合隨意放置。通過TPS79533轉換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，對高頻信號提供了一個對地通路。這樣，通過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)壓器的內部參考電壓的噪聲是穩(wěn)壓器本身噪聲的主要來源。TPS79 533的PASS引腳通過一個250 kΩ電阻連接到參考電壓上。這樣內部250 kΩ的電阻連同外部連接的O．01 μF的電容構成一個低通濾波器來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、響應快速和線性輸出的良好特性。所以TGS6812是檢測家用燃氣的良好解決方案，其內部大致結構框圖如圖4所示。

    TGS6812由易燃氣體敏感的元件D和對易燃氣體不敏感的基準元件C組成。當可燃氣體存在時，將在D檢測元件上燃燒，造成溫度上升，D元件的電阻將會增加，從而使輸出電壓相應被改變。測量這個電壓值，通過計算可以求得可燃氣體的濃度。當在空氣中時，受到環(huán)境溫度的影響，傳感器也會有零點輸出，所以應用LM158設計差動增益可調的放大電路來抑制零點漂移，具體設計電路如圖5所示。

    通過調節(jié)變位器R4，使后面由以LM158構成的差動放大電路的差動輸入為0，可以減少環(huán)境沮度造成的誤差，進一步對溫度影響進行補償。通過調節(jié)電位器R11可以使輸出穩(wěn)定在0～3 V，便于進行轉化成標準的濃度計算。
2．4 電話機模塊
    本系統(tǒng)采用某電子公司的電話芯片設計的電話機模塊，模塊上集成了51內核的處理器，擁有獨立的電話接口，具備DTMF信號檢測功能，振鈴檢測功能，信號音檢測功能，可以通過繼電器的釋放與否來模擬電話的摘掛機。模塊內部固化了完整的串口協(xié)議指令，例如撥打電話號碼，中心協(xié)調器可以通過串口直接發(fā)送“ATD+110+enter”，如果撥打成功，電話機模塊會通過串口反饋給協(xié)調器“OK”，否則反饋“ERR-OR”。這種協(xié)議可以方便中心協(xié)調器通過串口發(fā)送協(xié)議指令控制電話機模塊，從而撥打電話報警，減少系統(tǒng)的復雜性。
2．5 語音模塊
    語音模塊采用ISD1110語音芯片，其單片錄放時間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。在錄放操作結束后，ISD1110自動進入低功耗節(jié)電模式，其片內有EEPROM單元信息可在無需后備電源的情況下保存錄好的語音信息。

3 系統(tǒng)軟件設計
    本系統(tǒng)的軟件設計部分主要是由以CC2430為核心的MCU的中心協(xié)調器組建mesh網(wǎng)絡部分、數(shù)據(jù)處理診斷部分和電話語音報警部分構成。
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進行數(shù)據(jù)初始化，啟動stack組建網(wǎng)絡，當網(wǎng)絡組建成功后等待其他節(jié)點加入網(wǎng)絡。如果沒有事件觸發(fā)，系統(tǒng)則進入休眠省電狀態(tài)；如果有觸發(fā)事件發(fā)生，則進一步判斷是否是數(shù)據(jù)接收事件。如果不是數(shù)據(jù)觸發(fā)事件，則進入相應的中斷程序進行處理；如果是數(shù)據(jù)接收事件觸發(fā)，則進行數(shù)據(jù)處理診斷，轉化成標準的氣體濃度，然后通過LCD顯示模塊顯示出來。判斷是否達到濃度的預警值，如果達到預警值，則啟動語音模塊報警。報警結束后繼續(xù)進入等待事件狀態(tài)。
3．2 組建網(wǎng)絡流程
    組建網(wǎng)絡的流程圖主要是系統(tǒng)設置初始化，通過按鍵來設置設備的邏輯類型，然后進行系統(tǒng)復位，復位后啟動協(xié)議棧，判斷協(xié)議棧是否啟動成功，如果啟動失敗，觸發(fā)START_EVT事件繼續(xù)啟動協(xié)議棧，直到協(xié)議棧啟動成功，然后把協(xié)調器設置成允許其他節(jié)點自動加入網(wǎng)絡，則建網(wǎng)成功。具體建網(wǎng)流程圖如圖7所示。

3．3 語音報警流程
    報警電路流程首先是系統(tǒng)的初始化，循環(huán)計數(shù)清0，開始進入監(jiān)測狀態(tài)，當濃度達到報警值時，開始模擬摘機，然后判斷是否是撥號音，如果不是則繼續(xù)模擬摘機，是撥號音則開始撥預置的電話號碼，撥號循環(huán)計數(shù)加1，進行延時等待2 s，判斷是否有回鈴音，沒有回鈴音繼續(xù)等待，有則進一步判斷對方是否摘機，沒摘機則繼續(xù)等待，當?shù)却龝r問超過1 min時，剛判斷預置電話號碼是否播完，如果沒有播完則進行撥打下一個電話號碼。對方摘機成功則啟動語音模塊播放錄音，然后掛機。具體流程如圖8所示。

4 實驗過程中的關鍵點分析
    首先，在選擇組網(wǎng)過程中，mesh網(wǎng)絡功能強大健壯且具有自修復能力，但這是以增加更多冗余路由為代價的，會增大網(wǎng)絡的能量消耗以及成本，所以在組建網(wǎng)絡的同時，要折衷處理網(wǎng)絡成本和網(wǎng)絡健壯性。再次，zigBee的功率超低，這對于無線電系統(tǒng)來說是一大優(yōu)點，因此必須能夠對整個系統(tǒng)進行低功耗設計。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間去優(yōu)化功耗，同時應當處理對數(shù)據(jù)反應時間與電池的壽命進行折衷。最后，為了驗證設備的互操作性，往往需要購買ZigBee開發(fā)公司不同的產(chǎn)品。在開發(fā)期間利用另外一臺經(jīng)過認證的ZigBee系統(tǒng)進行互操作，能夠有助于把產(chǎn)品的性能及兼容性做最好的優(yōu)化。

5 結束語
    該系統(tǒng)設計的家用燃氣報警系統(tǒng)采用CC2430作為控制器，其內部集成了RF射頻、加強型51單片機、A／D轉換等，使得系統(tǒng)的整體設計體積小、外圍電路簡單、降低系統(tǒng)功耗、抗干擾能力強。該系統(tǒng)不僅可以應用于家庭報警，而且易于拓展成智能小區(qū)監(jiān)測平臺，有很廣闊的市場應用前景。