智能火災預警系統設計與實現

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摘要：針對現有的校園火災監測方法不能實時動態采集信息的不足，文章設計了一種基于CC2530的校園火災監控系統。首先介紹了火災監控系統的功能和體系架構，然后分別介紹了系統的硬件組成和軟件架構，最后通過系統的實驗測試，服務器的上位機管理平臺能夠實時準確地監測環境的溫度、濕度和煙霧濃度，提供了一種減少和避免火災事故的實時有效方法。

關鍵詞：CC2530；火災監控系統；系統硬件；系統軟件；上位機校園

作為師生們每天生活和學習的重要場所，人身和財產安全至關重要。近年由于人為和環境等因素的影響，可能導致校園火災發生，對生命安全和財產構成威脅。目前常用的火災監測主要類型有獨立的單點火災報警、有線聯網火災報警和無線網絡火災報警等［1］。其中：獨立單點火災報警器不能聯網，遠程無法實時發現火情；有線聯網火災報警器需要綜合布線，有些建筑內部結構布線困難；無線聯網火災報警器目前采用GPRS、WIFI無線，使用ZigBee協議進行無線火災報警。但由于IPv4地址數量的限制，為每個節點提供公有地址的火災報警已不能滿足要求。隨著IPv6下一代互聯網已逐漸在各大高校和科研機構等場所部署，為在校園內采用基于CC2530的火災報警系統設計奠定了基礎。本文設計了一種基于CC2530校園智能火災預警系統，采用了contiki嵌入式系統，使用6LoWPAN協議［2］實現給每個節點配置唯一IPv6地址，同時，它滿足了無線傳感器網絡低功耗的要求，并克服了上述的一些缺點。

1系統總體架構

本文采用模塊化設計方法，提出校園智能火災預警系統架構，如圖1所示。前端數據采集電路由溫濕度傳感器和煙霧傳感器組成。由單片機組成數據處理和無線傳輸電路。由蜂鳴器和發光二極管組成聲光報警電路。環境信息由溫度和濕度傳感器和煙霧濃度傳感器收集，并通過微控制器的內部AD轉換進行數模轉換。通過無線向網關節點實時輸出各節點上傳感器的數據，與監控平臺預先設定的各項報警閾值參數進行比較，如果超出了預警值，那么聲光報警器啟動，提醒有火險情況發生，同時監控平臺后臺報警燈同步閃爍和蜂鳴告警。

2系統硬件設計

2．1傳感器節點硬件設計。傳感器節點由前端數據采集模塊、數據處理模塊、無線傳輸模塊、聲光報警模塊和電源模塊組成，如圖2所示。2．1．1數據采集模塊前端數據采集模塊由溫度和濕度傳感器和煙霧傳感器組成。DHT11傳感器由一個高性能8位單片機將一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件相連接。它具有響應速度快、抗干擾能力強、性價比高的優點［3］，它由5V供電。經過校準的數字信號輸出的溫度和濕度值可通過DHT11數字溫度和濕度傳感器直接輸入CC2530。DHT11傳感器信號輸出引腳可以直接連接到CC2530的I／O引腳。MQ－2傳感器適用于檢測各種氣體，如煙霧和液化氣［4］。它具有高靈敏度、快速響應恢復的特點，并且可以通過簡單的電路驅動［5］。MQ－2傳感器模塊具有雙信號輸出，可輸出TTL電平和模擬量。當傳感器檢測到環境中煙霧濃度發生變化時，傳感器的電導率隨著空氣中煙霧氣體濃度增加而增加。模擬輸出為0～5V，電壓越高，煙霧濃度越高。傳感器由5V供電，模擬輸出引腳直接連接到CC2530的AD引腳。TTL電平輸出引腳連接到聲光報警模塊的信號輸入引腳。首次使用MQ－2傳感器時，需要將傳感器預熱一段時間。2．1．2數據處理和無線傳輸模塊該MCU采用德州儀器（TI）的CC2530F256微控制器，結合了RF收發器的卓越性能，具有行業標準增強型8051CPU，系統內可編程閃存，8KBRAM和許多其他強大功能［6］。將數據處理和無線傳輸功能集成到CC2530最小系統，既簡化了電路，又有利于降低整個硬件電路的功耗。單片機采用3．3V供電，CC2530收到煙霧傳感器輸出的模擬量后，再經內部AD轉換后，輸出數字量煙霧濃度，并與溫度和濕度傳感器輸出的數據、節點的IPv6地址一起封裝后通過6LoWPAN協議傳輸至網關節點，然后通過網關節點傳至服務器的上位機。2．1．3聲光報警模塊聲光報警模塊采用的是5V供電，它由無源壓電式蜂鳴器、LED燈、限流電阻和其他簡單電路組成。聲光報警模塊的輸入信號的有效電平為低電平信號或接地，將其連接到煙霧傳感器的TTL輸出引腳。當節點檢測到煙霧濃度變化時，TTL引腳輸出低電平，聲光報警模塊的紅色LED點亮，同時蜂鳴器工作。2．2電源模塊。整個節點的硬件系統由9V方形電池供電，溫濕度傳感器、煙霧傳感器和聲光報警模塊的工作電壓是5V。CC2530微控制器的工作電壓是3．3V，因此需要對9V電壓進行DC－DC轉換，通過使用5V和3．3V降壓模塊將9V電壓降至5V和3．3V，為每個模塊供電。2．3邊界路由節點。邊界路由節點由CC2530和CP2102芯片和外圍電路組成，通過USB端口實現網關節點與服務器上的上位機的通信和供電。每個節點通過6LoWPAN協議網絡將處理后的數據上傳到網關節點，然后網關節點再通過虛擬串口傳輸到上位機。

3系統軟件設計

3．1節點軟件設計。該節點使用contiki系統，這是一個小型的開源和便移植操作系統，旨在與一系列內存受限的網絡系統配合使用［7］。包括8位微處理器的嵌入系統等。通過IAR集成開發環境，將contiki系統從Linux系統開發平臺移到Windows上進行程序的編寫。系統的節點軟件流程圖如圖3所示。系統上電啟動初始化后，首先對溫度和濕度傳感器和煙霧傳感器進行預熱，待傳感器穩定后進行信號采集。煙霧傳感器輸出的模擬量經單片機AD轉換后，同溫度和濕度傳感器輸出的數字量經網關節點傳輸至上位機，在上位機上實時顯示各傳感器節點采集到數據和IPv6地址，并與預設的各項閾值進行比較。最后判斷各室內節點環境是否正常，一旦超出閾值就報警。3．2上位機管理軟件設計。系統的上位機采用圖形化編輯語言G編寫程序的LabVIEW［8］。系統監控平臺如圖4所示。將各個功能模塊化劃分，由時間、顯示、閾值設置、開關控制、報警、數據保存等主要模塊組成。時間模塊顯示系統的當前日期和時間、程序開始時間和運行時間；顯示模塊可以觀察每個節點上溫度、濕度和煙霧濃度的實時數據，并通過動態曲線同步顯示；閾值設置模塊可以對溫度、濕度、煙霧濃度的報警上限或者下限根據部署的環境進行設定；開關控制模塊可以控制各個節點啟動和關閉；報警指示模塊可以直觀地觀察各個節點傳感器采集的數據是否正常，若超出了閾值，報警指示燈將紅燈間隔3s閃爍，并發出蜂鳴聲音；數據保存模塊可以將每個節點采集到的數據以txt格式保存到主機程序所在文件目錄下，同時收集數據并同步保存到MySQL數據庫。可以通過服務器的IPv6地址遠程訪問每個傳感器節點上傳的信息。

4系統測試

在測試中，邊界路由節點連接到服務器以實現6LoWPAN網絡與標準IPv6網絡之間的通信。邊界路由節點通過虛擬串口與服務器連接，通過SLIP協議與服務器交互，服務器上通過軟件模擬一個虛擬網絡端口，實現與6LoWPAN網絡之間通信。在服務器上ping邊界網關路由節點IPv6地址和子節點IPv6地址，如圖5所示。系統中采用phpMyAdmin實現對MySQL的管理。phpMyAdmin是一個基于PHP的數據庫管理工具，允許管理者使用Web界面輕松管理MySQL數據庫，如圖6所示。使用服務器的IPv6地址可在校園局域網內任何地點登錄phpMyAdmin，通過phpMyAdmin可以看到現有MySQL數據庫中創建了WSN數據庫，其中有20張數據表分別保存20個節點數據，在這里使用2個節點進行測試，可以看到第2個節點數據表中已有數據的插入，使用Web的方式可以便捷的管理和查看數據庫中的信息。

5結論

本文針對現有校園火災監控系統的不足，提出一種基于CC2530的校園智能火災預警系統，實現了節點之間6LoWPAN的自組網絡和數據傳輸，并通過系統運行測試，設計的校園智能火災監控平臺可以精準地對環境的溫度、濕度和煙霧濃度進行實時動態監控和預警提示，為減少和避免火災事故的發生提供了有效的方法。后續可對節點的電路和功能進一步擴展，如增加繼電器模塊控制滅火裝置等。

［參考文獻］

［1］楊政勃．工業危廢貯存庫的火災探測器選型設計［J］．今日消防，2019，4（2）：28－29．

［2］王平，王恒．無線傳感器網絡技術及應用［M］．北京：人民郵電出版社，2016：139－149．

［3］陳中，沈翠鳳．基于MSP430單片機的環境參數檢測系統設計［J］．電工電氣，2018（9）：30－33．

［4］揭懿暉，李天龍，胡梓東，等．基于單片機智能化燃氣報警器的設計［J］．山東工業技術，2019（18）：150－151．

［5］方歡．液晶顯示溫度及煙霧濃度的聲光報警器設計［J］．信息技術與信息化，2015（8）：49－50．

［6］熊星星．6LoWPAN的研究及其在WSN平臺中的應用設計［D］．南昌：東華理工大學，2015．

［7］潘曉貝．基于ZigBee的溫濕度無線采集系統設計［J］．電子測試，2018（18）：9－12．

［8］朱旗，葉兵，黃煒．基于LabVIEW的汽車帶輪綜合參數測量系統研制［J］．合肥工業大學學報（自然科學版），2018，41（4）：497－500．

作者:華健 黃飛 任浩 周啟航 單位:1.合肥工業大學信息化建設與發展中心 2.合肥工業大學儀器科學與光電工程學院3.合肥工業大學電子科學與應用物理學院