摘 要： 現(xiàn)有火災報警主要采用有線方式，耗費材料且難以實現(xiàn)互聯(lián)報警。采用無線方式能夠很好地解決互聯(lián)報警、降低成本。利用MSP430F227和CC2500搭載Simplici Ti實現(xiàn)節(jié)點互聯(lián)，數(shù)據(jù)中心節(jié)點連接至PC機，PC機實時監(jiān)控節(jié)點信息，在火災到來時能夠及時準確實現(xiàn)本地報警和遠程報警。火災節(jié)點功耗低，休眠時只有不到1 μA電流。
關鍵詞： Simplici Ti；MSP430；煙霧傳感器；GPRS模塊
城市高樓林立，安全事故頻發(fā)，特別是火災安全事故。準確而又及時地通知樓內(nèi)人員撤離或者采取援助和自救成為當前主要的課題。目前使用的火災報警主要是消防聯(lián)控系統(tǒng)，大多與本樓的其他住戶無關聯(lián)，導致了本樓住戶在火災發(fā)生時得不到報警，不能及時逃離火災現(xiàn)場。
針對這一情況，本文設計了一款無線火災報警系統(tǒng)，其節(jié)點能夠分布多個地點，在火災發(fā)生時能夠及時通知本樓住戶并撥打遠程報警電話告知有火災發(fā)生。
1 總體設計方案
本系統(tǒng)主要由火災煙霧探測節(jié)點、數(shù)據(jù)接入點、PC機監(jiān)控、GSM模塊、手機終端5個部分構(gòu)成,其總體設計框圖如圖1所示。
煙霧探測節(jié)點采集煙霧和溫度通過Simplici Ti網(wǎng)絡傳送到數(shù)據(jù)接入點，數(shù)據(jù)接入端對煙霧和溫度判斷是否有火災需要報警，并將所有數(shù)據(jù)傳送到PC機；PC機實時監(jiān)控火災節(jié)點的數(shù)據(jù)（煙霧、溫度、電池電量）。當出現(xiàn)火災險情時，PC機通過GSM模塊發(fā)送火災地點信息到手機報警終端，并撥打手機報警終端電話。
Simplici Ti是TI公司針對簡單小型RF網(wǎng)絡的專有低功耗RE協(xié)議，其最大傳輸速率為250 kb/s，傳輸距離在空曠地帶能達百米[1]。支持各種低功耗應用，如報警與安全、自動抄表、工業(yè)控制、家庭自動化以及有源RFID等。Simplici Ti可以滿足本設計的要求。
設計中采用16 bit微控制器MSP430F2274，電路采用電池供電，能滿足低功耗的要求，并使用Simplici Ti網(wǎng)絡協(xié)議。
射頻芯片采用TI的CC2500。CC2500是一種低成本的2.4 GHz收發(fā)器，滿足低功耗無線應用的需求。電路設定為ISM(工業(yè)，科學和醫(yī)學)和SRD(短距離設備)頻率波段。CC2500為數(shù)據(jù)包處理、數(shù)據(jù)緩沖、突發(fā)數(shù)據(jù)傳輸、清晰信道評估、連接質(zhì)量指示和電磁波激發(fā)提供廣泛的硬件支持。CC2500的主要操作參數(shù)和64 bit傳輸/接收FIFO(先進先出堆棧)可通過SPI接口控制。
煙霧傳感器分為離子式和光電式。離子式使用壽命長，但是有輻射，成本高，且工作時需要對加熱電阻加熱，功耗大；光電式環(huán)保，成本低，工作時可用間歇式工作功耗相對較低，但使用壽命一般是10年左右。本設計采用了光電式煙霧傳感器。
本設計的遠程報警采用GSM網(wǎng)絡來實現(xiàn)，GSM模塊采用SIMCOM公司的SIM300。SIM300主要為語音傳輸、短消息和數(shù)據(jù)業(yè)務提供無線接口。
2 系統(tǒng)硬件設計
(1)微控制器電路
節(jié)點的主控電路如圖2所示。微控制器MSP430F2274采用內(nèi)部DCO振蕩器[2]。RXT0、TXD0作為串口通信，D1、D2為工作指示燈，S1用于按鍵，AD0、AD1用于光電式煙霧傳感器的AD采集，SLEEP用于控制光電式煙霧傳感器的間歇式工作，GD00、GDO2、P3.0_UCB0STE、P3.1_UBC0SIMO、P3.2_UBC0SIMI、P3.3_UCB0CLK用于連接控制CC2500。
(2)CC2500RF收發(fā)器電路
CC2500 RF收發(fā)器的電路設計如圖3所示，通過SPI兼容接口(SI、SO、SCLK and CSn)進行CC2500配置。SPI接口上的所有操作都以一個包含讀寫位，突發(fā)訪問位和6 bit地址的頭字節(jié)開始。在地址和數(shù)據(jù)傳輸期間，CSn引腳必須為低。如果在訪問期間CSn變高，則訪問被取消。當CSn變低，MCU必須等待直到SO腳變低后才能開始傳輸頭字節(jié)。SO變低表明電壓調(diào)制器已經(jīng)穩(wěn)定，晶體振蕩器正在運行。除非芯片處在SLEEP或XOFF狀態(tài)或者有SRES濾波命令，SO腳通常會在CSn腳變低后立即變低。此外，CC2500的配置也可通過SmartRF Studio軟件進行配置。
(3)煙霧傳感器
煙霧傳感器采用光電式煙霧傳感器，電路如圖4所示[3]。
傳感器由兩對紅外發(fā)射接收管組成，D3、D4作為煙霧采集，D5、D6作為周圍環(huán)境光照強度的采集(用于消除光照對煙霧采集的影響)。D5、D6分別套到一根6 cm長透明玻璃管的兩端；D3、D4也分別套到一根6 cm長透明玻璃管的兩端,在玻璃管的中間開一個長度4 cm的對穿窗口用于采集煙霧。VR1用于靈敏度調(diào)節(jié)。
從圖4可看出，當環(huán)境光照變化時，只要D4、D6特性一樣，它們變化的電壓差ΔU1一樣。當有煙霧進入煙霧傳感器的窗口時，D3發(fā)射紅外光線受到煙霧顆粒散射、吸收，D4電壓發(fā)生變化，變化量為ΔU2。
由式(1)可知環(huán)境的光照對該傳感器影響不大。
該傳感器還具有睡眠的功能，可進行間歇式工作以降低功耗。當SLEEP為高電平時，T1截止，傳感器處于休眠狀態(tài)；當SLEEP為低電平時，T1導通傳感器處于工作狀態(tài)。
(4)電池備用電路
數(shù)據(jù)中心節(jié)點一旦斷電，則網(wǎng)絡必須重新組織，所以設計可充電的電池備用電路。
(5)本地報警電路
報警電路采用三聲的報警芯片C002，可發(fā)出110、120、119三種聲音，設計中采用發(fā)119的報警聲音。
(6)火災溫度監(jiān)測
火災溫度檢測所用的溫度傳感器采用MSP430芯片內(nèi)部自帶的監(jiān)測芯片溫度傳感器。MSP430是超低功耗的，所以芯片自身幾乎沒有產(chǎn)生熱量。且設計中對溫度監(jiān)測并不需要非常精確，因此采用MSP430內(nèi)部的溫度傳感器即可滿足設計要求。
3 節(jié)點軟件設計
(1)火災探測節(jié)點程序設計
火災探測節(jié)點是一個休眠設備，1.5 s喚醒一次。當火災探測節(jié)點喚醒時，開啟AD進行溫度、電池電壓、煙霧采樣，開啟AD的同時關閉CPU以降低功耗，采樣后開啟CPU。采樣后對數(shù)據(jù)處理(溫度是否超過限定溫度火災是否有煙霧，若有報警則發(fā)送報警信息)，之后通過CC2500把所有數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)接入點[4]。程序流程圖如圖5所示。
(2)數(shù)據(jù)接入點軟件設計
數(shù)據(jù)接入節(jié)點是實時工作的節(jié)點，主要功能是本地報警和接收火災節(jié)點的數(shù)據(jù)并傳送到PC機。本地報警一旦觸發(fā)必需人為解除否則一直報警，解除報警可通過按鍵，也可通過上位機的“停止報警”按鈕停止報警。
(3)監(jiān)控報警系統(tǒng)設計
GSM遠程報警主要是發(fā)送火災地點信息到手機并撥打電話提醒有短信的到來，GSM模塊采用SIM300 GPRS模塊。SIM300發(fā)送SMS信息有3種模式：Block模式、Text模式和PDU模式。設計中采用了PDU模式，PDU模式下可以發(fā)送中文短信息。在PDU模式下只需對數(shù)據(jù)進行編碼，通過AT指令就可以實現(xiàn)短信的發(fā)送。
監(jiān)控主界面能夠?qū)崟r顯示各個節(jié)點的信息，包括地點、當前溫度、煙霧、時間、報警信息。還有當節(jié)點的電壓低于2.5 V時，改變文本框的顏色提示警告，電池電量低需要更換電池。監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)監(jiān)控傳輸和GSM遠程報警都是采用串口來實現(xiàn)的。當有火警時，自動把報警信息存到數(shù)據(jù)庫當中。
4 系統(tǒng)測試
(1)系統(tǒng)覆蓋范圍測試
覆蓋范圍是無線傳感網(wǎng)一個很重要的參數(shù)，發(fā)射功率對覆蓋范圍有很大的影響。在設計過程中做了單點覆蓋范圍測試，在不同的發(fā)射功率下和不同環(huán)境下的覆蓋范圍如表1所示。
測試結(jié)果顯示在發(fā)射功率為0 dBm時，室外的覆蓋可達到12 m左右，室內(nèi)的覆蓋也有10 m左右，這樣的覆蓋范圍可以滿足本設計的需要。當發(fā)射功率設為-10 dBm的時候覆蓋情況明顯變差。
(2)系統(tǒng)整機測試
接入節(jié)點和GSM模塊接入到PC機，設置端口號、波特率、校驗位、數(shù)據(jù)位和停止位。參數(shù)設置完成后，測試GSM報警模塊是否連接正常，把火災節(jié)點接入網(wǎng)絡。無線網(wǎng)絡組織成功后就可進行整機測試。
采用Simplici Ti無線網(wǎng)絡協(xié)議組織節(jié)點網(wǎng)絡，節(jié)點采集溫度、煙霧等信息通過無線網(wǎng)絡傳至數(shù)據(jù)中心節(jié)點，由數(shù)據(jù)中心節(jié)點對數(shù)據(jù)進行處理，處理完成的數(shù)據(jù)傳送至PC機監(jiān)控。若在數(shù)據(jù)處理中發(fā)現(xiàn)有險情，則觸發(fā)本地報警，并把報警信息傳輸至PC機實現(xiàn)遠程報警(短信和撥打電話)。為了能讓救援工作在第一時間展開，設計可擴展為聯(lián)防報警。本設計的火災節(jié)點為超低功耗，休眠時只有不到1 ?滋A電流，具有較強的工程實踐意義和應用前景。
參考文獻
[1] 李文仲，段朝玉. CC1110/CC2510無線單片機和無線自組織網(wǎng)絡入門與實戰(zhàn)[M]. 北京:北京航空航天大學出版社,2008.
[2] 胡大可. MSP430系列FLASH型超低功耗16位單片機[M]. 北京: 北京航空航天大學出版社,2002.
[3] 徐曉明，葉盛,胡浩. 新型光電式煙霧傳感器及其應用[J].儀器儀表學報,2002，23(3)增刊：117-118.
[4] 張晞，王德銀,張晨. MSP430系列單片機實用C語言程序設計[M]. 北京:人民郵電出版社,2005.