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?；馂墓?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變低表明電壓調制器已經穩(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)控主界面能夠實時顯示各個節(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)點接入網絡。無線網絡組織成功后就可進行整機測試。
采用Simplici Ti無線網絡協(xié)議組織節(jié)點網絡，節(jié)點采集溫度、煙霧等信息通過無線網絡傳至數(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.