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基于無線通信技術的燃氣報警系統(tǒng)設計

2016年電子技術應用第3期

譙自強1，劉晉1，2，周東平3

1．重慶科技學院安全工程學院，重慶401331；2．重慶市能源投資集團，重慶401121； 3．重慶市能源投資集團科技有限責任公司，重慶400061

摘要： 針對現有家用燃氣報警系統(tǒng)存在誤報警和漏報警現象，設計了一種基于無線通信技術的燃氣報警系統(tǒng)，實現燃氣泄漏檢測的雙重報警功能。該系統(tǒng)以RAM處理器Cortex-A9、ZigBee模塊CC2530、GPRS模塊SIM900A為核心，通過半導體氣敏傳感器MQ-5進行數據采集，通過ZigBee網絡和GPRS網絡進行無線傳輸，把燃氣泄漏檢測報警信號分別發(fā)送給用戶和小區(qū)監(jiān)控中心，同時開啟室內聲光報警、門窗和排風扇。該系統(tǒng)成本低、效率高、操作簡單，能夠滿足家庭燃氣的安全需求。

關鍵詞： 燃氣報警 ZigBee MQ-5 無線通信

中圖分類號： TP212.9
文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2016.03.022
中文引用格式： 譙自強，劉晉，周東平. 基于無線通信技術的燃氣報警系統(tǒng)設計[J].電子技術應用，2016，42(3)：78-80.
英文引用格式： Qiao Ziqiang，Liu Jin，Zhou Dongping. Design of gas alarming system based on wireless communication technology[J].Application of Electronic Technique，2016，42(3)：78-80.

Design of gas alarming system based on wireless communication technology

Qiao Ziqiang1，Liu Jin1，2，Zhou Dongping3

1．College of Safety Engineering，Chongqing University of Science & Technology，Chongqing 401331，China； 2．Chongqing Energy Investment Corp.，Chongqing 401121，China； 3．Chongqing Energy Technology Investment Group Co.，Ltd，Chongqing 400061，China

Abstract： Directed at the phenomenon of false alarming and absent alarming in the existing domestic gas alarming system, a gas alarming system is designed based on wireless communication technology, which can achieve the double alarming function for gas leakage and detection. The core of this system is Cortex-A9 processor ZigBee, CC2530 module GPRS, SIM900A module RAM, the data is collected through semiconductor gas sensor MQ-5 and wireless transmission is carried out through ZigBee network and GPRS network. The alarming signals of gas leakage and detection are sent to the users and residential monitoring center, meanwhile, the windows are opened and the indoor sound alarming and exhaust fans are switched on. The system is low in cost, high in efficiency and simple in operation, so it can meet the safety requirements of domestic gas.

Key words : gas alarming；ZigBee；MQ-5；wireless communication

0 引言

燃氣的檢測和報警處理是確保家用燃氣安全的有效途徑之一，同時也是家庭安全防范的重要組成部分。日常生活中，造成燃氣泄漏的主要原因有燃氣膠管破裂未能及時發(fā)現、做飯期間中途離開等。當燃氣泄漏時，未及時處理導致燃氣濃度過高而產生爆炸，由此造成巨大生命財產損失^[1]。目前市場上的燃氣報警器只能簡單地滿足報警需求，同時存在誤報和漏報警現象，無法及時將報警信號同時發(fā)送到用戶和小區(qū)監(jiān)控中心，不能及時應急處理。而且燃氣報警器功能單一，無法滿足燃氣使用過程中的安全需求，存在諸多局限性^[2]。為了彌補以往燃氣報警系統(tǒng)的不足，本文設計了一種基于無線通信技術的燃氣報警系統(tǒng)，當燃氣泄漏時，室內啟動聲光報警和開啟門窗、排風扇，以降低燃氣濃度，避免爆炸危險，并通過移動網絡將報警信號同時發(fā)送到用戶和小區(qū)監(jiān)控中心，以便及時處理燃氣泄露^[3]。本文設計采用較穩(wěn)定的雙向無線ZigBee通信技術，處理器采用Freescale公司Cortex-A9處理器，運算能力強，易于擴展，同時利用GPRS移動通信技術實現實時通信，增強系統(tǒng)可靠性。

1 系統(tǒng)總體設計

本設計總體把報警系統(tǒng)分為室外報警、燃氣檢測、室內處理三個部分，系統(tǒng)核心包括ZigBee傳感網絡、ZigBee網關、GPRS移動網絡，系統(tǒng)總體結構如圖1所示。ZigBee網絡采用星型拓撲結構，傳感器節(jié)點通過路由器接入無線傳感網絡^[4]。當傳感器的端節(jié)點檢測到燃氣泄漏，通過Z-Stack協(xié)議棧以無線傳輸形式發(fā)送給協(xié)調器端的無線傳感網絡模塊，然后通過其串口發(fā)送到處理器，經處理后，通過聲光報警器發(fā)出報警信號，與此同時協(xié)調器端向主控單元發(fā)送控制信號，實現繼電器控制門窗、排風扇的開關的開啟和關閉。其次經A/D轉換器的報警信號由GPRS移動網絡以短信/固定撥號的形式把泄漏情況發(fā)送到用戶和小區(qū)監(jiān)控中心，等待下一步泄漏事故處理。把無線傳感技術和移動通信技術充分結合實現雙重報警功能，運用于家庭燃氣泄漏檢測，具有布線簡單、傳輸速率快的優(yōu)勢，能夠滿足不宜布線的室內設計要求，增強家用燃氣的安全性。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 無線傳輸網絡設計

為滿足燃氣報警系統(tǒng)的安裝方便和避免室內不宜布線的實際情況，本文設計采用無線傳感網絡，其硬件結構如圖2所示。主要由處理器外圍電路、ZigBee模塊、GPRS模塊組成，遠程報警采用GPRS移動網絡實現。本設計優(yōu)點表現在SIM900A模塊能夠實現低功耗語音數據傳輸，采用分組交換技術的GPRS具有高速和實時在線的特點^[5-8]。采用高主頻Cortex-A9處理器，能夠提供高擴展性和高功耗效率的解決方案，具有多種核數可以選用，其豐富的接口及強大的功能在各個領域都廣泛的應用^[9]。采用CC2530模塊作為無線網絡傳輸，極高的性價和強大的無線傳感網絡節(jié)點，對于此模塊而言，僅需配上電源、時鐘電路、串行調試模塊、天線模塊便可以正常工作^[10]。

2.2 傳感檢測與報警設計

本設計燃氣泄漏檢測由MQ-5半導體氣敏傳感器完成，對燃氣檢測具有很高靈敏度，同時具有快速的響應恢復特性^[11]。圖3所示為傳感檢測節(jié)點硬件結構，由傳感器、傳感網絡模塊、外圍電路組成。

本文設計雙重報警功能主要包括室內報警處理和遠程報警，其中室內報警處理利用聲光報警器、繼電器控制門窗、排風扇的開關。遠程報警主要是通過移動網絡把報警信息傳輸到用戶和小區(qū)監(jiān)控中心。報警單元結構框圖如圖4所示。繼電器作為一種電控制器件，常用于自動化的控制電路，是優(yōu)先選擇的自動開關元件^[12]。本設計中門窗和排風扇的自控正是運用繼電器這一優(yōu)越性。當傳感器檢測到燃氣時，繼電器開關工作，打開排風扇降低燃氣濃度，分散有毒、易爆物質濃度，防止二次危險。

3 系統(tǒng)軟件設計

根據整個系統(tǒng)設計要求，ZigBee芯片的開發(fā)基于Z-Stack協(xié)議棧，采用星型拓撲結構構建無線傳感網絡，并將軟件設計分為終端程序設計、網關程序設計、協(xié)調器節(jié)點設計、傳感節(jié)點程序設計。燃氣檢測報警終端軟件能夠實現數據采集、數據處理、報警等功能。系統(tǒng)通電后，單片機和各個模塊初始化，傳感器獲取燃氣泄漏信息數據后上傳主控芯片中，經單片機處理數據后發(fā)出報警指令，系統(tǒng)終端流程如圖5所示。

3.1 Z-Stack協(xié)議棧簡述

ZigBee的開發(fā)基于Z-Stack協(xié)議棧，它是TI公司推出的符合ZigBee規(guī)范的平臺，采用分布式尋址方案，能夠完全適應無線傳感網絡的環(huán)境要求。該協(xié)議棧利用操作系統(tǒng)的思想構建系統(tǒng)，當系統(tǒng)初始化后，系統(tǒng)進入低功耗，當系統(tǒng)被呼喚后，開始進入終端處理數據信息。在進行Z-Stack協(xié)議棧開發(fā)時，需要理解協(xié)議棧中3個重要的變量：(1)taskCnt變量，主要保存任務總數；(2)taskEvent指針標量，主要指向事件表的接收地址；(3)taskArr數組標量，指向每一個處理函數，其數組每一項均為函數指針。Z-Stack協(xié)議棧具有強大的功能，其開放式協(xié)議棧能夠適應于大部分應用設計^[13]。

3.2 ZigBee網關程序設計

圖6所示為網關程序設計流程圖，首先各個模塊初始化后，ZigBee網關接收到傳感器節(jié)點上傳的燃氣檢測信號，通過繼電器打開門窗、排風扇并啟動聲光報警，通過GPRS移動通信網絡將報警信號遠程發(fā)送。

3.3 協(xié)調器節(jié)點程序設計

對于協(xié)調器而言，當傳感器監(jiān)測到燃氣泄漏信號時，通過傳感器終端節(jié)點傳輸到協(xié)調器，再通過串口把信息傳送到主控芯片，其流程如圖7所示。

3.4 傳感節(jié)點軟件設計

傳感節(jié)點軟件流程如圖8所示。傳感器模塊初始化后，首先檢測傳感器是否正常工作，然后采集數據，預警燃氣泄漏，進入無線傳感網絡，開啟聲光報警和門窗、排風扇，并將數據上傳至協(xié)調器。

4 結語

本文設計以ARM系列處理器為主控芯片，結合當前先進的無線傳感網絡技術，從硬件設計、軟件設計等多方面深入在家庭燃氣泄漏檢測報警系統(tǒng)的應用。本設計采用CC2530模塊、SIM900A模塊實現無線傳感網絡的傳輸與通信功能，并采用高靈敏度的MQ-5半導體氣敏傳感完成了對家用燃氣泄漏檢測報警功能。通過對傳感器與無線網絡模塊終端節(jié)點連接，監(jiān)控數據經主控芯片處理后通過GPRS移動網絡傳輸給小區(qū)監(jiān)控中心和用戶，并實現室內聲光報警和繼電器自控開啟門窗、排風扇，實現安全的雙重報警功能。本系統(tǒng)傳輸速率快、靈敏度高、成本低、功耗低；模塊化設計，便于功能擴展，能夠滿足對家庭燃氣的安全需求，具有較強的實際使用價值。

參考文獻

[1] 安靜怡.基于無線傳感器網絡的室內燃氣監(jiān)測系統(tǒng)[D].北京：北京郵電大學，2011.

[2] 王湘云，董大波，吳南健，等.基于短距離無線、有線通信的燃氣檢測報警系統(tǒng)[J].電子技術應用，2013，39(7)：83-85.

[3] 馬科，陳和平，王志芳，等.基于移動平臺的火災短信報警系統(tǒng)的設計與實現[J].計算機工程與設計，2008，29(9)：2387-2389.

[4] 郭榮祥，陳樹樹.基于ARM處理器與GPRS技術的水廠監(jiān)控系統(tǒng)[J].微型機與應用，2010，29(19)：68-69.

[5] 朱恒軍，張玉龍，靳展，等.基于ZigBee的室內空氣環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設計[J].電子技術應用，2015，41(2)：86-87.

[6] 張凱，陸鈞,孫躍.基于位置云技術的智能拼車匹配系統(tǒng)設計[J].電子技術應用，2013，39(8)：20-21.

[7] 呂鑫，王忠.GPRS數據傳輸模塊的設計與實現[J].現代電子技術，2008(9)：17-20.

[8] 郭德強，馬駿，王宗俠，等.基于ARM平臺的UEFI開發(fā)與移植[J].電子技術應用，2014，40(4)：11-14.

[9] 沈建華，郝立平.STM32w無線射頻ZigBee單片機原理與應用[M].北京：北京航天航空大學出版社，2014.

[10] 任先平，章紅.基于ZigBee網絡的家用燃氣報警系統(tǒng)[J].計算機技術與自動化，2014(1)：142-143.

[11] 王顯維.基于MQ_5和AT89C51的煤礦瓦斯監(jiān)測報警器的設計[J].黑龍江科技信息，2014(13)：108.