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(xiàn)、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(chǎn)生爆炸，由此造成巨大生命財產(chǎn)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(xiàn)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(shè)計了一種基于無線通信技術(shù)的燃氣報警系統(tǒng)，當燃氣泄漏時，室內(nèi)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(wǎng)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(shè)計采用較穩(wěn)定的雙向無線ZigBee通信技術(shù)，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(shù)實現(xiàn)實時通信，增強系統(tǒng)可靠性。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

    本設(shè)計總體把報警系統(tǒng)分為室外報警、燃氣檢測、室內(nèi)處理三個部分，系統(tǒng)核心包括ZigBee傳感網(wǎng)絡、ZigBee網(wǎng)關(guān)、GPRS移動網(wǎng)絡，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。ZigBee網(wǎng)絡采用星型拓撲結(jié)構(gòu)，傳感器節(jié)點通過路由器接入無線傳感網(wǎng)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(diào)器端的無線傳感網(wǎng)絡模塊，然后通過其串口發(fā)送到處理器，經(jīng)處理后，通過聲光報警器發(fā)出報警信號，與此同時協(xié)調(diào)器端向主控單元發(fā)送控制信號，實現(xiàn)繼電器控制門窗、排風扇的開關(guān)的開啟和關(guān)閉。其次經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器的報警信號由GPRS移動網(wǎng)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(shù)和移動通信技術(shù)充分結(jié)合實現(xiàn)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(nèi)設(shè)計要求，增強家用燃氣的安全性。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 無線傳輸網(wǎng)絡設(shè)計

    為滿足燃氣報警系統(tǒng)的安裝方便和避免室內(nèi)不宜布線的實際情況，本文設(shè)計采用無線傳感網(wǎng)絡，其硬件結(jié)構(gòu)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(wǎng)絡實現(xiàn)。本設(shè)計優(yōu)點表現(xiàn)在SIM900A模塊能夠?qū)崿F(xiàn)低功耗語音數(shù)據(jù)傳輸，采用分組交換技術(shù)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(shù)可以選用，其豐富的接口及強大的功能在各個領(lǐng)域都廣泛的應用^[9]。采用CC2530模塊作為無線網(wǎng)絡傳輸，極高的性價和強大的無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點，對于此模塊而言，僅需配上電源、時鐘電路、串行調(diào)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(shè)計

    本設(shè)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(jié)構(gòu)，由傳感器、傳感網(wǎng)絡模塊、外圍電路組成。

    本文設(shè)計雙重報警功能主要包括室內(nèi)報警處理和遠程報警，其中室內(nèi)報警處理利用聲光報警器、繼電器控制門窗、排風扇的開關(guān)。遠程報警主要是通過移動網(wǎng)絡把報警信息傳輸?shù)接脩艉托^(qū)監(jiān)控中心。報警單元結(jié)構(gòu)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(guān)元件^[12]。本設(shè)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(guān)工作，打開排風扇降低燃氣濃度，分散有毒、易爆物質(zhì)濃度，防止二次危險。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

    根據(jù)整個系統(tǒng)設(shè)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(jié)構(gòu)構(gòu)建無線傳感網(wǎng)絡，并將軟件設(shè)計分為終端程序設(shè)計、網(wǎng)關(guān)程序設(shè)計、協(xié)調(diào)器節(jié)點設(shè)計、傳感節(jié)點程序設(shè)計。燃氣檢測報警終端軟件能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)后上傳主控芯片中，經(jīng)單片機處理數(shù)據(jù)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(wǎng)絡的環(huán)境要求。該協(xié)議棧利用操作系統(tǒng)的思想構(gòu)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(shù)據(jù)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(shù)；(2)taskEvent指針標量，主要指向事件表的接收地址；(3)taskArr數(shù)組標量，指向每一個處理函數(shù)，其數(shù)組每一項均為函數(shù)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(shè)計^[13]。

3.2 ZigBee網(wǎng)關(guān)程序設(shè)計

    圖6所示為網(wǎng)關(guān)程序設(shè)計流程圖，首先各個模塊初始化后，ZigBee網(wǎng)關(guān)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(wǎng)絡將報警信號遠程發(fā)送。

3.3 協(xié)調(diào)器節(jié)點程序設(shè)計

    對于協(xié)調(diào)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?shù)絽f(xié)調(diào)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(shè)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(shù)據(jù)，預警燃氣泄漏，進入無線傳感網(wǎng)絡，開啟聲光報警和門窗、排風扇，并將數(shù)據(jù)上傳至協(xié)調(diào)器。

4 結(jié)語

    本文設(shè)計以ARM系列處理器為主控芯片，結(jié)合當前先進的無線傳感網(wǎng)絡技術(shù)，從硬件設(shè)計、軟件設(shè)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(shè)計采用CC2530模塊、SIM900A模塊實現(xiàn)無線傳感網(wǎng)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(wǎng)絡模塊終端節(jié)點連接，監(jiān)控數(shù)據(jù)經(jīng)主控芯片處理后通過GPRS移動網(wǎng)絡傳輸給小區(qū)監(jiān)控中心和用戶，并實現(xiàn)室內(nèi)聲光報警和繼電器自控開啟門窗、排風扇，實現(xiàn)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(shè)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。

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