摘  要： 現(xiàn)有火災(zāi)報(bào)警主要采用有線方式,，耗費(fèi)材料且難以實(shí)現(xiàn)互聯(lián)報(bào)警,。采用無線方式能夠很好地解決互聯(lián)報(bào)警,、降低成本。利用MSP430F227和CC2500搭載Simplici Ti實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)互聯(lián),，數(shù)據(jù)中心節(jié)點(diǎn)連接至PC機(jī),，PC機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控節(jié)點(diǎn)信息，在火災(zāi)到來時(shí)能夠及時(shí)準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)本地報(bào)警和遠(yuǎn)程報(bào)警,?；馂?zāi)節(jié)點(diǎn)功耗低，休眠時(shí)只有不到1 μA電流,。
關(guān)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(zāi)安全事故,。準(zhǔn)確而又及時(shí)地通知樓內(nèi)人員撤離或者采取援助和自救成為當(dāng)前主要的課題,。目前使用的火災(zāi)報(bào)警主要是消防聯(lián)控系統(tǒng)，大多與本樓的其他住戶無關(guān)聯(lián),，導(dǎo)致了本樓住戶在火災(zāi)發(fā)生時(shí)得不到報(bào)警,，不能及時(shí)逃離火災(zāi)現(xiàn)場。
　針對這一情況,，本文設(shè)計(jì)了一款無線火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng),，其節(jié)點(diǎn)能夠分布多個(gè)地點(diǎn)，在火災(zāi)發(fā)生時(shí)能夠及時(shí)通知本樓住戶并撥打遠(yuǎn)程報(bào)警電話告知有火災(zāi)發(fā)生,。
1 總體設(shè)計(jì)方案
　本系統(tǒng)主要由火災(zāi)煙霧探測節(jié)點(diǎn),、數(shù)據(jù)接入點(diǎn)、PC機(jī)監(jiān)控,、GSM模塊,、手機(jī)終端5個(gè)部分構(gòu)成,其總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

　煙霧探測節(jié)點(diǎn)采集煙霧和溫度通過Simplici Ti網(wǎng)絡(luò)傳送到數(shù)據(jù)接入點(diǎn),，數(shù)據(jù)接入端對煙霧和溫度判斷是否有火災(zāi)需要報(bào)警,，并將所有數(shù)據(jù)傳送到PC機(jī)；PC機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控火災(zāi)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)（煙霧,、溫度,、電池電量）。當(dāng)出現(xiàn)火災(zāi)險(xiǎn)情時(shí),，PC機(jī)通過GSM模塊發(fā)送火災(zāi)地點(diǎn)信息到手機(jī)報(bào)警終端,，并撥打手機(jī)報(bào)警終端電話,。
　Simplici Ti是TI公司針對簡單小型RF網(wǎng)絡(luò)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(dá)百米[1],。支持各種低功耗應(yīng)用，如報(bào)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(shè)計(jì)的要求,。
　設(shè)計(jì)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(luò)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(yīng)用的需求。電路設(shè)定為ISM(工業(yè),，科學(xué)和醫(yī)學(xué))和SRD(短距離設(shè)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(jìn)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(shí)需要對加熱電阻加熱,，功耗大,；光電式環(huán)保，成本低,，工作時(shí)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(shè)計(jì)采用了光電式煙霧傳感器,。
    本設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)程報(bào)警采用GSM網(wǎng)絡(luò)來實(shí)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(wù)提供無線接口,。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
　(1)微控制器電路
　節(jié)點(diǎn)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(shè)計(jì)如圖3所示,，通過SPI兼容接口(SI,、SO、SCLK and CSn)進(jìn)行CC2500配置,。SPI接口上的所有操作都以一個(gè)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(dāng)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(yùn)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(jìn)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(qiáng)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(gè)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(dāng)環(huán)境光照變化時(shí),，只要D4,、D6特性一樣，它們變化的電壓差ΔU1一樣,。當(dāng)有煙霧進(jìn)入煙霧傳感器的窗口時(shí),，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(jìn)行間歇式工作以降低功耗。當(dāng)SLEEP為高電平時(shí),，T1截止,，傳感器處于休眠狀態(tài)；當(dāng)SLEEP為低電平時(shí),，T1導(dǎo)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(diǎn)一旦斷電，則網(wǎng)絡(luò)必須重新組織,，所以設(shè)計(jì)可充電的電池備用電路,。
　(5)本地報(bào)警電路
　報(bào)警電路采用三聲的報(bào)警芯片C002，可發(fā)出110,、120,、119三種聲音，設(shè)計(jì)中采用發(fā)119的報(bào)警聲音,。
　(6)火災(zāi)溫度監(jiān)測
　火災(zāi)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)要求。
3 節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)
　(1)火災(zāi)探測節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)
　火災(zāi)探測節(jié)點(diǎn)是一個(gè)休眠設(shè)備,，1.5 s喚醒一次,。當(dāng)火災(zāi)探測節(jié)點(diǎn)喚醒時(shí),，開啟AD進(jìn)行溫度、電池電壓,、煙霧采樣,，開啟AD的同時(shí)關(guān)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(zāi)是否有煙霧,，若有報(bào)警則發(fā)送報(bào)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(diǎn)[4],。程序流程圖如圖5所示,。

　(2)數(shù)據(jù)接入點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)
　數(shù)據(jù)接入節(jié)點(diǎn)是實(shí)時(shí)工作的節(jié)點(diǎn)，主要功能是本地報(bào)警和接收火災(zāi)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)并傳送到PC機(jī),。本地報(bào)警一旦觸發(fā)必需人為解除否則一直報(bào)警,，解除報(bào)警可通過按鍵，也可通過上位機(jī)的“停止報(bào)警”按鈕停止報(bào)警,。
　(3)監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)
　GSM遠(yuǎn)程報(bào)警主要是發(fā)送火災(zāi)地點(diǎn)信息到手機(jī)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(shè)計(jì)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(jìn)行編碼，通過AT指令就可以實(shí)現(xiàn)短信的發(fā)送,。
　監(jiān)控主界面能夠?qū)崟r(shí)顯示各個(gè)節(jié)點(diǎn)的信息,，包括地點(diǎn)、當(dāng)前溫度,、煙霧,、時(shí)間、報(bào)警信息,。還有當(dāng)節(jié)點(diǎn)的電壓低于2.5 V時(shí),，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(yuǎn)程報(bào)警都是采用串口來實(shí)現(xiàn)的,。當(dāng)有火警時(shí)，自動把報(bào)警信息存到數(shù)據(jù)庫當(dāng)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(gè)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(shè)計(jì)過程中做了單點(diǎn)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(shí),，室外的覆蓋可達(dá)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(shè)計(jì)的需要,。當(dāng)發(fā)射功率設(shè)為-10 dBm的時(shí)候覆蓋情況明顯變差。
　(2)系統(tǒng)整機(jī)測試
　接入節(jié)點(diǎn)和GSM模塊接入到PC機(jī),，設(shè)置端口號,、波特率、校驗(yàn)位,、數(shù)據(jù)位和停止位,。參數(shù)設(shè)置完成后，測試GSM報(bào)警模塊是否連接正常,，把火災(zāi)節(jié)點(diǎn)接入網(wǎng)絡(luò),。無線網(wǎng)絡(luò)組織成功后就可進(jìn)行整機(jī)測試。
　采用Simplici Ti無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議組織節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò),，節(jié)點(diǎn)采集溫度,、煙霧等信息通過無線網(wǎng)絡(luò)傳至數(shù)據(jù)中心節(jié)點(diǎn)，由數(shù)據(jù)中心節(jié)點(diǎn)對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,，處理完成的數(shù)據(jù)傳送至PC機(jī)監(jiān)控,。若在數(shù)據(jù)處理中發(fā)現(xiàn)有險(xiǎn)情，則觸發(fā)本地報(bào)警,，并把報(bào)警信息傳輸至PC機(jī)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程報(bào)警(短信和撥打電話),。為了能讓救援工作在第一時(shí)間展開，設(shè)計(jì)可擴(kuò)展為聯(lián)防報(bào)警,。本設(shè)計(jì)的火災(zāi)節(jié)點(diǎn)為超低功耗,，休眠時(shí)只有不到1 ?滋A電流，具有較強(qiáng)的工程實(shí)踐意義和應(yīng)用前景,。
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