導(dǎo)語：智能火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要：針對(duì)現(xiàn)有的校園火災(zāi)監(jiān)測(cè)方法不能實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)采集信息的不足，文章設(shè)計(jì)了一種基于CC2530的校園火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)。首先介紹了火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)的功能和體系架構(gòu)，然后分別介紹了系統(tǒng)的硬件組成和軟件架構(gòu)，最后通過系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試，服務(wù)器的上位機(jī)管理平臺(tái)能夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)環(huán)境的溫度、濕度和煙霧濃度，提供了一種減少和避免火災(zāi)事故的實(shí)時(shí)有效方法。

關(guān)鍵詞：CC2530；火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)；系統(tǒng)硬件；系統(tǒng)軟件；上位機(jī)校園

作為師生們每天生活和學(xué)習(xí)的重要場(chǎng)所，人身和財(cái)產(chǎn)安全至關(guān)重要。近年由于人為和環(huán)境等因素的影響，可能導(dǎo)致校園火災(zāi)發(fā)生，對(duì)生命安全和財(cái)產(chǎn)構(gòu)成威脅。目前常用的火災(zāi)監(jiān)測(cè)主要類型有獨(dú)立的單點(diǎn)火災(zāi)報(bào)警、有線聯(lián)網(wǎng)火災(zāi)報(bào)警和無線網(wǎng)絡(luò)火災(zāi)報(bào)警等［1］。其中：獨(dú)立單點(diǎn)火災(zāi)報(bào)警器不能聯(lián)網(wǎng)，遠(yuǎn)程無法實(shí)時(shí)發(fā)現(xiàn)火情；有線聯(lián)網(wǎng)火災(zāi)報(bào)警器需要綜合布線，有些建筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)布線困難；無線聯(lián)網(wǎng)火災(zāi)報(bào)警器目前采用GPRS、WIFI無線，使用ZigBee協(xié)議進(jìn)行無線火災(zāi)報(bào)警。但由于IPv4地址數(shù)量的限制，為每個(gè)節(jié)點(diǎn)提供公有地址的火災(zāi)報(bào)警已不能滿足要求。隨著IPv6下一代互聯(lián)網(wǎng)已逐漸在各大高校和科研機(jī)構(gòu)等場(chǎng)所部署，為在校園內(nèi)采用基于CC2530的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。本文設(shè)計(jì)了一種基于CC2530校園智能火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)，采用了contiki嵌入式系統(tǒng)，使用6LoWPAN協(xié)議［2］實(shí)現(xiàn)給每個(gè)節(jié)點(diǎn)配置唯一IPv6地址，同時(shí)，它滿足了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)低功耗的要求，并克服了上述的一些缺點(diǎn)。

1系統(tǒng)總體架構(gòu)

本文采用模塊化設(shè)計(jì)方法，提出校園智能火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)架構(gòu)，如圖1所示。前端數(shù)據(jù)采集電路由溫濕度傳感器和煙霧傳感器組成。由單片機(jī)組成數(shù)據(jù)處理和無線傳輸電路。由蜂鳴器和發(fā)光二極管組成聲光報(bào)警電路。環(huán)境信息由溫度和濕度傳感器和煙霧濃度傳感器收集，并通過微控制器的內(nèi)部AD轉(zhuǎn)換進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換。通過無線向網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)輸出各節(jié)點(diǎn)上傳感器的數(shù)據(jù)，與監(jiān)控平臺(tái)預(yù)先設(shè)定的各項(xiàng)報(bào)警閾值參數(shù)進(jìn)行比較，如果超出了預(yù)警值，那么聲光報(bào)警器啟動(dòng)，提醒有火險(xiǎn)情況發(fā)生，同時(shí)監(jiān)控平臺(tái)后臺(tái)報(bào)警燈同步閃爍和蜂鳴告警。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2．1傳感器節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)。傳感器節(jié)點(diǎn)由前端數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、無線傳輸模塊、聲光報(bào)警模塊和電源模塊組成，如圖2所示。2．1．1數(shù)據(jù)采集模塊前端數(shù)據(jù)采集模塊由溫度和濕度傳感器和煙霧傳感器組成。DHT11傳感器由一個(gè)高性能8位單片機(jī)將一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè)NTC測(cè)溫元件相連接。它具有響應(yīng)速度快、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比高的優(yōu)點(diǎn)［3］，它由5V供電。經(jīng)過校準(zhǔn)的數(shù)字信號(hào)輸出的溫度和濕度值可通過DHT11數(shù)字溫度和濕度傳感器直接輸入CC2530。DHT11傳感器信號(hào)輸出引腳可以直接連接到CC2530的I／O引腳。MQ－2傳感器適用于檢測(cè)各種氣體，如煙霧和液化氣［4］。它具有高靈敏度、快速響應(yīng)恢復(fù)的特點(diǎn)，并且可以通過簡單的電路驅(qū)動(dòng)［5］。MQ－2傳感器模塊具有雙信號(hào)輸出，可輸出TTL電平和模擬量。當(dāng)傳感器檢測(cè)到環(huán)境中煙霧濃度發(fā)生變化時(shí)，傳感器的電導(dǎo)率隨著空氣中煙霧氣體濃度增加而增加。模擬輸出為0～5V，電壓越高，煙霧濃度越高。傳感器由5V供電，模擬輸出引腳直接連接到CC2530的AD引腳。TTL電平輸出引腳連接到聲光報(bào)警模塊的信號(hào)輸入引腳。首次使用MQ－2傳感器時(shí)，需要將傳感器預(yù)熱一段時(shí)間。2．1．2數(shù)據(jù)處理和無線傳輸模塊該MCU采用德州儀器（TI）的CC2530F256微控制器，結(jié)合了RF收發(fā)器的卓越性能，具有行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)增強(qiáng)型8051CPU，系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存，8KBRAM和許多其他強(qiáng)大功能［6］。將數(shù)據(jù)處理和無線傳輸功能集成到CC2530最小系統(tǒng)，既簡化了電路，又有利于降低整個(gè)硬件電路的功耗。單片機(jī)采用3．3V供電，CC2530收到煙霧傳感器輸出的模擬量后，再經(jīng)內(nèi)部AD轉(zhuǎn)換后，輸出數(shù)字量煙霧濃度，并與溫度和濕度傳感器輸出的數(shù)據(jù)、節(jié)點(diǎn)的IPv6地址一起封裝后通過6LoWPAN協(xié)議傳輸至網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，然后通過網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)傳至服務(wù)器的上位機(jī)。2．1．3聲光報(bào)警模塊聲光報(bào)警模塊采用的是5V供電，它由無源壓電式蜂鳴器、LED燈、限流電阻和其他簡單電路組成。聲光報(bào)警模塊的輸入信號(hào)的有效電平為低電平信號(hào)或接地，將其連接到煙霧傳感器的TTL輸出引腳。當(dāng)節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到煙霧濃度變化時(shí)，TTL引腳輸出低電平，聲光報(bào)警模塊的紅色LED點(diǎn)亮，同時(shí)蜂鳴器工作。2．2電源模塊。整個(gè)節(jié)點(diǎn)的硬件系統(tǒng)由9V方形電池供電，溫濕度傳感器、煙霧傳感器和聲光報(bào)警模塊的工作電壓是5V。CC2530微控制器的工作電壓是3．3V，因此需要對(duì)9V電壓進(jìn)行DC－DC轉(zhuǎn)換，通過使用5V和3．3V降壓模塊將9V電壓降至5V和3．3V，為每個(gè)模塊供電。2．3邊界路由節(jié)點(diǎn)。邊界路由節(jié)點(diǎn)由CC2530和CP2102芯片和外圍電路組成，通過USB端口實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)與服務(wù)器上的上位機(jī)的通信和供電。每個(gè)節(jié)點(diǎn)通過6LoWPAN協(xié)議網(wǎng)絡(luò)將處理后的數(shù)據(jù)上傳到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，然后網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)再通過虛擬串口傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3．1節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)。該節(jié)點(diǎn)使用contiki系統(tǒng)，這是一個(gè)小型的開源和便移植操作系統(tǒng)，旨在與一系列內(nèi)存受限的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)配合使用［7］。包括8位微處理器的嵌入系統(tǒng)等。通過IAR集成開發(fā)環(huán)境，將contiki系統(tǒng)從Linux系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)移到Windows上進(jìn)行程序的編寫。系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)軟件流程圖如圖3所示。系統(tǒng)上電啟動(dòng)初始化后，首先對(duì)溫度和濕度傳感器和煙霧傳感器進(jìn)行預(yù)熱，待傳感器穩(wěn)定后進(jìn)行信號(hào)采集。煙霧傳感器輸出的模擬量經(jīng)單片機(jī)AD轉(zhuǎn)換后，同溫度和濕度傳感器輸出的數(shù)字量經(jīng)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)傳輸至上位機(jī)，在上位機(jī)上實(shí)時(shí)顯示各傳感器節(jié)點(diǎn)采集到數(shù)據(jù)和IPv6地址，并與預(yù)設(shè)的各項(xiàng)閾值進(jìn)行比較。最后判斷各室內(nèi)節(jié)點(diǎn)環(huán)境是否正常，一旦超出閾值就報(bào)警。3．2上位機(jī)管理軟件設(shè)計(jì)。系統(tǒng)的上位機(jī)采用圖形化編輯語言G編寫程序的LabVIEW［8］。系統(tǒng)監(jiān)控平臺(tái)如圖4所示。將各個(gè)功能模塊化劃分，由時(shí)間、顯示、閾值設(shè)置、開關(guān)控制、報(bào)警、數(shù)據(jù)保存等主要模塊組成。時(shí)間模塊顯示系統(tǒng)的當(dāng)前日期和時(shí)間、程序開始時(shí)間和運(yùn)行時(shí)間；顯示模塊可以觀察每個(gè)節(jié)點(diǎn)上溫度、濕度和煙霧濃度的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并通過動(dòng)態(tài)曲線同步顯示；閾值設(shè)置模塊可以對(duì)溫度、濕度、煙霧濃度的報(bào)警上限或者下限根據(jù)部署的環(huán)境進(jìn)行設(shè)定；開關(guān)控制模塊可以控制各個(gè)節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)和關(guān)閉；報(bào)警指示模塊可以直觀地觀察各個(gè)節(jié)點(diǎn)傳感器采集的數(shù)據(jù)是否正常，若超出了閾值，報(bào)警指示燈將紅燈間隔3s閃爍，并發(fā)出蜂鳴聲音；數(shù)據(jù)保存模塊可以將每個(gè)節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)以txt格式保存到主機(jī)程序所在文件目錄下，同時(shí)收集數(shù)據(jù)并同步保存到MySQL數(shù)據(jù)庫?？梢酝ㄟ^服務(wù)器的IPv6地址遠(yuǎn)程訪問每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)上傳的信息。

4系統(tǒng)測(cè)試

在測(cè)試中，邊界路由節(jié)點(diǎn)連接到服務(wù)器以實(shí)現(xiàn)6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)與標(biāo)準(zhǔn)IPv6網(wǎng)絡(luò)之間的通信。邊界路由節(jié)點(diǎn)通過虛擬串口與服務(wù)器連接，通過SLIP協(xié)議與服務(wù)器交互，服務(wù)器上通過軟件模擬一個(gè)虛擬網(wǎng)絡(luò)端口，實(shí)現(xiàn)與6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)之間通信。在服務(wù)器上ping邊界網(wǎng)關(guān)路由節(jié)點(diǎn)IPv6地址和子節(jié)點(diǎn)IPv6地址，如圖5所示。系統(tǒng)中采用phpMyAdmin實(shí)現(xiàn)對(duì)MySQL的管理。phpMyAdmin是一個(gè)基于PHP的數(shù)據(jù)庫管理工具，允許管理者使用Web界面輕松管理MySQL數(shù)據(jù)庫，如圖6所示。使用服務(wù)器的IPv6地址可在校園局域網(wǎng)內(nèi)任何地點(diǎn)登錄phpMyAdmin，通過phpMyAdmin可以看到現(xiàn)有MySQL數(shù)據(jù)庫中創(chuàng)建了WSN數(shù)據(jù)庫，其中有20張數(shù)據(jù)表分別保存20個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，在這里使用2個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，可以看到第2個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)表中已有數(shù)據(jù)的插入，使用Web的方式可以便捷的管理和查看數(shù)據(jù)庫中的信息。

5結(jié)論

本文針對(duì)現(xiàn)有校園火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)的不足，提出一種基于CC2530的校園智能火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了節(jié)點(diǎn)之間6LoWPAN的自組網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)傳輸，并通過系統(tǒng)運(yùn)行測(cè)試，設(shè)計(jì)的校園智能火災(zāi)監(jiān)控平臺(tái)可以精準(zhǔn)地對(duì)環(huán)境的溫度、濕度和煙霧濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)控和預(yù)警提示，為減少和避免火災(zāi)事故的發(fā)生提供了有效的方法。后續(xù)可對(duì)節(jié)點(diǎn)的電路和功能進(jìn)一步擴(kuò)展，如增加繼電器模塊控制滅火裝置等。

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作者:華健 黃飛 任浩 周啟航 單位:1.合肥工業(yè)大學(xué)信息化建設(shè)與發(fā)展中心 2.合肥工業(yè)大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院3.合肥工業(yè)大學(xué)電子科學(xué)與應(yīng)用物理學(xué)院