基于无线传感网火灾探测报警系统硬件设计.ppt

基于无线传感网火灾探测报警系统硬件设计 1 1设计要求：低功耗较高处理速度廉价的传感器网络节点 通信协议实现符合IEEE802.15.4标准工作在2.4GHz频段上 能够采集环境中的温度、烟雾等信息并报警2 2火灾探测报警系统总体结构图3 3无线传感器网络节点 4 4一、本设计系统的组成5模块网关传感器模块报警模块电源模块5 51、CC2530模块 CC2530 CC2530 是用于是用于IEEE 802.15.4IEEE 802.15.4、ZigBee ZigBee 和和RF4CE RF4CE 应用应用的一个真正的片上系统（的一个真正的片上系统（SoCSoC）解决方案。它能够以非常低）解决方案。它能够以非常低的总的材料成本建立强大的网络节点。的总的材料成本建立强大的网络节点。CC2530 CC2530 结合了领先结合了领先的的RF RF 收发器的优良性能，业界标准的增强型收发器的优良性能，业界标准的增强型8051 CPU8051 CPU，系，系统内可编程闪存，统内可编程闪存，8-KB RAM 8-KB RAM 和许多其他强大的功能。无线和许多其他强大的功能。无线传输距离可达传输距离可达100100米。米。CC2530 CC2530 具有不同的运行模式，使得具有不同的运行模式，使得它尤其适应超低功耗要求的系统。运行模式之间的转换时它尤其适应超低功耗要求的系统。运行模式之间的转换时间短进一步确保了低能源消耗。间短进一步确保了低能源消耗。6 6CC2530内部构成7 7CC2530芯片8 8CC2530电路原理图9 92、网关 网关网关(Gateway)(Gateway)又称网间连接器、协议转换器。定义：又称网间连接器、协议转换器。定义：在采用不同体系结构或协议的网络之间进行互通时，用于提在采用不同体系结构或协议的网络之间进行互通时，用于提供协议转换、路由选择、数据交换等网络兼容功能的设施。供协议转换、路由选择、数据交换等网络兼容功能的设施。网关在传输层上以实现网络互连，是最复杂的网络互连设备，网关在传输层上以实现网络互连，是最复杂的网络互连设备，仅用于两个高层协议不同的网络互连。网关既可以用于广域仅用于两个高层协议不同的网络互连。网关既可以用于广域网互连，也可以用于局域网互连。网关是一种充当转换重任网互连，也可以用于局域网互连。网关是一种充当转换重任的计算机系统或设备。在使用不同的通信协议、数据格式或的计算机系统或设备。在使用不同的通信协议、数据格式或语言，甚至体系结构完全不同的两种系统之间，网关是一个语言，甚至体系结构完全不同的两种系统之间，网关是一个翻译器。与网桥只是简单地传达信息不同，网关对收到的信翻译器。与网桥只是简单地传达信息不同，网关对收到的信息要重新打包，以适应目的系统的需求。同时，网关也可以息要重新打包，以适应目的系统的需求。同时，网关也可以提供过滤和安全功能。大多数网关运行在提供过滤和安全功能。大多数网关运行在OSI 7OSI 7层协议的顶层协议的顶层层-应用层。应用层。1010 本设计我们采用亿道公司的本设计我们采用亿道公司的EMIOT-WGB-1EMIOT-WGB-1网关，如图网关，如图5 5所示。其网关处理器采用所示。其网关处理器采用CC2530CC2530模块作为微处理器，主要模块作为微处理器，主要负责数据采集、分发以及程序测试，该网关采用高性能的负责数据采集、分发以及程序测试，该网关采用高性能的CP2012 USBCP2012 USB转转RS232RS232芯片，方便与具有不同操作系统的计算芯片，方便与具有不同操作系统的计算机进行机进行RS232RS232通信，并采用了通信，并采用了128*64128*64的图形的图形LCDLCD显示屏，直显示屏，直观数据显示。网关板的主要硬件资源：观数据显示。网关板的主要硬件资源：RS232RS232转转USBUSB接口；接口；4 4个方向按键；个方向按键；2 2个个GPIOGPIO接口按键；接口按键；128*64128*64图形图形LCDLCD显示屏；显示屏；2 2个对称的个对称的CC2530CC2530模块的接口插件；模块的接口插件；1 1个标准个标准mini-USBmini-USB仿真器仿真器接口；接口；4 4个个LEDLED；1 1个精密可调电位器，可以模拟个精密可调电位器，可以模拟ADAD信号。信号。11113、传感器模块传感器选用：温度传感器LM35D烟雾传感器MQ-2火焰传感器JNHB10041212温度传感器LM35D1313 LM35D LM35D 集成温度传感器采用己知温度系数的基准源作为集成温度传感器采用己知温度系数的基准源作为温敏元件温敏元件,芯片内部则采用差分对管等线性化技术芯片内部则采用差分对管等线性化技术,实现了温实现了温敏传感器的线性化敏传感器的线性化,也提高了传感器的精度。与热敏电阻、热也提高了传感器的精度。与热敏电阻、热电偶等传统传感器相比电偶等传统传感器相比,具有线性好、精度高、体积小、校准具有线性好、精度高、体积小、校准方便、价格低等特点方便、价格低等特点,非常适合于常温测量工作。非常适合于常温测量工作。LM35DLM35D是一种输出电压与摄氏温度成正比例的温度传感器，是一种输出电压与摄氏温度成正比例的温度传感器，其灵敏度为其灵敏度为10mV/10mV/；工作温度范围为；工作温度范围为0-1000-100；工作电压；工作电压为为4-30V4-30V；精度为；精度为11。最大线性误差为。最大线性误差为0.50.5；静态电流；静态电流为为80uA80uA。该器件如塑封三极管（。该器件如塑封三极管（TO-92TO-92）如图）如图6 6所示。所示。1414烟雾传感器MQ-21515 MQ-2MQ-2气体传感器所使用的气敏材料是在清洁空气中电导气体传感器所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡率较低的二氧化锡(SnO2)(SnO2)。传感器的电导率随空气中可燃传感器的电导率随空气中可燃气体浓度的增加而增大。使用简单的电路即可将电导率的变气体浓度的增加而增大。使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号。化转换为与该气体浓度相对应的输出信号。器件特点：器件特点：1 1、在较宽的浓度范围内对可燃气体有良好的灵敏度、在较宽的浓度范围内对可燃气体有良好的灵敏度 2 2、对液化气、丙烷、氢气、对液化气、丙烷、氢气 的灵敏度较高的灵敏度较高 3 3、长寿命、低成本、长寿命、低成本 4 4简单的驱动电路即可、简单的驱动电路即可 5 5、体积小，安装方便、体积小，安装方便1616火焰传感器JNHB10041717 JNHB1004JNHB1004是一种远红外火焰传感器，能够探测到波长在是一种远红外火焰传感器，能够探测到波长在760760纳米纳米11001100纳米范围内的红外光，探测角度为纳米范围内的红外光，探测角度为6060，其中，其中红外光波长在红外光波长在940940纳米附近时，其灵敏度达到最大。远红外纳米附近时，其灵敏度达到最大。远红外火焰探头的工作温度为火焰探头的工作温度为-25-25摄氏度摄氏度8585摄氏度，在使用过程摄氏度，在使用过程中应注意火焰探头离火焰的距离不能太近，以免造成损坏。中应注意火焰探头离火焰的距离不能太近，以免造成损坏。火焰传感器如图火焰传感器如图1212所示，当周围有火源产生时，火焰传感器所示，当周围有火源产生时，火焰传感器JNHB1004JNHB1004会探测到空气中红外线强度的变化，外界红外光越会探测到空气中红外线强度的变化，外界红外光越强，数值越小；红外光越弱，数值越大。强，数值越小；红外光越弱，数值越大。18184、报警电路1919 由两个由两个555555时基电路组成的两个多谐振荡器。第一个时基电路组成的两个多谐振荡器。第一个（U1U1）555555构成低频振荡电路，频率构成低频振荡电路，频率F1F1主要由主要由C1C1、R2R2决定，决定，3 3脚输出频率为脚输出频率为F1F1的低频信号，当的低频信号，当U1U1的的3 3脚输出高电平时，第二脚输出高电平时，第二个（个（U2U2）555555构成高频振荡电路工作，其振荡频率构成高频振荡电路工作，其振荡频率F2F2主要由主要由C3C3、R4R4决定，且决定，且F2F2远大于远大于F1F1，这样在，这样在U2U2的的3 3脚输出为脚输出为F2F2的脉波调制的脉波调制信号。信号。三极管三极管S8550S8550和与非门和与非门74LS0074LS00控制报警电路的通断，这里控制报警电路的通断，这里的的74LS0074LS00芯片接芯片接+9V+9V电源，当电源，当CC2530CC2530模块的模块的P1.2P1.2端输出高电平端输出高电平时，经过与非门输出低电平时，经过与非门输出低电平0V0V，三极管，三极管ebeb级导通，从而这个级导通，从而这个报警电路处于导通状态，蜂鸣器发出报警电路处于导通状态，蜂鸣器发出“滴嘟滴嘟滴嘟滴嘟”的声的声音。反之，音。反之，P1.2P1.2端输出低电平时，经过与非门输出高电平端输出低电平时，经过与非门输出高电平9V9V，三极管，三极管ebeb级不导通，电路不报警。级不导通，电路不报警。20205、电源电路 电源电路如图电源电路如图2525所示，由所示，由9V9V干电池经过干电池经过L7805L7805稳压电源稳压电源输出输出5V5V电压给各种传感器和芯片供电，再经电压给各种传感器和芯片供电，再经3 3个硅型二极管个硅型二极管压降为压降为3.3V3.3V给给CC2530CC2530模块供电。模块供电。2121二、总体电路22222323三、监控界面 Visual Studio Visual Studio 是微软公司推出的开发环境。是目前最是微软公司推出的开发环境。是目前最流行的流行的 Windows Windows 平台应用程序开发环境。平台应用程序开发环境。Visual Studio Visual Studio 可以用来创建可以用来创建 Windows Windows 平台下的平台下的 Windows Windows 应用程序和网络应用程序和网络应用程序，也可以用来创建网络服务、智能设备应用程序和应用程序，也可以用来创建网络服务、智能设备应用程序和 Office Office 插件。目前已经开发到插件。目前已经开发到 8.0 8.0 版本，也就是版本，也就是 Visual Visual Studio 2005Studio 2005。Visual Studio 2005Visual Studio 2005是基于是基于.NET2.0.NET2.0框架的。框架的。它是一种单平台多语言的软件开发工具，使用它我们可以开它是一种单平台多语言的软件开发工具，使用它我们可以开发出发出webweb应用程序（就是动态网页），应用程序（就是动态网页），winformwinform（windowswindows视视窗程序），甚至适合移动手持设备浏览的窗程序），甚至适合移动手持设备浏览的webweb程序，等等，程序，等等，是是microsoftmicrosoft所有软件开发工具的一个整合。总体来说是一所有软件开发工具的一个整合。总体来说是一个非常庞大的软件，甚至包含代码测试功能。这个版本的个非常庞大的软件，甚至包含代码测试功能。这个版本的Visual Studio Visual Studio 包含有众多版本，分别面向不同的开发角色。包含有众多版本，分别面向不同的开发角色。同时还永久提供免费的同时还永久提供免费的Visual Studio Express Visual Studio Express 版本。版本。无线火灾探测报警系统组建的网络在亿道无线火灾探测报警系统组建的网络在亿道VS2005VS2005开发平开发平台上的活动节点如图台上的活动节点如图2828所示，网络结构如图所示，网络结构如图2929所示。由于程所示。由于程序烧制时是随机编码，所以序烧制时是随机编码，所以3 3个火灾报警节点编号分别为个火灾报警节点编号分别为3705437054，72487248，5435054350。242425252626 无线火灾探测报警系统组建的网络在亿道无线火灾探测报警系统组建的网络在亿道VS2005VS2005开发平开发平台上的台上的5435054350节点监测数据如图节点监测数据如图3030所示。为了在监测图表中可所示。为了在监测图表中可以同时显示以同时显示3 3种数据变化，而温度的测温范围是种数据变化，而温度的测温范围是0-1000-100，所，所以我们在设计参数时将烟雾传感器最大上限值以我们在设计参数时将烟雾传感器最大上限值1000010000缩小缩小100100倍以倍以100*100100*100的形式表示（的形式表示（*100100为单位），将火焰传感器的最为单位），将火焰传感器的最大上限值大上限值10231023缩小缩小1010倍以倍以102.3*10102.3*10的形式表示（的形式表示（*1010为单位）。为单位）。如图如图3131所示，采集的图是所示，采集的图是3 3种传感器的初始值；如图种传感器的初始值；如图3232所示，所示，采集的图有采集的图有3 3种传感器的报警值。实验中我们设定种传感器的报警值。实验中我们设定5050为温度为温度的报警点，的报警点，75*10075*100为烟雾的报警点，为烟雾的报警点，80*1080*10为火焰的报警点。为火焰的报警点。272728282929四、结论 无线传输是数据通信系统中经常采用的一种数据传输方无线传输是数据通信系统中经常采用的一种数据传输方式，在某些应用场合，利用无线技术更方便、快捷。本设计式，在某些应用场合，利用无线技术更方便、快捷。本设计采用单片机技术、无线传输技术、传感器技术和集成技术，采用单片机技术、无线传输技术、传感器技术和集成技术，实现火灾自动探测和报警功能。根据火灾发生时产生的火光、实现火灾自动探测和报警功能。根据火灾发生时产生的火光、烟雾和温度变化等信息，通过传感器感测信号，综合分析判烟雾和温度变化等信息，通过传感器感测信号，综合分析判断是否发生火灾。如果确实发生火灾，通过无线传感器向火断是否发生火灾。如果确实发生火灾，通过无线传感器向火灾报警系统发送火灾报警信息和火灾地点。灾报警系统发送火灾报警信息和火灾地点。本设计完成了系统的信号传感、信号调理、数据采集、本设计完成了系统的信号传感信号调理、数据采集、无线数据收发等硬件设计，进行了系统软件、无线传感器节无线数据收发等硬件设计，进行了系统软件、无线传感器节点软件及通信软件设计与系统调试。经试验，本系统无线传点软件及通信软件设计与系统调试。经试验，本系统无线传输距离可达输距离可达100100米左右，发生火灾时现场和控制室同时发出米左右，发生火灾时现场和控制室同时发出报警信号。电路中若配用报警信号。电路中若配用CC2530-CC2591CC2530-CC2591模块，可将无线传模块，可将无线传输距离输距离100100米增大到米增大到10001000米。电路设计是米。电路设计是3 3种传感器采集到的种传感器采集到的数据有数据有2 2个以上超过报警点则报警，目前能做到只要一个数个以上超过报警点则报警，目前能做到只要一个数据超过报警点则蜂鸣器报警。据超过报警点则蜂鸣器报警。3030 在室内数据采集中在室内数据采集中,采用采用ZigBeeZigBee技术构建的低成本、低技术构建的低成本、低功耗的无线传感器网络克服了有线传感器网络的局限性；在功耗的无线传感器网络克服了有线传感器网络的局限性；在监测区域布置多个传感器节点，在单一传感器节点故障后监测区域布置多个传感器节点，在单一传感器节点故障后,可以依据其他正常的传感器节点提供信息可以依据其他正常的传感器节点提供信息,防止漏报；在一防止漏报；在一个传感器节点上集成温度、烟雾、火焰三种类型传感器，增个传感器节点上集成温度、烟雾、火焰三种类型传感器，增强了火灾监测的可靠性，防止误报。系统开发、试制成功，强了火灾监测的可靠性，防止误报。系统开发、试制成功，具有较高的经济效益、社会效益和推广应用价值。具有较高的经济效益、社会效益和推广应用价值。3131谢谢！3232