基于无线传感网火灾探测报警系统硬件设计说明.docx

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基于无线传感网火灾探测报警系统硬件设计说明

1引言

火灾是一种受国外普遍关注且发生频率较高的灾害，随着我国经济的快速发展，各地的火灾隐患越来越多。

几乎每次火灾都带来严重的人员伤亡和巨大的财产损失。

目前大多数火灾报警系统采用壁挂式或悬顶式节点安装方式，以有线的方式回传数据至管理控制中心并响铃报警，但传统的火灾报警设施严重依赖固定线路，在火灾中很容易因线路损坏而失去作用，因而表现出很大的脆弱性。

并且系统的探测器分布有限，系统误报率与误动作的概率较高。

经调查表明，传统系统主要的不足之处在于整个系统采用的是总线型结构，通过线缆将火灾探测节点串接起来的。

这就导致线路成为整个系统的命脉，而现实是线路成为了传统系统最易受到损坏的环节。

小动物啃食，环境腐蚀，尤其在火灾发生时，线路极易遭到破坏，使系统瘫痪。

我们希望设计一个新型火灾报警系统来改善这种现状，经过思考，我们创新性地用无线传感网取代线缆运用于火灾自动报警系统中。

这样一来，不仅提高了系统的可靠性，解决了传统系统主要缺陷，而且额外的增加了许多优势。

相对于传统报警系统，无线传感器网络不依赖基础设施，能多径路由、自修复和自维护，具有分布式的数据结构，在部分节点损坏时可通过重组继续工作，拥有大量分布节点和信息融合机制，能有效降低系统的误报漏报率；同时可避免有线报警系统线路容易老化或遭到腐蚀、鼠咬、磨损而需重新布线等麻烦，为火灾报警系统的研究提供了全新的研究思路和解决方案。

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。

无线传感器网络WSN（WirelessSensorNetwork）即是由大量传感器节点通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织网络系统，它能够实现数据的采集量化、处理融合和传输。

传感器、感知对象和观察者构成了传感器网络的三个要素，无线传感网络综合了微电子技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等先进技术。

它能够协同地实时监测、感知和采集网络覆盖区域中各种环境或监测对象的信息并对其进行处理，处理后的信息通过无线方式发送，并以自组多跳的网络方式传送给观察者。

具体的来讲，WSN兼具感测、运算与网络的能力，通过传感器来侦测周围环境如温度、湿度、光照、气体浓度、震动幅度等，并由无线网络将搜集到的信息传送给监控者，监控者解读报表信息后便可掌握现场状况进而维护和调整相关系统。

伴随着无线传感器网络的快速发展，以及人们对居住环境的要求越来越高，将无线传感器网络应用到火灾报警系统将是一种必然的选择。

无线传感器网络技术为基础设计了一套火灾报警系统，并通过使用烟雾传感器、温度传感器和火焰传感器来监测火灾信号，并通过使用加权算法来判断火灾的发生，从而减小了火灾的漏报率和误报率。

当有火灾发生时，通过短信报警器将信息传递给用户，并通过互联网将信息传送到监控中心，便于进行火灾救援。

该系统的试制成功，具有较高的经济效益、社会效益和推广应用价值。

通过项目可以开拓眼界，增进求实创新的能力，培养敢于思考，积极动手的行为习惯，并且最终达到完成用于火灾探测报警系统的无线传感器的设计开发工作能力。

2系统方案设计

2．1检测原理

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，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。

2．2系统总体结构

图1火灾报警系统总体结构图

本系统主要由无线传感器网络节点（负责采集节点附近温度和烟雾浓度等数据）、无线网关（以无线的方式连接无线传感器网络与管理控制中心）和报警控制中心（对上传的数据进行数据融合并发出报警信号）等几部分组成。

其中各传感器节点采用立体式安装、密集并可控地分布在检测区域，不仅能够监测自身周围温度和烟雾浓度等参数，还能够通过多节点协作将相关数据传送到报警控制中心，并能够在个别网络节点失效后能够快速自组织地重建网络拓扑；报警控制中心能够以中断方式接收传感器节点发送来的数据，还能够对指定传感器节点的数据进行查询。

基于无线传感器网技术的火灾报警系统完全能够满足火灾报警系统实时报警的要求。

同时，由于在建筑物安装无线传感器网络时节点位置可灵活控制，更换电池和失效的节点很方便，从而可以保证整个网络长时间无故障工作。

因此系统的设计非常简单,如图1所示。

2.3无线传感器网络节点

无线传感器网络节点是组成火灾报警系统的基本单位，是构成火灾报警系统的基础平台。

无线传感器网络节点需完成信息采集和数据传递的功能，节点中的电源模块还负责节点的驱动，是决定网络生存期的关键因素在网络节点设计过程中采取了以下设计原则：

在元件的选择上，采用常用器件，同时考虑兼容通用；分析节点结构，采用模块化设计，划分各模块的功能网络节点一般包括以下几部分：

无线通信模块、数据处理模块（微处理器、存储器）、数据采集模块（传感器、A/D转换器）和电源模块等，其结构如图2所示。

图2无线传感器网络节点

本设计中节点电路分为传感器、CC2530模块、天线、蜂鸣器和电源。

传感器收到火灾信号后传输到CC2530模块，通过比较器将模拟量转化成数字量，然后通过收发器发送信息。

2．4CC2530模块

CC2530是用于IEEE802.15.4、ZigBee和RF4CE应用的一个真正的片上系统（SoC）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。

CC2530结合了领先的RF收发器的优良性能，业界标准的增强型8051CPU，系统可编程闪存，8-KBRAM和许多其他强大的功能。

无线传输距离可达100米。

CC2530有四种不同的闪存版本：

CC2530F32/64/128/256，分别具有32/64/128/256KB的闪存。

CC2530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间短进一步确保了低能源消耗。

图3CC2530方框图

图3是CC2530的方框图。

这些模块大致可以分为三类：

CPU和存相关的模块；外设、时钟和电源管理相关的模块，以及无线电相关的模块。

以下小节给出了图3中出现的各个模块的简短描述。

2.4.1CPU和存

CC253x芯片系列中使用的8051CPU核是一个单周期的8051兼容核。

它有三种不同的存访问总线（SFR，DATA和CODE/XDATA），单周期访问SFR，DATA和主SRAM。

它还包括一个调试接口和一个18输入扩展中断单元。

中断控制器总共提供了18个中断源，分为六个中断组，每个与四个中断优先级之一相关。

当设备从活动模式回到空闲模式，任一中断服务请求就被激发。

一些中断还可以从睡眠模式（供电模式1-3）唤醒设备。

存仲裁器位于系统中心，因为它通过SFR总线把CPU和DMA控制器和物理存储器以及所有外设连接起来。

存仲裁器有四个存访问点，每次访问可以映射到三个物理存储器之一：

一个8-KBSRAM、闪存存储器和XREG/SFR寄存器。

它负责执行仲裁，并确定同时访问同一个物理存储器之间的顺序。

8-KBSRAM映射到DATA存储空间和部分XDATA存储空间。

8-KBSRAM是一个超

低功耗的SRAM，即使数字部分掉电（供电模式2和3）也能保留其容。

这是对于低功耗应用来说很重要的一个功能。

32/64/128/256KB闪存块为设备提供了电路可编程的非易失性程序存储器，映射到XDATA存储空间。

除了保存程序代码和常量以外，非易失性存储器允许应用程序保存必须保留的数据，这样设备重启之后可以使用这些数据。

使用这个功能，例如可以利用已经保存的网络具体数据，就不需要经过完全启动、网络寻找和加入过程。

2.4.2时钟和电源管理

数字核和外设由一个1.8-V低差稳压器供电。

它提供了电源管理功能，可以实现使用不同供电模式的长电池寿命的低功耗运行。

有五种不同的复位源来复位设备。

2.4.3外设

CC2530包括许多不同的外设，允许应用程序设计者开发先进的应用。

调试接口执行一个专有的两线串行接口，用于电路调试。

通过这个调试接口，可以执行整个闪存存储器的擦除、控制使能哪个振荡器、停止和开始执行用户程序、执行8051核提供的指令、设置代码断点，以及核中全部指令的单步调试。

使用这些技术，可以很好地执行电路的调试和外部闪存的编程。

设备含有闪存存储器以存储程序代码。

闪存存储器可通过用户软件和调试接口编程。

闪存控制器处理写入和擦除嵌入式闪存存储器。

闪存控制器允许页面擦除和4字节编程。

I/O控制器负责所有通用I/O引脚。

CPU可以配置外设模块是否控制某个引脚或它们是否受软件控制，如果是的话，每个引脚配置为一个输入还是输出，是否连接衬垫里的一个上拉或下拉电阻。

CPU中断可以分别在每个引脚上使能。

每个连接到I/O引脚的外设可以在两个不同的I/O引脚位置之间选择，以确保在不同应用程序中的灵活性。

系统可以使用一个多功能的五通道DMA控制器，使用XDATA存储空间访问存储器，因此能够访问所有物理存储器。

每个通道（触发器、优先级、传输模式、寻址模式、源和目标指针和传输计数）用DMA描述符在存储器任何地方配置。

许多硬件外设（AES核、闪存控制器、USART、定时器、ADC接口）通过使用DMA控制器在SFR或XREG地址和闪存/SRAM之间进行数据传输，获得高效率操作。

定时器1是一个16位定时器，具有定时器/PWM功能。

它有一个可编程的分频器，一个16位周期值，和五个各自可编程的计数器/捕获通道，每个都有一个16位比较值。

每个计数器/捕获通道可以用作一个PWM输出或捕获输入信号边沿的时序。

它还可以配置在IR产生模式，计算定时器3周期，输出是ANDed，定时器3的输出是用最小的CPU互动产生调制的消费型IR信号。

MAC定时器（定时器2）是专门为支持IEEE802.15.4MAC或软件中其他时槽的协议设计。

定时器有一个可配置的定时器周期和一个8位溢出计数器，可以用于保持跟踪已经经过的周期数。

一个16位捕获寄存器也用于记录收到/发送一个帧开始界定符的精确时间，或传输结束的精确时间，还有一个16位输出比较寄存器可以在具体时间产生不同的选通命令（开始RX，开始TX，等等）到无线模块。

定时器3和定时器4是8位定时器，具有定时器/计数器/PWM功能。

它们有一个可编程的分频器，一个8位的周期值，一个可编程的计数器通道，具有一个8位的比较值。

每个计数器通道可以用作一个PWM输出。

睡眠定时器是一个超低功耗的定时器，计算32-kHz晶振或32-kHzRC振荡器的周期。

睡眠定时器在除了供电模式3的所有工作模式下不断运行。

这一定时器的典型应用是作为实时计数器，或作为一个唤醒定时器跳出供电模式1或2。

ADC支持7到12位的分辨率，分别在30kHz或4kHz的带宽。

DC和音频转换可以使用高达八个输入通道（端口0）。

输入可以选择作为单端或差分。

参考电压可以是部电压、AVDD或是一个单端或差分外部信号。

ADC还有一个温度传感输入通道。

ADC可以自动执行定期抽样或转换通道序列的程序。

随机数发生器使用一个16位LFSR来产生伪随机数，这可以被CPU读取或由选通命令处理器直接使用。

例如随机数可以用作产生随机密钥，用于安全。

AES加密/解密核允许用户使用带有128位密钥的AES算法加密和解密数据。

这一核能够支持IEEE802.15.4MAC安全、ZigBee网络层和应用层要求的AES操作。

一个置的看门狗允许CC2530在固件挂起的情况下复位自身。

当看门狗定时器由软件使能，它必须定期清除；否则，当它超时就复位它就复位设备。

或者它可以配置用作一个通用32-kHz定时器。

USART0和USART1每个被配置为一个SPI主/从或一个UART。

它们为RX和TX提供了双缓冲，以及硬件流控制，因此非常适合于高吞吐量的全双工应用。

每个都有自己的高精度波特率发生器，因此可以使普通定时器空闲出来用作其他用途。

2.4.4无线设备

CC2530具有一个IEEE802.15.4兼容无线收发器。

RF核控制模拟无线模块。

另外，它提供了MCU和无线设备之间的一个接口，这使得可以发出命令，读取状态，自动操作和确定无线设备事件的顺序。

无线设备还包括一个数据包过滤和地址识别模块。

2.4.5CC2530引脚如图4所示

图4CC2530引脚图

注意：

暴露的接地衬垫必须连接到一个坚固的接地面，因为这是芯片的接地连接点。

2.4.6CC2530-CC2591模块

随着社会的需求，无线传感器网络以其低复杂度、低成本、低功耗、网络节点多等优点，在实际生活中的应用越来越广泛。

由于片上CC2530的无线通信部分的发射功率很小，加上其接收灵敏度也固定在一定水平，这样就限制了无线传感器网络的通信距离，且远小于理论值。

而在一些特定的应用环境中，如火灾报警，要求网络节点间的安放距离达到一公里以上甚至更远。

CC2591是一款高性能、低成本的RF前端，集成了开关，电感器，平衡／不平衡网络，交换机，匹配网络，PA功率放大器等功能。

可将输出功率提高+22dBm，接收灵敏度提高+6dB。

CC2591可与所有2．4GHzRF收发器、发送器和SoC连接，大大改善了RF性能，实现用极少的外围电路实现高输出功率。

CC2530是符合IEEE802.15.4的射频片上系统。

CC2530-CC2591EMK包含两个评估模块和天线。

CC2530-CC2591EMK电路板将CC2530IEEE802.15.4片上系统和CC2591射频前端组合在一起，旨在为要求远距离（更高输出功率）和更高灵敏度的IEEE802.15.4和/或ZigBee™应用提供强大的解决方案。

电路中若使用此模块，理论上可将无线传输距离100米增大到1000米。

2．5网关

网关（Gateway）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，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，网关也可以提供过滤和安全功能。

大多数网关运行在OSI7层协议的顶层--应用层。

本设计我们采用亿道公司的EMIOT-WGB-1网关，如图5所示。

其网关处理器采用CC2530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CP2012USB转RS232芯片，方便与具有不同操作系统的计算机进行RS232通信，并采用了128*64的图形LCD显示屏，直观数据显示。

网关板的主要硬件资源：

RS232转USB接口；4个方向按键；2个GPIO接口按键；128*64图形LCD显示屏；2个对称的CC2530模块的接口插件；1个标准mini-USB仿真器接口；4个LED；1个精密可调电位器，可以模拟AD信号。

图5亿道WGB网关

2．6传感器模块

2.6.1温度传感器

LM35D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,芯片部则采用差分对管等线性化技术,实现了温敏传感器的线性化,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,具有线性好、精度高、体积小、校准方便、价格低等特点,非常适合于常温测量工作。

LM35D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10mV/℃；工作温度围为0℃-100℃；工作电压为4-30V；精度为±1℃。

最大线性误差为±0.5℃；静态电流为80uA。

该器件如塑封三极管（TO-92）如图6所示。

图6LM35D引脚图

图7LM35D理想输出特性曲线与实验输出特性曲线对比

LM35D输出特性如图7所示，图中系列1为理想输出特性曲线，系列2为实验输出特性曲线。

从图7可以看出理想LM35D的输出电压与温度存在着较好的线性关系,用最小二乘法拟合得到关系式U=7.05+10.02t,即其灵敏度为10.02mV/℃。

但LM35D单电源工作时测量的最低温度理论上是0℃,而实际上只能测到2℃左右,温度计校准时要注意这一点。

工作电压5V时静态电流约为50μA,芯片自热温升仅为0.1℃左右,热稳定性较好。

2.6.2烟雾传感器

MQ-2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（SnO2）。

当传感器所处环境中存在可燃气体时，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化转换为与该气体浓度相对应的电压输出信号。

对液化气、丙烷、氢气的灵敏度高，对天然气和其它可燃蒸汽的检测也很理想。

这种传感器可检测多种可燃性气体，是一款适合多种应用的低成本传感器。

图8MQ-2结构和外形图9灵敏度特性曲线

MQ-2气敏元件的结构和外形如图8所示（结构A或B）,由微型Al2O3陶瓷管、SnO2敏感层,测量电极和加热器构成的敏感元件固定在塑料或不锈钢制成的腔体，加热器为气敏元件提供了必要的工作条件。

封装好的气敏元件有6只针状管脚，其中4个用于信号取出，2个用于提供加热电流。

图9是传感器典型的灵敏度特性曲线。

图中纵坐标为传感器的电阻比（Rs/Ro），横坐标为气体浓度。

Rs表示传感器在不同浓度气体中的电阻值，Ro表示传感器在1000ppm氢气中的电阻值图中所有测试都是在标准试验条件下完成的。

图10是传感器典型的温度、湿度特性曲线。

图中纵坐标是传感器的电阻比（Rs/Ro）。

Rs表示传感器在含1000ppm氢气中不同温/湿度下传感器的电阻值，Ro表示在含1000ppm氢气、20℃/33%RH环境条件下传感器的电阻值。

图10温度、湿度特性曲线

图11是传感器的基本测试电路。

该传感器需要施加2个电压：

加热器电压（VH）和测试电压（VC）。

其中VH用于为传感器提供特定的工作温度。

VC则是用于测定与传感器串联的负载电阻（RL）上的电压（VRL）。

这种传感器具有轻微的极性，VC需用直流电源。

在满足传感器电性能要求的前提下，VC和VH可以共用同一个电源电路。

为更好利用传感器的性能，需要选择恰当的RL值。

图11基本测试电路

2.6.3火焰传感器

JNHB1004是一种远红外火焰传感器，能够探测到波长在760纳米～1100纳米围的红外光，探测角度为60，其中红外光波长在940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-25摄氏度～85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。

火焰传感器如图12所示，当周围有火源产生时，火焰传感器JNHB1004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。

图12JNHB1004结构图

2．7报警模块

NE555（TimerIC）为8脚时基集成电路，大约在1971年由SigneticsCorporation发布，在当时是唯一非常快速且商业化的TimerIC，在往后的30年中非常普遍被使用，且延伸出许多的应用电路，后来基于CMOS技术版本的TimerIC如MOTOROLA的MC1455已被大量的使用，但原规格的NE555依然正常的在市场上供应，尽管新版IC在功能上有部份的改善，但其脚位劲能并没变化，所以到目前都可直接的代用。

图13NE555引脚图图14NE555部结构图

NE555是属于555系列的计时IC的其中的一种型号，555系列IC的接脚功能及运用都是相容的，只是型号不同的因其价格不同其稳定度、省电、可产生的振荡频率也不大相同；而555是一个用途很广且相当普遍的计时IC，只需少数的电阻和电容，便可产生数位电路所需的各种不同频率之脉波讯号。

NE555的作用围很广，但一般多应用于单稳态多谐振荡器（MonostableMutlivibrator）及无稳态多谐振荡器（AstableMultivibrator）。

引脚图如图13所示。

结构图如图14所示。

如图15（a）所示，由555定时器和外接元件R1、R2、C1构成多谐振荡器，脚2与脚6直接相连。

电路没有稳态，仅存在两个暂稳态，电路亦不需要外加触发信号，利用电源通过R1、R2向C1充电，以及C1通过R2向放电端Ct放电，使电路产生震荡。

电容C1在Vcc/3和2Vcc/3之间充电和放电，其波形如图15（b）所示。

输出信号的时间参数是T=tw1+tw2，tw1=0.7（R1+R2）*C1，tw2=0.7*R2*C1，555电路要求R1与R2均应大于或等于1KΩ，但R1+R2应小于或等于3.3MΩ.

图15多谐振荡器

2．8电源模块

电源管理是无线通讯应用中的一个关键问题，电源处理得好坏直接影响到整个系统的工作和使用。

要解决这个问题，硬件上就应该从工作芯片的低功耗的选型和电池体积和容量两方面综合来考虑。

图15是整个系统的电源管理电路框图。

图15电源管理电路框图

电子产品中,常见的三端稳压集成电路有正电压输出的78××系列和负电压输出的79××系列,三端IC是指这种稳压用的集成电路,只有三条引脚输出,分别是输入端,接地端和输出端.用78/79系列三端稳压IC来组成稳压电源所需的外围元件极少,电路部还有过流,过热及调整管的保护电路,使用起来可靠,方便,而且价格便宜.该系列集成稳压IC型号中的78或79后面的数字代表该三端集成稳压电路的输出电压,如L7805表示输出电压为正5V,L7905表示输出电压为负5V.

图16L7805引脚图

L7805集成稳压器引脚如图16所示，在典型应用电路中,输入端和输出端都需接滤波电容，输出正5V直流电压的,构成稳压电源电路.78××系列的稳压集成块的极限输入电压是36V，最低输入电压为输出电压的3-4V以上。

2．9其他芯片介绍

2.9.12输入端4与非门74LS00

74LS00引脚如图17所示。

74LS00真值表如表1所示：

图1774LS00引脚图

2.9.2电压放大器LM358

LM358部包括有两个独立的、高增益、部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。

它的使用围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。

芯片引脚如图18所示。

图18LM358芯片引脚图图19IN4148二极管

2.9.3二极管IN4148

IN4148是硅材料小功率开关二极管，结构如图19所示。

2.9.4三极管S8550

S8550是一种常用的低电压,大电流,小信号的PNP型硅三极管。

集电极-基极电压Vcbo：

-40V，工作温度：

-55℃to+150℃，和8050（NPN）相对。

主要用途：

开关应用、射频放大。

引脚如图20所示。

图20S8550引脚图

3测量电路设计

3．1传感器电路

3.1.1温度传感器电路

如图21所示，温度传感器输出模拟量，围为0-5V。

传感器1引脚接+5V电源，3引脚接地，2引脚接入CC2530I/O端口的P0.1（即CC2530模块置ADC转换器的通道1）。

图21温度传感器电路图

3.1.2烟雾传感器电路

如图22所示，烟雾