基于ZigBee技术的无线智能家用燃气报警系统

1、.：.；基于ZigBee技术的无线智能家用燃气报警系统杨晓明 施云波 修德斌 赵文杰 米继耀 刘丛宁 时间:2021年02月23日 字 体: HYPERLINK javascript:setFont(16); 大 HYPERLINK javascript:setFont(14); 中 HYPERLINK javascript:setFont(12); 小关键词: HYPERLINK chinaaet/search/?q=协调器 t _blank 协调器 HYPERLINK chinaaet/search/?q=语音模块 t _blank 语音模块 HYPERLINK chinaaet/sear

2、ch/?q=串口 t _blank 串口 HYPERLINK chinaaet/search/?q=协议栈 t _blank 协议栈 HYPERLINK chinaaet/search/?q=报警系统 t _blank 报警系统 HYPERLINK chinaaet/search/?q=可燃性 t _blank 可燃性 平安防备的 HYPERLINK chinaaet/search/?q=报警系统 o 报警系统 报警系统是确保住宅、住户平安的极为重要的途径之一，同时也是数字化家庭的重要组成部分。 遇到煤气走漏等紧急情况时，及时对外报警求助就显得非常必要，成为人们生活中必不可少的部分。 本文设计

3、的基于ZigBee技术的无线智能家用燃气报警系统是以CC2430为中心，与机网络、语音电路及 HYPERLINK chinaaet/search/?q=可燃性 o 可燃性 可燃性气体传感器相结合，经过无线节点的布网，实时监测家用燃气气体浓度来检测能否有可燃性气体走漏，假设有走漏并超越平安的范围，经过ZigBee终端节点把数据传到中心 HYPERLINK chinaaet/search/?q=协调器 o 协调器 协调器，经过微控制器控制机模块和 HYPERLINK chinaaet/search/?q=语音模块 o 语音模块 语音模块拨打求助，通知家人有平安隐患，并且同时将报警信号发送给小区的监

4、控中心。1 系统构成 本智能监测系统主要是由ZigBee无线模块、机模块、语音模块、数据采集模块，以及LCD显示模块组成。整个系统围绕zigBee模块组网，在整个小区内组建成网状网络。系统任务时，终端的ZigBee节点采用半功能的ZigBee节点设备，主要完成燃气气体浓度的采集及数据的发送。终端节点把数据发送给中间路由或直接发送给中央协调器，协调器会处置诊断传来的数据，假设到达了预先设定好的浓度报警阈值，就会驱动网络中的机模块拨打预先设定好的号码，经过模拟摘挂机的方式驱动语音模块拨打设定好的号码，假设占线或无人接听还可拨打下一个号码，这样延续循环拨打，直到对方摘机。假设对方摘机就会听到预先编录

5、好的语音模块播放的相应的语音。在拨打号码的同时，中央处置器也会驱动蜂鸣器报警，假设有人在家的情况下，还可以直接经过按键解除报警，直接看到LCD上的数据显示结果，进而直接采取相应措施。系统总体框图如图1所示。2 系统的硬件设计与实现 该系统主要由无线模块、电源模块、数据采集模块、机模块、显示模块、蜂鸣报警、语音模块等部分组成。21 无线数据传输模块 ZigBee技术是一种运用于短间隔 、低速率下的网络拓扑技术，是基于IEEE 80215.4无线规范研制开发的。在PHY层，其频段是免费开放的，国内主要运用于24 GHz频段，传输间隔 大约100 m，传输速率大约是250 Kbs，各个频段均采用直接

6、序列扩频技术。为了防止其他无线通讯干扰，采用碰撞防止机制，同时为需求固定带宽的通讯业务预留公用时隙，防止了发送数据时的竞争和冲突。ZigBee提供了数据完好性检查功能，具有加密功能，加密算法采用通用的AES-128加密算法。本文采用以CC2430为内核的ZigBee模块，CC2430集成了RF射频模块与加强型的51模块。CC2430有低功耗方式，在没有数据发送的时候，前端节点进入休眠形状，此时的耗电量仅为几十微瓦。有中断挂起时可以很快地传输数据。针对小区的智能安防建立，采用mesh状的拓扑构造，拓扑构造模型如图2所示。Mesh拓扑构造具有自愈才干，平安性和可靠性高，其中的一个节点发生缺点时不会

7、影响整个系统任务。可以经过其他冗余路由传输给中心协调器(基站)，从而可以使中心协调器有效地发送控制命令。22 电源模块 电源模块主要是由TPS79533低压稳压器输出33 V电压，其输入电压范围是2755 V，并具有较高的电源抑制比、超低噪声、较好的电压线性和负载瞬态效应以及较小的电压漂移。其详细电路如图3所示。 此电源模块采用5 V直流电源直接供电，经过稳压器稳压到33 V，也可以经过USB供电，假设作为前端节点或者遭到环境要素影响，在没有方便的电气设备情况下，也可以采用3节干电池供电，在3种电源同时存在的情况下，电路会直接以最高电压输入为电源，其他那么被屏蔽。此电路交融了3种电源的运用，节

8、点在任何场所随意放置。经过TPS79533转换33V任务电压：在输入和GND之间添加上O.1F和47F并联的旁路电容，47F的电容可稳定输出，使输入电平更加平滑。0.1F的小电容与GND相连，对高频信号提供了一个对地通路。这样，经过O.1 F和47F两只电容的并联作为旁路电容可以获得更大的滤波频段，加强稳定性，提高噪声和纹波抑制。同样，在输出和GND之间也要添加同样的并联电容，使输出更稳定，并且可以获得稳定纯真的电压输出。由于稳压器的内部参考电压的噪声是稳压器本身噪声的主要来源。TPS79 533的PASS引脚经过一个250 k电阻衔接到参考电压上。这样内部250 k的电阻连同外部衔接的O01

9、 F的电容构成一个低通滤波器来减少参考电压的噪声和输出噪声。23 数据采集模块 采用催化熄灭式气体传感器TGS6812，TGS6812适用于检测氢气、甲烷和液化石油气等可燃性气体，传感器精度高、耐久耐用、稳定可靠、呼应快速和线性输出的良好特性。所以TGS6812是检测家用燃气的良益处理方案，其内部大致构造框图如图4所示。 TGS6812由易燃气体敏感的元件D和对易燃气体不敏感的基准元件C组成。当可燃气体存在时，将在D检测元件上熄灭，呵斥温度上升，D元件的电阻将会添加，从而使输出电压相应被改动。丈量这个电压值，经过计算可以求得可燃气体的浓度。当在空气中时，遭到环境温度的影响，传感器也会有零点输出

10、，所以运用LM158设计差动增益可调的放大电路来抑制零点漂移，详细设计电路如图5所示。 经过调理变位器R4，使后面由以LM158构成的差动放大电路的差动输入为0，可以减少环境沮度呵斥的误差，进一步对温度影响进展补偿。经过调理电位器R11可以使输出稳定在03 V，便于进展转化成规范的浓度计算。24 机模块 本系统采用某电子公司的芯片设计的机模块，模块上集成了51内核的处置器，拥有独立的接口，具备DTMF信号检测功能，振铃检测功能，信号音检测功能，可以经过继电器的释放与否来模拟的摘挂机。模块内部固化了完好的 HYPERLINK chinaaet/search/?q=串口 o 串口 串口协议指令，例

11、如拨打号码，中心协调器可以经过串口直接发送“ATD+110+enter，假设拨打胜利，机模块会经过串口反响给协调器“OK，否那么反响“ERR-OR。这种协议可以方便中心协调器经过串口发送协议指令控制机模块，从而拨打报警，减少系统的复杂性。25 语音模块 语音模块采用ISD1110语音芯片，其单片录放时间10 s，并具有独一的录音控制和边缘电平触发两种放音控制，大大提高控制的灵敏性。在录放操作终了后，ISD1110自动进入低功耗节电方式，其片内有EEPROM单元信息可在无需后备电源的情况下保管录好的语音信息。3 系统软件设计 本系统的软件设计部分主要是由以CC2430为中心的MCU的中心协调器组

12、建mesh网络部分、数据处置诊断部分和语音报警部分构成。31 系统主程序 主程序流程图如图6所示。 主程序流程主要是MCU进展数据初始化，启动stack组建网络，当网络组建胜利后等待其他节点参与网络。假设没有事件触发，系统那么进入休眠省电形状；假设有触发事件发生，那么进一步判别能否是数据接纳事件。假设不是数据触发事件，那么进入相应的中断程序进展处置；假设是数据接纳事件触发，那么进展数据处置诊断，转化成规范的气体浓度，然后经过LCD显示模块显示出来。判别能否到达浓度的预警值，假设到达预警值，那么启动语音模块报警。报警终了后继续进入等待事件形状。32 组建网络流程 组建网络的流程图主要是系统设置初

13、始化，经过按键来设置设备的逻辑类型，然后进展系统复位，复位后启动 HYPERLINK chinaaet/search/?q=协议栈 o 协议栈 协议栈，判别协议栈能否启动胜利，假设启动失败，触发START_EVT事件继续启动协议栈，直到协议栈启动胜利，然后把协调器设置成允许其他节点自动参与网络，那么建网胜利。详细建网流程图如图7所示。33 语音报警流程 报警电路流程首先是系统的初始化，循环计数清0，开场进入监测形状，当浓度到达报警值时，开场模拟摘机，然后判别能否是拨号音，假设不是那么继续模拟摘机，是拨号音那么开场拨预置的号码，拨号循环计数加1，进展延时等待2 s，判别能否有回铃音，没有回铃音继

14、续等待，有那么进一步判别对方能否摘机，没摘机那么继续等待，当等待时问超越1 min时，刚判别预置号码能否播完，假设没有播完那么进展拨打下一个号码。对方摘机胜利那么启动语音模块播放录音，然后挂机。详细流程如图8所示。4 实验过程中的关键点分析 首先，在选择组网过程中，mesh网络功能强大强壮且具有自修复才干，但这是以添加更多冗余路由为代价的，会增大网络的能量耗费以及本钱，所以在组建网络的同时，要折衷处置网络本钱和网络强壮性。再次，zigBee的功率超低，这对于无线电系统来说是一大优点，因此必需可以对整个系统进展低功耗设计。为了充分优化电源的运用和电池寿命，有必要投入大量的时间去优化功耗，同时该当处置对数据反响时间与电池的寿命进展折衷。最后，为