智能火灾预警系统设计与实现

摘要：针对现有的校园火灾监测方法不能实时动态采集信息的不足，文章设计了一种基于CC2530的校园火灾监控系统。首先介绍了火灾监控系统的功能和体系架构，然后分别介绍了系统的硬件组成和软件架构，最后通过系统的实验测试，服务器的上位机管理平台能够实时准确地监测环境的温度、湿度和烟雾浓度，提供了一种减少和避免火灾事故的实时有效方法。

关键词：CC2530；火灾监控系统；系统硬件；系统软件；上位机校园

作为师生们每天生活和学习的重要场所，人身和财产安全至关重要。近年由于人为和环境等因素的影响，可能导致校园火灾发生，对生命安全和财产构成威胁。目前常用的火灾监测主要类型有独立的单点火灾报警、有线联网火灾报警和无线网络火灾报警等［1］。其中：独立单点火灾报警器不能联网，远程无法实时发现火情；有线联网火灾报警器需要综合布线，有些建筑内部结构布线困难；无线联网火灾报警器目前采用GPRS、WIFI无线，使用ZigBee协议进行无线火灾报警。但由于IPv4地址数量的限制，为每个节点提供公有地址的火灾报警已不能满足要求。随着IPv6下一代互联网已逐渐在各大高校和科研机构等场所部署，为在校园内采用基于CC2530的火灾报警系统设计奠定了基础。本文设计了一种基于CC2530校园智能火灾预警系统，采用了contiki嵌入式系统，使用6LoWPAN协议［2］实现给每个节点配置唯一IPv6地址，同时，它满足了无线传感器网络低功耗的要求，并克服了上述的一些缺点。

1系统总体架构

本文采用模块化设计方法，提出校园智能火灾预警系统架构，如图1所示。前端数据采集电路由温湿度传感器和烟雾传感器组成。由单片机组成数据处理和无线传输电路。由蜂鸣器和发光二极管组成声光报警电路。环境信息由温度和湿度传感器和烟雾浓度传感器收集，并通过微控制器的内部AD转换进行数模转换。通过无线向网关节点实时输出各节点上传感器的数据，与监控平台预先设定的各项报警阈值参数进行比较，如果超出了预警值，那么声光报警器启动，提醒有火险情况发生，同时监控平台后台报警灯同步闪烁和蜂鸣告警。

2系统硬件设计

2．1传感器节点硬件设计。传感器节点由前端数据采集模块、数据处理模块、无线传输模块、声光报警模块和电源模块组成，如图2所示。2．1．1数据采集模块前端数据采集模块由温度和湿度传感器和烟雾传感器组成。DHT11传感器由一个高性能8位单片机将一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件相连接。它具有响应速度快、抗干扰能力强、性价比高的优点［3］，它由5V供电。经过校准的数字信号输出的温度和湿度值可通过DHT11数字温度和湿度传感器直接输入CC2530。DHT11传感器信号输出引脚可以直接连接到CC2530的I／O引脚。MQ－2传感器适用于检测各种气体，如烟雾和液化气［4］。它具有高灵敏度、快速响应恢复的特点，并且可以通过简单的电路驱动［5］。MQ－2传感器模块具有双信号输出，可输出TTL电平和模拟量。当传感器检测到环境中烟雾浓度发生变化时，传感器的电导率随着空气中烟雾气体浓度增加而增加。模拟输出为0～5V，电压越高，烟雾浓度越高。传感器由5V供电，模拟输出引脚直接连接到CC2530的AD引脚。TTL电平输出引脚连接到声光报警模块的信号输入引脚。首次使用MQ－2传感器时，需要将传感器预热一段时间。2．1．2数据处理和无线传输模块该MCU采用德州仪器（TI）的CC2530F256微控制器，结合了RF收发器的卓越性能，具有行业标准增强型8051CPU，系统内可编程闪存，8KBRAM和许多其他强大功能［6］。将数据处理和无线传输功能集成到CC2530最小系统，既简化了电路，又有利于降低整个硬件电路的功耗。单片机采用3．3V供电，CC2530收到烟雾传感器输出的模拟量后，再经内部AD转换后，输出数字量烟雾浓度，并与温度和湿度传感器输出的数据、节点的IPv6地址一起封装后通过6LoWPAN协议传输至网关节点，然后通过网关节点传至服务器的上位机。2．1．3声光报警模块声光报警模块采用的是5V供电，它由无源压电式蜂鸣器、LED灯、限流电阻和其他简单电路组成。声光报警模块的输入信号的有效电平为低电平信号或接地，将其连接到烟雾传感器的TTL输出引脚。当节点检测到烟雾浓度变化时，TTL引脚输出低电平，声光报警模块的红色LED点亮，同时蜂鸣器工作。2．2电源模块。整个节点的硬件系统由9V方形电池供电，温湿度传感器、烟雾传感器和声光报警模块的工作电压是5V。CC2530微控制器的工作电压是3．3V，因此需要对9V电压进行DC－DC转换，通过使用5V和3．3V降压模块将9V电压降至5V和3．3V，为每个模块供电。2．3边界路由节点。边界路由节点由CC2530和CP2102芯片和电路组成，通过USB端口实现网关节点与服务器上的上位机的通信和供电。每个节点通过6LoWPAN协议网络将处理后的数据上传到网关节点，然后网关节点再通过虚拟串口传输到上位机。

3系统软件设计

3．1节点软件设计。该节点使用contiki系统，这是一个小型的开源和便移植操作系统，旨在与一系列内存受限的网络系统配合使用［7］。包括8位微处理器的嵌入系统等。通过IAR集成开发环境，将contiki系统从Linux系统开发平台移到Windows上进行程序的编写。系统的节点软件流程图如图3所示。系统上电启动初始化后，首先对温度和湿度传感器和烟雾传感器进行预热，待传感器稳定后进行信号采集。烟雾传感器输出的模拟量经单片机AD转换后，同温度和湿度传感器输出的数字量经网关节点传输至上位机，在上位机上实时显示各传感器节点采集到数据和IPv6地址，并与预设的各项阈值进行比较。最后判断各室内节点环境是否正常，一旦超出阈值就报警。3．2上位机管理软件设计。系统的上位机采用图形化编辑语言G编写程序的LabVIEW［8］。系统监控平台如图4所示。将各个功能模块化划分，由时间、显示、阈值设置、开关控制、报警、数据保存等主要模块组成。时间模块显示系统的当前日期和时间、程序开始时间和运行时间；显示模块可以观察每个节点上温度、湿度和烟雾浓度的实时数据，并通过动态曲线同步显示；阈值设置模块可以对温度、湿度、烟雾浓度的报警上限或者下限根据部署的环境进行设定；开关控制模块可以控制各个节点启动和关闭；报警指示模块可以直观地观察各个节点传感器采集的数据是否正常，若超出了阈值，报警指示灯将红灯间隔3s闪烁，并发出蜂鸣声音；数据保存模块可以将每个节点采集到的数据以txt格式保存到主机程序所在文件目录下，同时收集数据并同步保存到MySQL数据库。可以通过服务器的IPv6地址远程访问每个传感器节点上传的信息。

4系统测试

在测试中，边界路由节点连接到服务器以实现6LoWPAN网络与标准IPv6网络之间的通信。边界路由节点通过虚拟串口与服务器连接，通过SLIP协议与服务器交互，服务器上通过软件模拟一个虚拟网络端口，实现与6LoWPAN网络之间通信。在服务器上ping边界网关路由节点IPv6地址和子节点IPv6地址，如图5所示。系统中采用phpMyAdmin实现对MySQL的管理。phpMyAdmin是一个基于PHP的数据库管理工具，允许管理者使用Web界面轻松管理MySQL数据库，如图6所示。使用服务器的IPv6地址可在校园局域网内任何地点登录phpMyAdmin，通过phpMyAdmin可以看到现有MySQL数据库中创建了WSN数据库，其中有20张数据表分别保存20个节点数据，在这里使用2个节点进行测试，可以看到第2个节点数据表中已有数据的插入，使用Web的方式可以便捷的管理和查看数据库中的信息。

5结论

本文针对现有校园火灾监控系统的不足，提出一种基于CC2530的校园智能火灾预警系统，实现了节点之间6LoWPAN的自组网络和数据传输，并通过系统运行测试，设计的校园智能火灾监控平台可以精准地对环境的温度、湿度和烟雾浓度进行实时动态监控和预警提示，为减少和避免火灾事故的发生提供了有效的方法。后续可对节点的电路和功能进一步扩展，如增加继电器模块控制灭火装置等。

［参考文献］

［1］杨政勃．工业危废贮存库的火灾探测器选型设计［J］．今日消防，2019，4（2）：28－29．

［2］王平，王恒．无线传感器网络技术及应用［M］．北京：人民邮电出版社，2016：139－149．

［3］陈中，沈翠凤．基于MSP430单片机的环境参数检测系统设计［J］．电工电气，2018（9）：30－33．

［4］揭懿晖，李天龙，胡梓东，等．基于单片机智能化燃气报警器的设计［J］．山东工业技术，2019（18）：150－151．

［5］方欢．液晶显示温度及烟雾浓度的声光报警器设计［J］．信息技术与信息化，2015（8）：49－50．

［6］熊星星．6LoWPAN的研究及其在WSN平台中的应用设计［D］．南昌：东华理工大学，2015．

［7］潘晓贝．基于ZigBee的温湿度无线采集系统设计［J］．电子测试，2018（18）：9－12．

［8］朱旗，叶兵，黄炜．基于LabVIEW的汽车带轮综合参数测量系统研制［J］．合肥工业大学学报（自然科学版），2018，41（4）：497－500．

作者:华健 黄飞 任浩 周启航 单位:1.合肥工业大学信息化建设与发展中心 2.合肥工业大学仪器科学与光电工程学院3.合肥工业大学电子科学与应用物理学院