基于nRF2401智能無線火災監(jiān)控系統(tǒng)設計

　　引言

　　火災監(jiān)控系統(tǒng)關系到建筑物內人們生命財產(chǎn)安全，在整個智能建筑中，火災監(jiān)控系統(tǒng)起著相當重要的作用. 傳統(tǒng)火災監(jiān)控系統(tǒng)無法滿足及時報警的要求.問題主要集中在兩個方面:首先,當建筑物中發(fā)生火災時,傳統(tǒng)的火災監(jiān)控系統(tǒng)容易因為線路損壞而失去效用,在傳統(tǒng)火災監(jiān)控系統(tǒng)中大量使用的有線通信電纜,極易造成火勢的蔓延,加劇災情;其次,傳統(tǒng)的火災監(jiān)控系統(tǒng)中探測器分布有限,直接導致火災檢測的可靠性差,容易出現(xiàn)誤報情況,并且無法對整個建筑物進行系統(tǒng)和全面地探測。本文設計了基于nRF2401智能無線火災監(jiān)控系統(tǒng)設計，該系統(tǒng)可以對建筑物目標區(qū)域進行有效的監(jiān)控，而且監(jiān)測節(jié)點體積小，無需布線，移動、安裝和檢修方便。

　　系統(tǒng)概述

　　監(jiān)控系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集控制節(jié)點和監(jiān)控終端組成.在本文中監(jiān)控系統(tǒng)采用了星型拓撲結構，由一個與計算機相連的無線通信模塊作為系統(tǒng)的監(jiān)控終端，可以跟監(jiān)控系統(tǒng)中的任何一個數(shù)據(jù)采集控制節(jié)點通信。數(shù)據(jù)采集控制節(jié)點按照一定的規(guī)則分布在建筑物的各個房間或走廊內，負責數(shù)據(jù)的采集、處理和傳輸，并且對監(jiān)控終端發(fā)來的數(shù)據(jù)、命令進行分析處理，完成相應的操作。系統(tǒng)結構框圖如圖1所示。

　　                               圖1 系統(tǒng)結構框圖

　　該火災監(jiān)控系統(tǒng)采用了星型拓撲結構，采用這種拓撲結構能夠很好地擴展組合，容易增加系統(tǒng)中節(jié)點，滿足在建筑物中節(jié)點分布的不確定性，可以在建筑物中房間、隔離處放置節(jié)點，避免無線干擾和監(jiān)控區(qū)域不確定性的問題。監(jiān)控終端與數(shù)據(jù)采集控制節(jié)點直接相連,每隔一段時間向數(shù)據(jù)采集控制節(jié)點采集數(shù)據(jù),然后進行數(shù)據(jù)融合, 分析是否發(fā)出火災報警信號。在一定程度上降低監(jiān)控系統(tǒng)的誤報，提高無線火災監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性。若有火災發(fā)生則發(fā)出報警,同時給數(shù)據(jù)采集控制節(jié)點發(fā)出控制指令,啟動滅火設施。

　　系統(tǒng)硬件

　　無線數(shù)據(jù)傳輸模塊nRF2401

　　nRF2401是挪威 Nordic公司的單片2.4GHz無線收發(fā)一體芯片。它將射頻、8051MCU、9通道12位ADC、外圍元件、電感和濾波器全部集成到單芯片中，并采用2.4GHz頻帶和0.18μm工藝，可提供ShockBurst(瘁發(fā))、 DuoCeiver、片上CRC以及地址計算編碼等功能。nRF2401支持多點間通信，最高傳輸速率超過1Mbit/S，比藍牙具有更高的傳輸速度。它采用SoC方法設計，只需少量外圍元件便可組成射頻收發(fā)電路。與藍牙不同的是, nRF2401沒有復雜的通信協(xié)議,它完全對用戶透明,同種產(chǎn)品之間可以自由通信。更重要的是，nRF2401比藍牙產(chǎn)品更便宜。所以nRF2401是業(yè)界體積最小、功耗最少、外圍元件最少的低成本射頻系統(tǒng)級芯片。

　　數(shù)據(jù)采集控制節(jié)點

　　數(shù)據(jù)采集控制節(jié)點作為監(jiān)控系統(tǒng)的終端部分，在本設計中被設計成模塊，這些模塊直接與傳感器和被控滅火設備相連來完成火災報警和控制等功能。通過無線的方式與監(jiān)控終端相連，接收監(jiān)控終端發(fā)給自己的信息，并把自己的信息發(fā)送給監(jiān)控終端。數(shù)據(jù)采集控制節(jié)點的電路包括傳感器的輸入接口,輸出控制接口,電源接口和無線通信芯片的接口等，其電路原理圖如圖2所示。

　                     　圖2 數(shù)據(jù)采集控制節(jié)點電路原理圖

　　數(shù)據(jù)采集控制節(jié)點的電路主要包括傳感器的輸入接口,輸出控制接口,電源接口和無線通信芯片nRF2401的接口等。數(shù)據(jù)采集控制節(jié)點通過無線通信芯片nRF2401和監(jiān)控終端進行通信，數(shù)據(jù)采集控制節(jié)點的無線通信接口由配置選通線(CS、CE、PWR_UP)，通道1(DATA1、CLK1、DR1)和通道2(DOUT2、CLK2、DR2)三部分組成。CS、CE和PWR_UP負責無線通信芯片nRF2401工作模式的配置，nRF2401工作模式有四種：收發(fā)模式、配置模式、空閑模式和關機模式。通道1(DATA1、CLK1、DR1)和通道2(DOUT2、CLK2、DR2)是無線通信芯片nRF2401和單片機AT89C2051之間的數(shù)據(jù)通道，本設計選用通道1(DATA1、CLK1、DR1)作為無線通信芯片nRF2401和單片機AT89C2051之間的數(shù)據(jù)通道。CLK1是單片機AT89C2051向無線通信芯片nRF2401的時鐘輸出線，DR1是無線通信芯片nRF2401向單片機AT89C2051發(fā)送的中斷信號接口，當無線通信芯片nRF2401有數(shù)據(jù)準備向單片機AT89C2051發(fā)送時，DR1產(chǎn)生高電平，則三極管N2導通，單片機AT89C2051引腳P3.3變?yōu)榈碗娖?，產(chǎn)生中斷，單片機AT89C51置接收模式，無線通信芯片nRF2401通過DATA1向單片機AT89C2051發(fā)送數(shù)據(jù)。

　　控制輸出采用四路繼電器輸出，為了防止干擾，采用光電隔離器將輸入與輸出相互隔離,也將輸入和輸出端與單片機AT89C2051隔開。無線網(wǎng)絡節(jié)點的單片機通過光電隔離器和繼電器控制輸出， 其中P1.X是單片機AT89C2051引腳P1.4、P1.5、P1.6和P1.7，當P1.X置低時，光電隔離器導通，繼電器線圈導通，則繼電器觸點動作，完成控制動作。
　　采集數(shù)據(jù)處理

　　采樣數(shù)據(jù)處理使用融合算法,將數(shù)據(jù)采集控制節(jié)點發(fā)送來的信息用多傳感器融合原理進行處理(u=+1為發(fā)生火災,u=-1為未發(fā)生火災):

　　式中ui是接收到數(shù)據(jù)采集控制節(jié)點的數(shù)據(jù);

　　a0=log(P1/P0);當ui=+1時，ai=PDi /PFi ;當ui=-1時ai=1-PDi /1-PFi。

　　根據(jù)現(xiàn)場和火源由專家經(jīng)驗或現(xiàn)場實驗等賦予各傳感器以不同的檢出概率PD和虛警概率Pf以及P1和P0,在單片機內部按照上述算法得u=1或者u=0,從而得出正確判斷.

　　系統(tǒng)抗干擾

　　系統(tǒng)的主要干擾源有電源線中的高頻干擾、感性負載產(chǎn)生瞬變噪聲干擾、噪聲電壓干擾。為保證系統(tǒng)判斷傳感器輸入信號的穩(wěn)定性采用如下濾波電路: 選用專為通信控制芯片提供轉換電壓的LM1117為轉換芯片，它具有功耗低，體積小等優(yōu)點。同時在電源電路中加入220μH的電感，與并入多個不同容值的電容所構成的濾波電路來抑制各種高頻信號，使數(shù)據(jù)采集控制節(jié)點能夠得到穩(wěn)定可靠且低干擾的電源,保證其可靠運行。同時射頻部分的電路設計也是數(shù)據(jù)采集控制節(jié)點設計的重點與難點,是數(shù)據(jù)采集控制節(jié)點設計成功的關鍵?？垢蓴_設計直接關系到射頻性能和整個數(shù)據(jù)采集控制節(jié)點的運轉情況。在射頻部分布線時,合理的布局與布線及采用多層板既是布線所必須的也是降低電磁干擾提高抗干擾能力的有效手段。布線時需要注意以下幾點：一是射頻部分電路沒有用做布線的面積均需用銅填充并連接到地,以提供RF屏蔽達到有效抗干擾的目的 ;nRF2401芯片底部應接地 ;為了降低延遲、減少串擾，確保高頻信號的傳輸 ，要使用多個接地過孔將nRF2401芯片底部和地層相連;盡可能地減少串擾，減少分布參數(shù)的影響，器件要緊密地分布在nRF2401 的四周,并使用較小封裝。

　　系統(tǒng)軟件

　　數(shù)據(jù)采集控制節(jié)點是一種嵌入式無線通信接口，是連接傳感器和滅火等設備與監(jiān)控終端的紐帶。數(shù)據(jù)采集控制節(jié)點軟件系統(tǒng)采用模塊化設計方法，一個模塊可被多個任務共享，可以有效節(jié)省存儲空間，也便于設計和調試。以匯編語言為編程工具，更加有效地利用單片機的硬件資源，可以使系統(tǒng)程序更加簡潔，減少占用的內存資源。按照硬件電路設計，數(shù)據(jù)采集控制節(jié)點軟件主要完成初始化設置部分、傳感器信號檢測部分、數(shù)據(jù)發(fā)送部分、數(shù)據(jù)接收及控制輸出幾部分等。系統(tǒng)上電后，首先對單片機端口進行相應的設置;其次通過nRF2401的DATA1和CLK1端口將nRF2401配置數(shù)據(jù)包發(fā)送給nRF2401，并置nRF2401為接收模式;最后定時對單片機端口進行循環(huán)掃描，若有傳感器信號輸入，將數(shù)據(jù)打包，并調用通信數(shù)據(jù)發(fā)送模塊將信息發(fā)送出去。若有中斷信號，則調用通信數(shù)據(jù)接收模塊接收數(shù)據(jù)，接收完畢對信號進行處理，輸出執(zhí)行命令。數(shù)據(jù)采集控制節(jié)點軟件流程如圖3所示。

　　                  圖3 數(shù)據(jù)采集控制節(jié)點軟件流程圖

　　結語

　　設計了利用無線通信芯片nRF2401進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o線火災監(jiān)控系統(tǒng)系統(tǒng)，并全采用了模塊化設計，使其具有很好的移植性和擴展性。該系統(tǒng)具有使用方便、成本低、應用靈活、無需重新布線等優(yōu)點。在實驗樓內搭建的該系統(tǒng)能夠正常實現(xiàn)火災自動報警監(jiān)控的功能，具有誤報率低及抗干擾性強等特點。此外本系統(tǒng)具有良好的通用性和可靠性，也可用于建筑物的報警和安全系統(tǒng)。