基于ZigBee技術(shù)的無線智能家用燃氣報警系統(tǒng)

安全防范的報警系統(tǒng)是確保住宅、住戶安全的極為重要的途徑之一，同時也是數(shù)字化家庭的重要組成部分。
遇到煤氣泄漏等緊急情況時，及時對外報警求助就顯得十分必要，成為人們生活中必不可少的部分。
本文設(shè)計的基于ZigBee技術(shù)的無線智能家用燃氣報警系統(tǒng)是以CC2430為核心，與電話機網(wǎng)絡(luò)、語音電路及可燃性氣體傳感器相結(jié)合，通過無線節(jié)點的布網(wǎng)，實時監(jiān)測家用燃氣氣體濃度來檢測是否有可燃性氣體泄漏，如果有泄漏并超過安全的范圍，通過ZigBee終端節(jié)點把數(shù)據(jù)傳到中心協(xié)調(diào)器，通過微控制器控制電話機模塊和語音模塊撥打求助電話，通知家人有安全隱患，并且同時將報警信號發(fā)送給小區(qū)的監(jiān)控中心。

1 系統(tǒng)構(gòu)成
本智能監(jiān)測系統(tǒng)主要是由ZigBee無線模塊、電話機模塊、語音模塊、數(shù)據(jù)采集模塊，以及LCD顯示模塊組成。整個系統(tǒng)圍繞zigBee模塊組網(wǎng)，在整個小區(qū)內(nèi)組建成網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)工作時，終端的ZigBee節(jié)點采用半功能的ZigBee節(jié)點設(shè)備，主要完成燃氣氣體濃度的采集及數(shù)據(jù)的發(fā)送。終端節(jié)點把數(shù)據(jù)發(fā)送給中間路由或直接發(fā)送給中央?yún)f(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器會處理診斷傳來的數(shù)據(jù)，如果達到了預(yù)先設(shè)定好的濃度報警閾值，就會驅(qū)動電話網(wǎng)絡(luò)中的電話機模塊撥打預(yù)先設(shè)定好的電話號碼，通過模擬摘掛機的方式驅(qū)動語音模塊撥打設(shè)定好的電話號碼，如果電話占線或無人接聽還可撥打下一個電話號碼，這樣連續(xù)循環(huán)撥打，直到對方摘機。如果對方摘機就會聽到預(yù)先編錄好的語音模塊播放的相應(yīng)的語音。在撥打電話號碼的同時，中央處理器也會驅(qū)動蜂鳴器報警，如果有人在家的情況下，還可以直接通過按鍵解除報警，直接看到LCD上的數(shù)據(jù)顯示結(jié)果，進而直接采取相應(yīng)措施。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計與實現(xiàn)
該系統(tǒng)主要由無線模塊、電源模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、電話機模塊、顯示模塊、蜂鳴報警、語音模塊等部分組成。
2．1 無線數(shù)據(jù)傳輸模塊
ZigBee技術(shù)是一種應(yīng)用于短距離、低速率下的網(wǎng)絡(luò)拓撲技術(shù)，是基于IEEE 802．15.4無線標準研制開發(fā)的。在PHY層，其頻段是免費開放的，國內(nèi)主要應(yīng)用于2．4 GHz頻段，傳輸距離大約100 m，傳輸速率大約是250 Kb／s，各個頻段均采用直接序列擴頻技術(shù)。為了避免其他無線通信干擾，采用碰撞避免機制，同時為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留專用時隙，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時的競爭和沖突。ZigBee提供了數(shù)據(jù)完整性檢查功能，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為內(nèi)核的ZigBee模塊，CC2430集成了RF射頻模塊與加強型的51模塊。CC2430有低功耗模式，在沒有數(shù)據(jù)發(fā)送的時候，前端節(jié)點進入休眠狀態(tài)，此時的耗電量僅為幾十微瓦。有中斷掛起時能夠很快地傳輸數(shù)據(jù)。針對小區(qū)的智能安防建設(shè)，采用mesh狀的拓撲結(jié)構(gòu)，拓撲結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。Mesh拓撲結(jié)構(gòu)具有自愈能力，安全性和可靠性高，其中的一個節(jié)點發(fā)生故障時不會影響整個系統(tǒng)工作?？梢酝ㄟ^其他冗余路由傳輸給中心協(xié)調(diào)器(基站)，從而能夠使中心協(xié)調(diào)器有效地發(fā)送控制命令。

2．2 電源模塊
電源模塊主要是由TPS79533低壓穩(wěn)壓器輸出3．3 V電壓，其輸入電壓范圍是2．7～5．5 V，并具有較高的電源抑制比、超低噪聲、較好的電壓線性和負載瞬態(tài)效應(yīng)以及較小的電壓漂移。其具體電路如圖3所示。

此電源模塊采用5 V直流電源直接供電，通過穩(wěn)壓器穩(wěn)壓到3．3 V，也可以通過USB供電，如果作為前端節(jié)點或者受到環(huán)境因素影響，在沒有方便的電氣設(shè)備情況下，也可以采用3節(jié)干電池供電，在3種電源同時存在的情況下，電路會直接以最高電壓輸入為電源，其他則被屏蔽。此電路融合了3種電源的應(yīng)用，節(jié)點在任何場合隨意放置。通過TPS79533轉(zhuǎn)換3．3V工作電壓：在輸入和GND之間增加上O.1μF和47μF并聯(lián)的旁路電容，47μF的電容可穩(wěn)定輸出，使輸入電平更加平滑。0.1μF的小電容與GND相連，對高頻信號提供了一個對地通路。這樣，通過O.1 μF和47μF兩只電容的并聯(lián)作為旁路電容可以獲得更大的濾波頻段，增強穩(wěn)定性，提高噪聲和紋波抑制。同樣，在輸出和GND之間也要增加同樣的并聯(lián)電容，使輸出更穩(wěn)定，并且可以獲得穩(wěn)定純凈的電壓輸出。由于穩(wěn)壓器的內(nèi)部參考電壓的噪聲是穩(wěn)壓器本身噪聲的主要來源。TPS79 533的PASS引腳通過一個250 kΩ電阻連接到參考電壓上。這樣內(nèi)部250 kΩ的電阻連同外部連接的O．01 μF的電容構(gòu)成一個低通濾波器來減少參考電壓的噪聲和輸出噪聲。