基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線(xiàn)智能家用燃氣報警系統

安全防范的報警系統是確保住宅、住戶(hù)安全的極為重要的途徑之一，同時(shí)也是數字化家庭的重要組成部分。
遇到煤氣泄漏等緊急情況時(shí)，及時(shí)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。
本文設計的基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線(xiàn)智能家用燃氣報警系統是以CC2430為核心，與電話(huà)機網(wǎng)絡(luò )、語(yǔ)音電路及可燃性氣體傳感器相結合，通過(guò)無(wú)線(xiàn)節點(diǎn)的布網(wǎng)，實(shí)時(shí)監測家用燃氣氣體濃度來(lái)檢測是否有可燃性氣體泄漏，如果有泄漏并超過(guò)安全的范圍，通過(guò)ZigBee終端節點(diǎn)把數據傳到中心協(xié)調器，通過(guò)微控制器控制電話(huà)機模塊和語(yǔ)音模塊撥打求助電話(huà)，通知家人有安全隱患，并且同時(shí)將報警信號發(fā)送給小區的監控中心。

1 系統構成
本智能監測系統主要是由ZigBee無(wú)線(xiàn)模塊、電話(huà)機模塊、語(yǔ)音模塊、數據采集模塊，以及LCD顯示模塊組成。整個(gè)系統圍繞zigBee模塊組網(wǎng)，在整個(gè)小區內組建成網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )。系統工作時(shí)，終端的ZigBee節點(diǎn)采用半功能的ZigBee節點(diǎn)設備，主要完成燃氣氣體濃度的采集及數據的發(fā)送。終端節點(diǎn)把數據發(fā)送給中間路由或直接發(fā)送給中央協(xié)調器，協(xié)調器會(huì )處理診斷傳來(lái)的數據，如果達到了預先設定好的濃度報警閾值，就會(huì )驅動(dòng)電話(huà)網(wǎng)絡(luò )中的電話(huà)機模塊撥打預先設定好的電話(huà)號碼，通過(guò)模擬摘掛機的方式驅動(dòng)語(yǔ)音模塊撥打設定好的電話(huà)號碼，如果電話(huà)占線(xiàn)或無(wú)人接聽(tīng)還可撥打下一個(gè)電話(huà)號碼，這樣連續循環(huán)撥打，直到對方摘機。如果對方摘機就會(huì )聽(tīng)到預先編錄好的語(yǔ)音模塊播放的相應的語(yǔ)音。在撥打電話(huà)號碼的同時(shí)，中央處理器也會(huì )驅動(dòng)蜂鳴器報警，如果有人在家的情況下，還可以直接通過(guò)按鍵解除報警，直接看到LCD上的數據顯示結果，進(jìn)而直接采取相應措施。系統總體框圖如圖1所示。

2 系統的硬件設計與實(shí)現
該系統主要由無(wú)線(xiàn)模塊、電源模塊、數據采集模塊、電話(huà)機模塊、顯示模塊、蜂鳴報警、語(yǔ)音模塊等部分組成。
2．1 無(wú)線(xiàn)數據傳輸模塊
ZigBee技術(shù)是一種應用于短距離、低速率下的網(wǎng)絡(luò )拓撲技術(shù)，是基于IEEE 802．15.4無(wú)線(xiàn)標準研制開(kāi)發(fā)的。在PHY層，其頻段是免費開(kāi)放的，國內主要應用于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(gè)頻段均采用直接序列擴頻技術(shù)。為了避免其他無(wú)線(xiàn)通信干擾，采用碰撞避免機制，同時(shí)為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預留專(zhuān)用時(shí)隙，避免了發(fā)送數據時(shí)的競爭和沖突。ZigBee提供了數據完整性檢查功能，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(méi)有數據發(fā)送的時(shí)候，前端節點(diǎn)進(jìn)入休眠狀態(tài)，此時(shí)的耗電量?jì)H為幾十微瓦。有中斷掛起時(shí)能夠很快地傳輸數據。針對小區的智能安防建設，采用mesh狀的拓撲結構，拓撲結構模型如圖2所示。Mesh拓撲結構具有自愈能力，安全性和可靠性高，其中的一個(gè)節點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)不會(huì )影響整個(gè)系統工作?？梢酝ㄟ^(guò)其他冗余路由傳輸給中心協(xié)調器(基站)，從而能夠使中心協(xié)調器有效地發(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(xiàn)性和負載瞬態(tài)效應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(guò)穩壓器穩壓到3．3 V，也可以通過(guò)USB供電，如果作為前端節點(diǎn)或者受到環(huán)境因素影響，在沒(méi)有方便的電氣設備情況下，也可以采用3節干電池供電，在3種電源同時(shí)存在的情況下，電路會(huì )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種電源的應用，節點(diǎn)在任何場(chǎng)合隨意放置。通過(guò)TPS79533轉換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(gè)對地通路。這樣，通過(guò)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，使輸出更穩定，并且可以獲得穩定純凈的電壓輸出。由于穩壓器的內部參考電壓的噪聲是穩壓器本身噪聲的主要來(lái)源。TPS79 533的PASS引腳通過(guò)一個(gè)250 kΩ電阻連接到參考電壓上。這樣內部250 kΩ的電阻連同外部連接的O．01 μF的電容構成一個(gè)低通濾波器來(lái)減少參考電壓的噪聲和輸出噪聲。