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

（哈尔滨理工大学 测控技术与通信工程学院测控技术与仪器黑龙江省高校重点实验室，黑龙江 哈尔滨150080）

安全防范的报警系统是确保住宅、住户安全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。

遇到煤气泄漏等紧急情况时，及时对外报警求助就显得十分必要[1]，成为人们生活中必不可少的部分。

本文设计的基于ZigBee技术的无线智能家用燃气报警系统是以CC2430为核心，与电话机网络、语音电路及可燃性气体传感器相结合，通过无线节点的布网，实时监测家用燃气气体浓度来检测是否有可燃性气体泄漏，如果有泄漏并超过安全的范围，通过ZigBee终端节点把数据传到中心协调器，通过微控制器控制电话机模块和语音模块拨打求助电话，通知家人有安全隐患，并且同时将报警信号发送给小区的监控中心。

1 系统构成

本智能监测系统主要是由ZigBee无线模块、电话机模块、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。系统工作时，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，协调器会处理诊断传来的数据，如果达到了预先设定好的浓度报警阈值，就会驱动电话网络中的电话机模块拨打预先设定好的电话号码，通过模拟摘挂机的方式驱动语音模块拨打设定好的电话号码，如果电话占线或无人接听还可拨打下一个电话号码，这样连续循环拨打，直到对方摘机。如果对方摘机就会听到预先编录好的语音模块播放的相应的语音[2]。在拨打电话号码的同时，中央处理器也会驱动蜂鸣器报警，如果有人在家的情况下，还可以直接通过按键解除报警，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。

图1 系统总体框图Fig.1 Total block diagram of system

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、电话机模块、显示模块、蜂鸣报警、语音模块等部分组成。

2.1 无线数据传输模块

ZigBee技术是一种应用于短距离、低速率下的网络拓扑技术，是基于IEEE 802.15.4无线标准研制开发的。在PHY层，其频段是免费开放的，国内主要应用于2.4 GHz频段，传输距离大约100 m，传输速率大约是250 Kb/s，各个频段均采用直接序列扩频技术。为了避免其他无线通信干扰，采用碰撞避免机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突。ZigBee提供了数据完整性检查功能，具有加密功能，加密算法采用通用的AES-128加密算法[3]。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有低功耗模式，在没有数据发送的时候，前端节点进入休眠状态，此时的耗电量仅为几十微瓦。有中断挂起时能够很快地传输数据。针对小区的智能安防建设，采用mesh状的拓扑结构，拓扑结构模型如图2所示。Mesh拓扑结构具有自愈能力，安全性和可靠性高，其中的一个节点发生故障时不会影响整个系统工作。可以通过其他冗余路由传输给中心协调器（基站），从而能够使中心协调器有效地发送控制命令。

图2 mesh网状拓扑Fig.2 mesh network topology

2.2 电源模块

电源模块主要是由TPS79533低压稳压器输出3.3 V电压，其输入电压范围是2.7～5.5 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。其具体电路如图3所示。

图3 电源模块设计电路Fig.3 Power module circuit

此电源模块采用5 V直流电源直接供电，通过稳压器稳压到3.3 V，也可以通过USB供电，如果作为前端节点或者受到环境因素影响，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，其他则被屏蔽。此电路融合了3种电源的应用，节点在任何场合随意放置。通过TPS79533转换3.3 V工作电压；在输入和GND之间增加上0.1 μF和 47 μF并联的旁路电容，47 μF的电容可稳定输出，使输入电平更加平滑。0.1 μF的小电容与GND相连，对高频信号提供了一个对地通路。这样，通过0.1 μF和47 μF两只电容的并联作为旁路电容可以获得更大的滤波频段，增强稳定性，提高噪声和纹波抑制。同样，在输出和GND之间也要增加同样的并联电容，使输出更稳定，并且可以获得稳定纯净的电压输出。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[4]。TPS79533的PASS引脚通过一个250 kΩ电阻连接到参考电压上。这样内部250 kΩ的电阻连同外部连接的0.01 μF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。

2.3 数据采集模块

采用催化燃烧式气体传感器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、持久耐用、稳定可靠、响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好解决方案[5]，其内部大致结构框图如图4所示。

图4 TGS6812内部结构框图Fig.4 Internal structure of TGS6812

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检测元件上燃烧，造成温度上升，D元件的电阻将会增加，从而使输出电压相应被改变。测量这个电压值，通过计算可以求得可燃气体的浓度。当在空气中时，受到环境温度的影响，传感器也会有零点输出，所以应用LM158设计差动增益可调的放大电路来抑制零点漂移，具体设计电路如图5所示。

图5 传感器变送电路Fig.5 Sensor transmitter circuit

通过调节变位器R4，使后面由以LM158构成的差动放大电路的差动输入为0，可以减少环境温度造成的误差，进一步对温度影响进行补偿。通过调节电位器R11可以使输出稳定在0～3 V，便于进行转化成标准的浓度计算。

2.4 电话机模块

本系统采用某电子公司的电话芯片设计的电话机模块，模块上集成了51内核的处理器，拥有独立的电话接口，具备DTMF信号检测功能，振铃检测功能，信号音检测功能，可以通过继电器的释放与否来模拟电话的摘挂机。模块内部固化了完整的串口协议指令，例如拨打电话号码，中心协调器可以通过串口直接发送“ATD+110+enter”，如果拨打成功，电话机模块会通过串口反馈给协调器“OK”，否则反馈“ERROR”。这种协议可以方便中心协调器通过串口发送协议指令控制电话机模块，从而拨打电话报警，减少系统的复杂性。

2.5 语音模块

语音模块采用ISD1110语音芯片，其单片录放时间10 s，并具有唯一的录音控制和边缘/电平触发两种放音控制，大大提高控制的灵活性。在录放操作结束后，ISD1110自动进入低功耗节电模式，其片内有EEPROM单元信息可在无需后备电源的情况下保存录好的语音信息。

3 系统软件设计

本系统的软件设计部分主要是由以CC2430为核心的MCU的中心协调器组建mesh网络部分、数据处理诊断部分和电话语音报警部分构成。

3.1 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进行数据初始化，启动stack组建网络，当网络组建成功后等待其他节点加入网络。如果没有事件触发，系统则进入休眠省电状态；如果有触发事件发生，则进一步判断是否是数据接收事件。如果不是数据触发事件，则进入相应的中断程序进行处理；如果是数据接收事件触发，则进行数据处理诊断，转化成标准的气体浓度，然后通过LCD显示模块显示出来[6]。判断是否达到浓度的预警值，如果达到预警值，则启动语音模块报警。报警结束后继续进入等待事件状态。

图6 主程序流程图Fig.6 Flow chart of main program

3.2 组建网络流程

组建网络的流程图主要是系统设置初始化，通过按键来设置设备的逻辑类型，然后进行系统复位，复位后启动协议栈，判断协议栈是否启动成功，如果启动失败，触发START_EVT事件继续启动协议栈，直到协议栈启动成功，然后把协调器设置成允许其他节点自动加入网络，则建网成功[7]。具体建网流程图如图7所示。

图7 建网流程图Fig.7 Flow chart of building network

3.3 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，开始进入监测状态，当浓度达到报警值时，开始模拟摘机，然后判断是否是拨号音，如果不是则继续模拟摘机，是拨号音则开始拨预置的电话号码，拨号循环计数加1，进行延时等待2 s，判断是否有回铃音，没有回铃音继续等待，有则进一步判断对方是否摘机，没摘机则继续等待，当等待时间超过1 min时，则判断预置电话号码是否播完，如果没有播完则进行拨打下一个电话号码。对方摘机成功则启动语音模块播放录音，然后挂机。具体流程如图8所示。

图8 语音报警流程图Fig.8 Flow chart of voice alarm

4 实验过程中的关键点分析

首先，在选择组网过程中，mesh网络功能强大健壮且具有自修复能力，但这是以增加更多冗余路由为代价的，会增大网络的能量消耗以及成本，所以在组建网络的同时，要折衷处理网络成本和网络健壮性。再次，ZigBee的功率超低，这对于无线电系统来说是一大优点，因此必须能够对整个系统进行低功耗设计。为了充分优化电源的使用和电池寿命，有必要投入大量的时间去优化功耗，同时应当处理对数据反应时间与电池的寿命进行折衷。最后，为了验证设备的互操作性，往往需要购买ZigBee开发公司不同的产品。在开发期间利用另外一台经过认证的ZigBee系统进行互操作，能够有助于把产品的性能及兼容性做最好的优化。

5 结束语

该系统设计的家用燃气报警系统采用CC2430作为控制器，其内部集成了RF射频、加强型51单片机、A/D转换等，使得系统的整体设计体积小、外围电路简单、降低系统功耗、抗干扰能力强。该系统不仅可以应用于家庭报警，而且易于拓展成智能小区监测平台，有很广阔的市场应用前景。

[1] Zualkernan I A,Al-Alir A R,Jabbar M A.Zigbee-based remote information monitoring devices for smart-homes[J].American.Univ.of Sharjah,Sharjah,United Arab Emirates,2009（10）:7-8.

[2] 禹玺，董蕴华.基于电话网络的智能远程控制系统的实现[J].现代电子技术,2009，32（9）：3-5.YU Xi,DONG Yun-hua.Implementation of intelligent and remote control system based on telephone network[J].Modern Electronics Technique，2009，32（9）：3-5.

[3] 高手玮，吴灿阳.ZigBee技术实践教程——基于CC2430的无线传感器网络解决方案[M].北京：航空航天大学出版社，2009.

[4] 李刚.电路设计的器件解决方案[M].北京：科学技术文献出版社，2002.

[5] 张大超.基于无线通信的煤矿安全信息[D].南京：南京理工大学，2009.

[6] 黄布毅,何超前,李冬富.基于无线传感器网络的家庭安防报警系统设计[J].安防科技，2008（3）：2-3.HUANG Bu-yi,HE Chao-qian,LI Dong-fu.Security alarm system based on household wireless sensor network[J].Security Technology，2008（3）：2-3.

[7] Buratti.Performance analysis of IEEE802.15.4[J].Beacon-Enabled Mode Vechicular Technology,2010（12）:6-8.