基于Simplici Ti的无线火灾报警系统设计

王灵芝,苏文松,翁文陶

（漳州师范学院 物理与电子信息工程系，福建 漳州363000）

城市高楼林立，安全事故频发，特别是火灾安全事故。准确而又及时地通知楼内人员撤离或者采取援助和自救成为当前主要的课题。目前使用的火灾报警主要是消防联控系统，大多与本楼的其他住户无关联，导致了本楼住户在火灾发生时得不到报警，不能及时逃离火灾现场。

针对这一情况，本文设计了一款无线火灾报警系统，其节点能够分布多个地点，在火灾发生时能够及时通知本楼住户并拨打远程报警电话告知有火灾发生。

1 总体设计方案

本系统主要由火灾烟雾探测节点、数据接入点、PC机监控、GSM模块、手机终端5个部分构成,其总体设计框图如图1所示。

烟雾探测节点采集烟雾和温度通过Simplici Ti网络传送到数据接入点，数据接入端对烟雾和温度判断是否有火灾需要报警，并将所有数据传送到PC机；PC机实时监控火灾节点的数据（烟雾、温度、电池电量）。当出现火灾险情时，PC机通过GSM模块发送火灾地点信息到手机报警终端，并拨打手机报警终端电话。

Simplici Ti是TI公司针对简单小型RF网络的专有低功耗RE协议，其最大传输速率为250 kb/s，传输距离在空旷地带能达百米[1]。支持各种低功耗应用，如报警与安全、自动抄表、工业控制、家庭自动化以及有源RFID等。Simplici Ti可以满足本设计的要求。

设计中采用16 bit微控制器MSP430F2274，电路采用电池供电，能满足低功耗的要求，并使用Simplici Ti网络协议。

射频芯片采用TI的CC2500。CC2500是一种低成本的2.4 GHz收发器，满足低功耗无线应用的需求。电路设定为 ISM(工业，科学和医学)和SRD(短距离设备)频率波段。CC2500为数据包处理、数据缓冲、突发数据传输、清晰信道评估、连接质量指示和电磁波激发提供广泛的硬件支持。CC2500的主要操作参数和64 bit传输/接收 FIFO(先进先出堆栈)可通过SPI接口控制。

烟雾传感器分为离子式和光电式。离子式使用寿命长，但是有辐射，成本高，且工作时需要对加热电阻加热，功耗大；光电式环保，成本低，工作时可用间歇式工作功耗相对较低，但使用寿命一般是10年左右。本设计采用了光电式烟雾传感器。

本设计的远程报警采用GSM网络来实现，GSM模块采用SIMCOM公司的SIM300。SIM300主要为语音传输、短消息和数据业务提供无线接口。

2 系统硬件设计

(1)微控制器电路

节点的主控电路如图2所示。微控制器MSP430F2274采用内部 DCO振荡器[2]。RXT0、TXD0作为串口通信，D1、D2为工作指示灯，S1用于按键，AD0、AD1用于光电式烟雾传感器的AD采集，SLEEP用于控制光电式烟雾传感器的间歇式工作，GD00、GDO2、P3.0_UCB0STE、P3.1_UBC0SIMO、P3.2_UBC0SIMI、P3.3_UCB0CLK 用 于 连 接 控制CC2500。

(2)CC2500RF收发器电路

CC2500 RF收发器的电路设计如图3所示，通过SPI兼容接口(SI、SO、SCLK and CSn)进行 CC2500 配置。SPI接口上的所有操作都以一个包含读写位，突发访问位和6 bit地址的头字节开始。在地址和数据传输期间，CSn引脚必须为低。如果在访问期间CSn变高，则访问被取消。当CSn变低，MCU必须等待直到SO脚变低后才能开始传输头字节。SO变低表明电压调制器已经稳定，晶体振荡器正在运行。除非芯片处在SLEEP或XOFF状态或者有SRES滤波命令，SO脚通常会在CSn脚变低后立即变低。此外，CC2500的配置也可通过SmartRF Studio软件进行配置。

(3)烟雾传感器

烟雾传感器采用光电式烟雾传感器，电路如图4所示[3]。

传感器由两对红外发射接收管组成，D3、D4作为烟雾采集，D5、D6作为周围环境光照强度的采集 (用于消除光照对烟雾采集的影响)。D5、D6分别套到一根6 cm长透明玻璃管的两端；D3、D4也分别套到一根 6 cm长透明玻璃管的两端,在玻璃管的中间开一个长度4 cm的对穿窗口用于采集烟雾。VR1用于灵敏度调节。

从图4可看出，当环境光照变化时，只要 D4、D6特性一样，它们变化的电压差ΔU1一样。当有烟雾进入烟雾传感器的窗口时，D3发射红外光线受到烟雾颗粒散射、吸收，D4电压发生变化，变化量为 ΔU2。

烟 雾 变 化 量∶ΔU=(UAD1+ΔU1)-(UAD0+ΔU1-ΔU2)

由式(1)可知环境的光照对该传感器影响不大。

该传感器还具有睡眠的功能，可进行间歇式工作以降低功耗。当SLEEP为高电平时，T1截止，传感器处于休眠状态；当SLEEP为低电平时，T1导通传感器处于工作状态。

(4)电池备用电路

数据中心节点一旦断电，则网络必须重新组织，所以设计可充电的电池备用电路。

(5)本地报警电路

报警电路采用三声的报警芯片C002，可发出110、120、119三种声音，设计中采用发119的报警声音。

(6)火灾温度监测

火灾温度检测所用的温度传感器采用MSP430芯片内部自带的监测芯片温度传感器。MSP430是超低功耗的，所以芯片自身几乎没有产生热量。且设计中对温度监测并不需要非常精确，因此采用MSP430内部的温度传感器即可满足设计要求。

3 节点软件设计

(1)火灾探测节点程序设计

火灾探测节点是一个休眠设备，1.5 s唤醒一次。当火灾探测节点唤醒时，开启AD进行温度、电池电压、烟雾采样，开启AD的同时关闭CPU以降低功耗，采样后开启CPU。采样后对数据处理(温度是否超过限定温度火灾是否有烟雾，若有报警则发送报警信息)，之后通过CC2500把所有数据发送到数据接入点[4]。程序流程图如图5所示。

(2)数据接入点软件设计

数据接入节点是实时工作的节点，主要功能是本地报警和接收火灾节点的数据并传送到PC机。本地报警一旦触发必需人为解除否则一直报警，解除报警可通过按键，也可通过上位机的“停止报警”按钮停止报警。

(3)监控报警系统设计

GSM远程报警主要是发送火灾地点信息到手机并拨打电话提醒有短信的到来，GSM模块采用SIM300 GPRS模块。SIM300发送SMS信息有3种模式：Block模式、Text模式和 PDU模式。设计中采用了PDU模式，PDU模式下可以发送中文短信息。在PDU模式下只需对数据进行编码，通过AT指令就可以实现短信的发送。

监控主界面能够实时显示各个节点的信息，包括地点、当前温度、烟雾、时间、报警信息。还有当节点的电压低于2.5 V时，改变文本框的颜色提示警告，电池电量低需要更换电池。监控系统的数据监控传输和GSM远程报警都是采用串口来实现的。当有火警时，自动把报警信息存到数据库当中。

4 系统测试

(1)系统覆盖范围测试

覆盖范围是无线传感网一个很重要的参数，发射功率对覆盖范围有很大的影响。在设计过程中做了单点覆盖范围测试，在不同的发射功率下和不同环境下的覆盖范围如表1所示。

表1 发射功率为0 dBm，室内外传输距离

图5 节点程序流程图

测试结果显示在发射功率为0 dBm时，室外的覆盖可达到12 m左右，室内的覆盖也有10 m左右，这样的覆盖范围可以满足本设计的需要。当发射功率设为-10 dBm的时候覆盖情况明显变差。

(2)系统整机测试

接入节点和GSM模块接入到PC机，设置端口号、波特率、校验位、数据位和停止位。参数设置完成后，测试GSM报警模块是否连接正常，把火灾节点接入网络。无线网络组织成功后就可进行整机测试。

采用Simplici Ti无线网络协议组织节点网络，节点采集温度、烟雾等信息通过无线网络传至数据中心节点，由数据中心节点对数据进行处理，处理完成的数据传送至PC机监控。若在数据处理中发现有险情，则触发本地报警，并把报警信息传输至PC机实现远程报警(短信和拨打电话)。为了能让救援工作在第一时间展开，设计可扩展为联防报警。本设计的火灾节点为超低功耗，休眠时只有不到1 μA电流，具有较强的工程实践意义和应用前景。

[1]李文仲，段朝玉.CC1110/CC2510无线单片机和无线自组织网络入门与实战[M].北京∶北京航空航天大学出版社,2008.

[2]胡大可.MSP430系列FLASH型超低功耗16位单片机[M].北京∶北京航空航天大学出版社,2002.

[3]徐晓明，叶盛,胡浩.新型光电式烟雾传感器及其应用[J].仪器仪表学报,2002，23(3)增刊：117-118.

[4]张晞，王德银,张晨.MSP430系列单片机实用 C语言程序设计[M].北京∶人民邮电出版社,2005.