无线传感器网络消防报警系统的设计

2015-07-27王鹏彪张志美沈阳师范大学物理科学与技术学院沈阳110034

山东工业技术 2015年21期

王鹏彪,刘钰,张志美（沈阳师范大学物理科学与技术学院,沈阳 110034）

无线传感器网络消防报警系统的设计

王鹏彪,刘钰,张志美
（沈阳师范大学物理科学与技术学院,沈阳 110034）

本文设计火灾报警系统可实现实时温度监测和空气烟雾浓度监测。该系统采用单片机AT89S52RC实现控制电路，采用数字式温度传感器DS18B20实时监测环境温度，采用烟雾毒气传感器MQ-2实现对空气中烟雾浓度实时采集，利用无线数据通信收发芯片NRF24L01实现对温度及烟雾浓度现场采集数据的实时传送，实现远程的监控及预警。该系统体积小，便于多点监测，智能控制且性能稳定，可供家用及公共场所的火灾监测。

SoC；AT89S52RC；烟雾传感器MQ-2；温度传感器DS18B20；无线

1 前言

随着社会的进步和生产的需要，利用无线传感器网络进行数据采集的方式应用已经渗透到生活各个方面，因此利用无线传感器网络设计新产品必然在当今社会成为一个焦点。在现实生活中，这种无线采集系统已经被成功应用于工农业、环境监测、军事国防、机器人控制等许多重要领域。特别是无线火灾报警系统可以有效的实现火灾预警，减少损失。

本文基于无线传感器网络实现消防报警系统，该设计具有实际意义，可以应用于预防火灾、预防煤气中毒、煤炭资源开采等诸多方面，具有设计小巧、多点式的检测、无线报警、智能控制、性价比高、操作简单、性能稳定和功能强大的特点。本系统的设计采用了Nordic公司新推出的射频芯片NRF24L01射频芯片，利用单片机STC89S52RC控制实现短距离无线数据通信。该系统包括发送和接收两个模块。发送部分以单片机STC89S52RC为核心，温度传感器DS18B20和烟雾传感器MQ-2负责实时采集环境温度和烟雾浓度，单片机负责将传感器采集到的数据通过NRF24L01无线传送给接收部分。接收模块NRF24L01负责将、接收的温度和烟雾浓度数据，单片机控制实现显示和报警功能，若采集到的数据超过安全设定值则通过蜂鸣器报警，系统还包括人机交互模块，根据环境不同设置不同的安全阈值，有效地适应现实环境的需要，实现准确的火灾预警。

2 系统结构

2.1 主控电路

本文采用STC89S52RC作为主控制芯片[1-3]。控制电路主要负责转换传感器采集的数据，并实现报警控制，同时控制无线收发模块的数据转换。图1所示单片机最小系统。

图1 单片机最小系统

2.2 检测电路

本设计包含2类传感器，分别是温度传感器DS18B20和烟雾传感器MQ-2。其中单线数字温度传感器DS18B20是世界上第一片支持 "一线总线"接口的温度传感器。DS18B20引脚图及接线图如下图所示。

图2 DS18B20引脚图

图3 DS18B20接线图

MQ-2传感器是以清洁空气中电导率较低的金属氧化物二氧化锡(SnO2)为主体的N型半导体气敏元件。当传感器所处环境中存在烟雾气体时，传感器的电导率随空气中烟雾气体浓度的增加而增大。MQ-2半导体气体烟雾传感器采集到的烟雾浓度模拟信号必须经过A/D转换器转化为可以识别的数字信号给单片机。

图4 烟雾传感器及其结构图

图5 烟雾浓度采集电路

QM-2气体传感器开机通电时，内阻小，需开机预热几分钟，才能达到稳定状态，应用过程中要注意这一过程。

2.3 无线收发模块

本文采用射频收发器件nRF24L01作为收发模块的核心器件[4-5]，工作频段为2.4 GΗz～2.5 GΗz ISM频段。单片机通过配置使能发射或接收端CE及CSN，SCK，MOSI，MISO，SPI，IRQ引脚端，控制nRF24L01模块收发数据。

图6 NRF24L01接线图

2.4 声光报警模块

声光报警电路主要通过彩灯的闪烁和蜂鸣器鸣响引起用户的注意，当外界温度或空气烟雾浓度超过预设温度上下限时，单片机调用报警子程序。该电路由蜂鸣器和数码管组成，具体电路如图所示。

图7 报警灯闪烁电路　

图8 蜂鸣器报警电路

本文设计实现基于无线传感器网络的消防报警系统，该系统包括传感器采集电路、无线收发模块、单片机控制电路和烟雾温度报警电路四大部分构成。根据设计要求、使用环境、成本等因素，选用MQ.2型半导体电阻式烟雾传感器和直接数字输入式的温度传感器DS18B20。经测定该系统稳定可靠，能根据环境温度和烟雾浓度实时报警，可用于家庭、学校及公共场所的消防预警。

3 软件设计

单片机对NRF24L01无线模块以及DS18B20、 MQ-2进行初始化之后，从DS18B20读取温度数据，从MQ-2读取烟雾数据，由单片机处理数据，通过调用无线发送程序将温度和烟雾浓度数据发送给接收端，经过处理之后在液晶显示器LCD1602上显示，同时接收端单片机分析采集到的温度和浓度值是否超过设定阈值，实现实时监测及报警功能。

3.1 发送部分流程图

发送部分主要功能是利用传感器网络采集温度与烟雾浓度数据，并通过NRF24L01将采集到的数据发送出。

3.2 接收部分流程图

接受部分包括接受数据显示和判断报警两部分。单片机通过控制无线接收模块，接收来自远端传感器的采集数据，并在LCD1602液晶屏上显示。单片机的另一个功能是比较实时采集数据与设定的阈值，若温度值或烟雾浓度值超过阈值则启动报警程序，流程图如图10所示。