实验室火警检测无线传感器节点软硬件设计

于 标, 王 月

(扬州职业大学, 江苏 扬州 225009)

火焰探测一直以来是一个未完全解决好的问题,虽有温度探测法、烟雾探测法、红外线探测法、温度与烟雾综合探测法等多种探测方法,但都存在一定的局限性,影响火情探测的准确性[1]。目前,火焰探测器的技术较领先的是美国、日本、欧洲。近年来，我国的火焰探测器技术研究与产品化也有长足发展,国内许多企业生产了不少品质优良的火焰探测器。

火焰的热辐射光谱同时表现有固体辐射的连续光谱和气体辐射的离散光谱。不同可燃物产生的火焰辐射强度与对应光谱波长分布是不完全相同的,一般认为其对应火焰光谱1～2μm近红外光波域拥有最强的辐射能量[1]。发热物体可以辐射出红外线,一般的低温物体通常不会辐射紫外线。只有火焰既辐射出紫外线,又辐射出红外线,含碳物质燃烧时发出的辐射在特定波长4.3μm处与热物体辐射的红外线有明显的区分,依据该区分,双波长火焰传感器可提高红外探测的可靠性,增加紫外探测判据就大幅提高了火焰传感器探测的可靠性[2]。双波段红外火焰探测器的检测原理是通过检测火焰辐射出的红外线来识别火灾。两个不同波长的传感器相结合,能有效区分发热体发出的红外线与火焰辐射的红外线,避免了火灾的误报警[3]。三波段红外火焰探测器比二波段红外火焰探测器增加了一个红外波长的探测,仍是通过检测火焰辐射出的红外线来识别火灾。其原理是选用两个热释电红外传感器检测火焰辐射的两个特定波长范围的红外光谱的变化,另一个热释电传感器检测火焰辐射的红外线能量。三个不同波长的传感器相结合,有效地区分了发热体与火焰的红外线谱[4]。

采用技术手段检测火灾隐患,对防止实验室意外发生火灾有重要的现实意义。点型多波段红外火焰探测技术是目前火灾及时预警的最佳方案之一,本火警检测无线传感器节点选用的火焰探测器是LVF001-C火焰检测传感器。对火焰的特征红外线进行检测,依此判断火灾是否发生,具有响应速度更快,判断更准确的优点。该火焰检测传感器与通信模块及CPU构成无线传感器网络节点,并组成无线传感器网络，传送实验室环境参数至数据终端,供实验室管理者实时了解实验室的状况,及时处理火灾险情。

1 实验室火焰检测电路设计

1.1 火焰检测传感器LVF001-C

对实验室是否有火警事件发生,有多种技术手段可以检测火情。本设计为了简单可靠,选用LVF001-C火焰检测传感器。LVF001-C火焰检测传感器是通过火焰燃烧时产生的特征红外线来检测是否发生了火灾,比传统感烟型与感温型传感器响应速度更快,更准确。火焰燃烧时会发出特定的红外线谱,约在4000～4500nm之间,LVF001-C的中心波长4480±90nm,半高宽620±10nm。LVF001-C由低噪声结型场效应管、超薄钽酸锂单晶敏感元、高透过率窄带滤光片等部件组成。广泛用于各种中大型仓储与高档住宅等场所,是点型多波段红外探测技术,其响应率高,响应时间快,抗干扰能力强,是目前火灾预警技术最佳方案之一。

1.2火焰检测传感器LVF001-C调理电路设计

LVF001-C的电气参数如下:工作电压Vd=2～15V,偏置电压Vs=0.4～0.8V。典型测试条件下源极输出电流28μA,R10取47kΩ,会有一微小的信号us=1.316mV的电压产生。

图1是LVF001-C调理电路图,电阻R10上的电压为Vs+1.316mV,其背景电压数值为0.4～0.8V,该背景电压不是信号电压,所以第一级放大器放大倍数取5,输出电压在2～4V，有效信号放大后为6.58mV,由100μF的电容耦合到下一级。第二级放大器放大倍数取200,信号被放大为1.316V,一级放大器的放大倍数不宜取得太大,否则极易造成放大器工作不稳定。第三级放大器放大倍数取3,信号放大为3.948V,满足TTL电平的单片机对接口电平的要求。各电阻取值如下:R1=100kΩ,R2=R3=20kΩ,R4=510kΩ,R5=R6=2.5kΩ,R7=100kΩ,R8=R9=32kΩ。三级放大倍数理论计算值分别为:5、204、3.125,满足使用要求。

图1 LVF001-C调理电路

2 实验室火警检测节点电路设计

图2是火焰检测节点电路图。无线模块选用基于nRF24L01构成的无线模块产品,通信范围在30～40m左右,带天线型的通信范围可达100m。该无线通信模块有125个工作频道,6个数据接收通道,每个频道可有5B地址配置,工作模式有6种,可配置成数据传送硬件自动应答与重发功能,具有低功耗和低价格的优点。

图2 火焰检测节点电路

2.1 nRF24L0的SPI串行通信协议

nRF24L01芯片是SPI串行通信协议。SPI串行通信协议是四线式串行通信方式,CSN为使能信号,低电平有效,SCK是时钟节拍,同步收发双方数据位接收的时刻[5]。

图3 nRF24L0写操作时序图,nRF24L0的SPI写操为有指令位、数据位、状态位,分别为Ci、Di、Si。第一个读出的字节是状态寄存器字节,一个字节长。主机向nRF24L01写入第一个操作命令时,nRF24L01会同时在MISO引脚回送1B的状态寄存器字节,必须要读出,可弃用。nRF24L0的SPI协议规定数据传送的顺序是从数据低字节的高位进行读操作,或者写操作。

图3 nRF24L0写操作时序图

2.2无线通信电路设计

控制器选用Atmel公司的Mega8L单片机,工作电压是3.3V,其硬件SPI协议接口可与nRF24L01模块直接电气联接,两者信号线之间串接1kΩ的电阻起限流作用,无线模块信号引脚可与5V电平的单片机引脚直接连接[6]。火焰检测节点电路为图2所示,高电平表示有火情,低电平表示无火情。本节点地址有5位跳线,可有32个不同的编址,配置给32个实验室使用。一旦有火情发生,程序则不间断地报警,直到按下Key键后,由程序判断是否停止报警。

3 实验室火警检测节点程序设计

实验室火警检测对程序功能有两个要求,一是实时检测室内火警情况并主动上传报警数据,二是室内主节点间数据的发送与接收。

3.1 nRF24L01配置程序设计

nRF24L01是可程序配置的无线通信芯片,其工作方式和功能均由配置字决定。由于nRF24L01模块的配置字长短不一,命令格式为:1B指令代码+1B参数与1B指令代码+5B参数，为了方便配置功能实现,编制了2字节长的配置字程序void wwrite(char addr,char command,char i)函数和6字节长的配置字程序void wwwrite(char addr, char pp)函数。解决了nRF24L01模块的配置工作,并方便模块发射与接收功能转换时收发信道的切换操作。由void cconfig(void)配置函数调用这两个函数完成模块的配置工作。

3.2 火焰检测程序设计

实验室中可能引起火灾的隐患很多,如仪器设备绝缘老化破损，或者仪器设备中的元器件老化失效引起电打火,或者易燃易爆的化学物品泄漏等。对电子器件与电工器材而言,都有一定的使用期限,有一定的生命期,不确定何时何物会出什么问题。因此，火警检测程序必须不间断地检测单片机PD4引脚上的信号电平。此信号电平已由火焰检测调理电路处理成了TTL逻辑信号1与0。

3.3 火警检测主程序设计

火警检测主程序的结构是一个无限循环结构,当发生实验室火警事件后,每隔约2.5s发一次报警信息,实验室无线传感器网络主要以事件驱动方式工作[7]。由实验室主节点存储该数据,然后通过WSN网络上传至数据终端,供实验室管理人员及时了解并进行有效处理,提高了维护实验室安全的及时性与科学性。

3.4 节点通信程序设计

节点通信程序要完成的功能有两个：一是待机接收主节点发来的数据帧,二是向主节点发送火警数据帧。向主节点发送数据时,程序需要重新配置一下收发信道的地址,即将接收时的收发信道地址交换一下,并将模块配置成发射状态。一旦完成发射工作后,程序再配置模块为接收状态。

由于火警检测与接收主节点的数据帧是两个都要完成的任务,单CPU的应用电路是一个串行的任务执行系统,为了完成双任务的工作要求,本程序采用两个时间段轮巡的工作方式,分时复用CPU资源。两个任务都用查询的方式占用CPU的控制权。图4是火警检测主程序流程图。

图4 火警检测主程序流程

4 结论

无线传感器网络选用了32个主节点,3个中继节点,1个数据终端节点,每个主节点配置5个子节点,构成一个星型层次结构的无线传感器网络,实现了实验室用无线传感器网络设计。1个主节点对应一个实验室,5个子节点作为实验室内5种环境参数检测与数据传送的节点使用,它们与主节点构成星型通信结构。无线传感器网络采用事件驱动方式为主要工作方式,时间驱动方式为辅助工作方式。网络通信软件功能正常可组网运行。火焰检测调理电路经调试可正常工作,由CPU检测其火警信号有无,能对火警做出正确判断。该无线传感器网络的规模可以扩展,数量上能满足高校一个学院的实验室要求,中继节点数量也可扩展,满足信息传送距离变化的要求,技术应用上具有一定的先进性,易于工程实现。