智能火灾监控系统设计

张战鸣

摘要：本文设计了一种由烟雾传感器、单片机构成的智能火灾监控系统。通过无线通信模块对监控区域进行多点数据采集，采用循环检测技术，对传感器数据进行循环检测。实测表明，该监控系统各项指标皆能达到要求，具有一定的实用性。

关键词：数据采集；火灾监控；无线通信；循环检测

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）06-0179-02

1 概述

火灾的时有发生给人们造成了严重损失，完善火灾监控系统，对于探测火灾隐患，保障生命财产安全有着重要的意义。通常火灾监控系统都采用布线方式将各个数据采集点集中起来，这样需要大量的时间，而且布线过程复杂，带来很多的不便。同时，导线本身的老化或损坏也会直接影响故障率高、误报率高。

本火灾监控系统是将所监视的若干区域内的传感器输信号，以无线通信形式发送给MCU控制单元。这样安装起来就结构简单，没有复杂的布线，检修方便。

2 系统分析

本系统采用了多个无线传感器节点和一个监控终端。整个系统以单片机89C2051为核心，包括烟雾传感器、驱动电路、外部天线、射频收发器等构成。烟雾传感器按照要求布置到在监控区域的各个地点，其作用是数据的采集和传输，同时接收各节点发来的数据和命令。单片机89C2051负责信息分析处理，完成相应的操作。其结构图如图1所示。

监控终端与无线传感器节点直接相连，定时向无线传感器节点采集数据，并分析是否有火灾报警相关信息，这样即降低了监控系统的误报率，又提高了系统的可靠性。系统如果接收到火灾信息，则发出报警，立即给数据采集节点发出控制指令，迅速启动灭火设施。监控终端结构如图2所示。

3 硬件设计

3.1无线传输模块

nRF905是单片射频收发器，工作在433/868/915MHz的ISM频段。它包括频率调制器、带解调器的接收器、功率放大器、晶体振荡器和调节器等部分，采用ShockBurstTM工作模式，使用SPI接口与微控制器通信。工作特点是功耗非常低，发射功率为+10dBm 时发射电流为30mA，接收电流为12.5mA。进入POWERDOWN 模式可以很容易实现节电。nRF905与单片机的连接如图3所示。

射频收发器nRF905有ShockBurstTM RX和ShockBurstTM TX两种活动模式，同时有断电和SPI编程以及待机和SPI编程两种省电模式。

nRF905的模式由TRX_CE， TX_EN 和 PWR_UP划分如表1所示。

活动模式：nRF905数据传输快速，通过将与RF协议有关的高速信号处理放到芯片内，数据在MCU中低速处理，在nRF905中高速发送。当接收到匹配正确地址和数据后，通过地址匹配端（AM）和数据准备端（DR）两通知单片机。在信号发送时，nRF905自动产生前导码和CRC校验码，如果发送过程完成，则由引脚通知微处理器数据发射完毕。

关机模式：进入关机模式后，设备不再工作，nRF905的消耗电流最小，通常为2.5uA，这样将减少平均耗电并最大的维持电池的生命。nRF905将保持配置字中的内容直到关机。

节能模式：保持电流消耗最小，而且保证最短的ShockBurstRX、ShockBurstTX的启动时间和启动时减小工作电流。在该模式下，部分晶体振荡器处于工作状态。

3.2数据采集模块

数据信号采集模块包括烟雾传感器和驱动电路两个部分，感应烟雾信号，输出模拟电信号。烟雾信号采用MQ-2气体传感器，MQ-2气体传感器的工作原理是在干净空气中电导率较低，当MQ-2检测到烟雾信息时，传感器的电导率迅速增大。

驱动电路以LM393为核心，MQ-2检测到的信号比较小，使用时需要对其进行放大，驱动电路如图4所示。

采用LM393放大芯片作为信号驱动电路，LM393是双电压比较器集成电路。工作电源电压范围宽，单电源、双电源均可工作。单电源1～36V，双电源+1～+18V、-1至+18；输出TTL信号LED指示。双信号输出，模拟量TTL电平输出。TTL输出有效信号低电平。模仿量输出0至5V电压，浓度越高，电压越高。TTL的灵敏度可通过电位器调节。

4 软件设计

软件设计包括监控终端和数据采集端设计，采用循环检测技术，因此监控终端依次向数据采集端发送命令，并接收数据采集端的应答信号，以此判断是否有火灾发生。

数据采集端程序包括主程序和中断程序两部分。主程序的作用是对系统进行初始化和检测处理，中断程序的作用是通过nRF905发送数据。

4.1发射程序

数据发送按以下步骤进行：当需要送数据时，接收节点的地址和有效数据通过SPI接口传送给nRF905，并设置好接口速度；设置TRX_CE=1，TX_EN=1，启动nRF905 的ShockBurstTM 工作模式；自动上电，数据包自处理完成，数据包被发射（50kbps， GFSK， Manchester-encoded）；如果设置AUTO_RETURN为高电平，在TRX_CE=1期间，nRF905将持续的发送数据包；当TRX_CE=0时，数据传输结束并进入待机模式。

发送过程流程图如图5所示。

4.2 接收程序

通过分别设置TRX_CE=1和TX_EN=0来选择RX不同模式；650us后，nRF905监测感应数据信息，等待接收数据；当射频收发器nRF905检测到相关信息时，载波检测CD端被置为高电平；如果nRF905接收到相匹配的地址，则地址匹配端AM被置为高电平；当nRF905通过CRC校验正确，接收到有效的数据包时，数据准备就绪，则DR端被置高电平；单片机设置TRX_CE为低电平时，进入待机模式。单片机通过SPI接口读出有效数据。接收程序流程图如图6所示。

5 结束语

综上所述，由MQ-2、89S51、nRF905组成的火灾自动报警系统，系统结构简单，具有较高的灵活性和可靠性，抗干扰能力强。该监控系统制作和调试方便，容易实现。各项指标皆能达到要求，具有一定的实用性，符合安全系统的要求。

参考文献：

[1] 李全利.单片机原理及应用技术[M].3版.北京：高等教育出版社，2003.

[2] 徐锡生.浅谈高层建筑电气火灾监控系统的设计[J].机电信息，2011（15）.

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[4] 刘潇.电气火灾监控系统应用分析[J].智能建筑电气技术，2014（5）.