中铁十二局集团电气化工程有限公司
摘要：提出了一种基于ZigBee协议的火灾传感器的设计思路，并进行了最简设计论证。此传感器可以完成温度采集同烟雾采集，能够无线布线，具有低成本、安装方便 、通讯稳定性高的特点，以此为基础可以组建基于ZigBee协议的无线火灾报警系统。
关键词：ZigBee；火灾传感器; DS18B20；烟雾传感器MQ-2；CC2530
0引言
随着经济的发展，高层建筑、地下建筑以及大型综合性建筑日益增多，火灾隐患也随之增加。目前我国火灾报警系统主要是总线型报警系统，存在一定的误报率和漏报率，而且安装和维修成本很高。随着ZigBee技术的出现和发展，它使无线型火灾报警系统成为了可能。基于网络化的火灾报警系统具有成本低、安装方便、稳定性高的特点，更适用于火灾报警系统。
1系统概述
本文探讨以CC2530为核心控制芯片，进行基于ZigBee无线模块最小系统设计，进行了温度采集、烟雾采集的火灾传感器的设计研究。本文设想的传感器，其核心部件都是CC2530、电源和天线，也是ZigBee设备可以工作的最小系统。此外，还有协调器与上位机通信用的串口；传感器节点有温度、烟雾传感器、报警按钮和指示灯。二者的电路均是在最简系统的基础上加上少量外围电路。
2 具体设计
2.1，传感器节点设计
当物质燃烧时，必然会释放出一定的热量来，除此之外，环境的温度也在一定程度上升高。物质在进行初始的燃烧时，可燃气体就会逐渐的放出来，例如，一氧化碳、氢气和甲烷等。除此以外，少量的悬浮颗粒也会随之产生。从物质燃烧的角度出发，选择温度传感器DS18B20，烟雾传感器MQ-2采集终端节点数据。
终端节点由电源模块，温度传感器DS18B20，烟雾传感器MQ-2，CC2530芯片、报警按钮、指示灯及外围设备组成。实现监控区域数据的采集，采集的信号经过MCU处理，进行数据的整合和封装，通过RF射频前端以电磁波的形式传输出去，最终数据会汇聚到协调器。同时当出现火情时，用户可以按下报警按钮向监控室求救；若出现紧急情况，需人员撤离时，监控室的操作人员也可以通过上位机向终端节点发送命令，如指示灯闪烁，提示人员撤离。
2.2，协调器节点设计
协调器节点具有处理能力、存储能力和通信能力。主要功能是对ZigBee 无线网络中的各个子节点进行管理，将上位机监控中心下达的监控信息通过ZigBee网络发送到需要测控的子节点，同时接收各个子节点发来的状态、采集数据等信息，并通过串口上传至监控中心主机进行数据处理和保存。当用户通过上位机监测系统发送通信请求时，单片机将有效数据通过串口发给上位机，操作人员通过上位机可以完成数据的收集、图表绘制、数据统计、数据分析等工作。
2.3，烟雾传感器电路设计
烟雾传感器采用MQ-2型烟雾传感器，它主要由测量电极、SnO2敏感层、微型陶瓷管、加热器四部分组成。MQ-2型传感器的测量电极和加热器作为敏感元件，通过加热器促使气敏元件达到稳定的工作状态。该型烟雾传感器所采用的气敏材料是SnO2半导体，这种材料属于表面离子式N型半导体，在清洁空气中电导率较低。在传感器预热后正常工作时，SnO2会吸附空气中的氧，从而形成氧的负离子吸附，这样半导体中的电子密度就会减少，从而使其电阻值有所增加增加。有烟雾颗粒进入后，会造成原来所吸附的氧部分脱落，而烟雾中的颗粒以正离子状态会吸附在SnO2半导体表面。烟雾颗粒以正离子状态吸附时，要放出电子；同时烟雾造成氧脱落时，也会释放出电子，这样一来，SnO2半导体的电子密度就会随空气中可燃气体浓度的增大开始增加，其电阻值会随空气中可燃气体浓度的增大而下降，其电压会随空气中可燃气体浓度的增大而增大。当烟雾颗粒减少时，SnO2半导体又会自动恢复氧的负离子吸附过程，即在空气中可燃气体浓度降低时其电阻值会升高，与前面地的过程是一个相反的过程。通过这一电气特性的线性变化，就可以探测到烟雾颗粒的浓度。
2.4，温度传感器电路设计
温度传感器我们选择DALLAS(达拉斯)公司生产的DS18B20。此产品精度高，测量范围广。除此之外，它具有超小的体积，超低的硬件开消，抗干扰能力强，精度高，附加功能强等优势。其封装形式多样，可根据不同的应用场合采用不同的超过封装外观。封装后的DS18B20可用于多种固体测温及多种管道的液体测温。
DS18B20的主要特征：
(1)全数字温度转换及输出
(2)单线接口，只需一个端口引脚就可进行通讯
(3) 精度可达土0.5摄氏度，最高12位分辨率
(4) 最大工作周期为750毫秒（12位分辨率时）
(5)可选择寄生工作方式
(6)检测温度范围为–55°C ~+125°C (–67°F ~+257°F)
(7)内置限温报警功能
(8)软件可方便进行多机挂接
(9)封装形式多样，能适应于不同硬件系统
2.5，CC2530系统设计
CC2530芯片由Chipcon公司制造，符合ZigBee技术标准，采用2.4GHz通讯频段。它适合作为协调器节点、路由节点和终端节点的核心部分。CC2530采用了高集成开发环境，对内部调试符合IAR工业标准，并结合Chipcon公司的ZigBee协议栈、工具包和参考设计。
2.5.1，CPU和内存
CC2530使用的8051CPU是一个单周期的兼容内核，它有三种不同的访问总线。其中包括中断控制器，内存仲裁器，8kB SRAM， 256kB闪存块。硬件支持CSMA-CA、支持精确的数字化RSSI/LQI和强大的五通道DMA功能。
中断控制器最多可为18个中断源提供服务，每一个中断都被赋予4个中断优先级中的某一个。
内存仲裁器负责执行仲裁工作，是系统中心。由它决定同时访问系统物理存储器时的顺序，决定系统运行的效率。
8 kB SRAM为超低功耗的SRAM，掉电后其数字部分的内容仍能保存，这是芯片低功耗的一个主要原因。
闪存块用于保存电脑传输进入的程序代码以及常量数据，节约搜寻时间。
2.5.2，外设，时钟和电源管理相关模块
定时器2采用IEEE802.15.4MAC，通用定时器包括：定时器1虽一个16位定时器，定时器3同定时器4都是两个8位定时器。32-kHz睡眠定时器具有捕获功能。
ADC：支持7到12位的分辨率，带宽范围为7-30kHz。
AES加密/解密内核：CC2530为了达到ZigBee网络层和应用层的安全要求，采了用128位的AES算法进行数据的加密及解密。
USART：USART0和USART1分别被配置为一个主从或一个UART，其功能是为RX和TX提供双缓冲，以及硬件流控制。
调试接口：用于内部电路调试，是一个两线串形接口
2.5.3，无线设备
CC2530具备一个IEEE802.15.4兼容无线收发器，其RF内核控制无线模块。通过连接外部设备的端口可以发出命令和读取状态，操纵各执行电路的事件顺序。该无线设备还包括数据包过虑模块和地址识别模块。
3结语
基于ZigBee协议的火灾传感器, 以CC2530为核心控制芯片，烟雾传感器采用气敏材料是SnO2半导体的MQ-2型烟雾传感器，温度传感器采用DALLAS公司的DS18B20, 可以完成温度采集同烟雾采集，能够无线布线，具有低成本、安装方便 、通讯稳定性高的特点，以此为基础可以组建基于ZigBee协议的无线火灾报警系统。
参考文献
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论文作者:李进
论文发表刊物:《基层建设》2017年2期
论文发表时间:2017/4/18
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