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火災監控系統關(guān)系到建筑物內人們生命財產(chǎn)安全，在整個(gè)智能建筑中，火災監控系統起著(zhù)相當重要的作用. 傳統火災監控系統無(wú)法滿(mǎn)足及時(shí)報警的要求.問(wèn)題主要集中在兩個(gè)方面:首先,當建筑物中發(fā)生火災時(shí),傳統的火災監控系統容易因為線(xiàn)路損壞而失去效用,在傳統火災監控系統中大量使用的有線(xiàn)通信電纜,極易造成火勢的蔓延,加劇災情;其次,傳統的火災監控系統中探測器分布有限,直接導致火災檢測的可靠性差,容易出現誤報情況,并且無(wú)法對整個(gè)建筑物進(jìn)行系統和全面地探測。本文設計了基于nRF2401智能無(wú)線(xiàn)火災監控系統設計，該系統可以對建筑物目標區域進(jìn)行有效的監控，而且監測節點(diǎn)體積小，無(wú)需布線(xiàn)，移動(dòng)、安裝和檢修方便。 系統概述 監控系統由數據采集控制節點(diǎn)和監控終端組成.在本文中監控系統采用了星型拓撲結構，由一個(gè)與計算機相連的無(wú)線(xiàn)通信模塊作為系統的監控終端，可以跟監控系統中的任何一個(gè)數據采集控制節點(diǎn)通信。數據采集控制節點(diǎn)按照一定的規則分布在建筑物的各個(gè)房間或走廊內，負責數據的采集、處理和傳輸，并且對監控終端發(fā)來(lái)的數據、命令進(jìn)行分析處理，完成相應的操作。系統結構框圖如圖1所示。 圖1 系統結構框圖 該火災監控系統采用了星型拓撲結構，采用這種拓撲結構能夠很好地擴展組合，容易增加系統中節點(diǎn)，滿(mǎn)足在建筑物中節點(diǎn)分布的不確定性，可以在建筑物中房間、隔離處放置節點(diǎn)，避免無(wú)線(xiàn)干擾和監控區域不確定性的問(wèn)題。監控終端與數據采集控制節點(diǎn)直接相連,每隔一段時(shí)間向數據采集控制節點(diǎn)采集數據,然后進(jìn)行數據融合, 分析是否發(fā)出火災報警信號。在一定程度上降低監控系統的誤報，提高無(wú)線(xiàn)火災監控系統的可靠性。若有火災發(fā)生則發(fā)出報警,同時(shí)給數據采集控制節點(diǎn)發(fā)出控制指令,啟動(dòng)滅火設施。 系統硬件 無(wú)線(xiàn)數據傳輸模塊nRF2401 nRF2401是挪威 Nordic公司的單片2.4GHz無(wú)線(xiàn)收發(fā)一體芯片。它將射頻、8051MCU、9通道12位ADC、外圍元件、電感和濾波器全部集成到單芯片中，并采用2.4GHz頻帶和0.18μm工藝，可提供ShockBurst(瘁發(fā))、 DuoCeiver、片上CRC以及地址計算編碼等功能。nRF2401支持多點(diǎn)間通信，最高傳輸速率超過(guò)1Mbit/S，比藍牙具有更高的傳輸速度。它采用SoC方法設計，只需少量外圍元件便可組成射頻收發(fā)電路。與藍牙不同的是, nRF2401沒(méi)有復雜的通信協(xié)議,它完全對用戶(hù)透明,同種產(chǎn)品之間可以自由通信。更重要的是，nRF2401比藍牙產(chǎn)品更便宜。所以nRF2401是業(yè)界體積最小、功耗最少、外圍元件最少的低成本射頻系統級芯片。 數據采集控制節點(diǎn) 數據采集控制節點(diǎn)作為監控系統的終端部分，在本設計中被設計成模塊，這些模塊直接與傳感器和被控滅火設備相連來(lái)完成火災報警和控制等功能。通過(guò)無(wú)線(xiàn)的方式與監控終端相連，接收監控終端發(fā)給自己的信息，并把自己的信息發(fā)送給監控終端。數據采集控制節點(diǎn)的電路包括傳感器的輸入接口,輸出控制接口,電源接口和無(wú)線(xiàn)通信芯片的接口等，其電路原理圖如圖2所示。 圖2 數據采集控制節點(diǎn)電路原理圖 數據采集控制節點(diǎn)的電路主要包括傳感器的輸入接口,輸出控制接口,電源接口和無(wú)線(xiàn)通信芯片nRF2401的接口等。數據采集控制節點(diǎn)通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信芯片nRF2401和監控終端進(jìn)行通信，數據采集控制節點(diǎn)的無(wú)線(xiàn)通信接口由配置選通線(xiàn)(CS、CE、PWR_UP)，通道1(DATA1、CLK1、DR1)和通道2(DOUT2、CLK2、DR2)三部分組成。CS、CE和PWR_UP負責無(wú)線(xiàn)通信芯片nRF2401工作模式的配置，nRF2401工作模式有四種：收發(fā)模式、配置模式、空閑模式和關(guān)機模式。通道1(DATA1、CLK1、DR1)和通道2(DOUT2、CLK2、DR2)是無(wú)線(xiàn)通信芯片nRF2401和單片機AT89C2051之間的數據通道，本設計選用通道1(DATA1、CLK1、DR1)作為無(wú)線(xiàn)通信芯片nRF2401和單片機AT89C2051之間的數據通道。CLK1是單片機AT89C2051向無(wú)線(xiàn)通信芯片nRF2401的時(shí)鐘輸出線(xiàn)，DR1是無(wú)線(xiàn)通信芯片nRF2401向單片機AT89C2051發(fā)送的中斷信號接口，當無(wú)線(xiàn)通信芯片nRF2401有數據準備向單片機AT89C2051發(fā)送時(shí)，DR1產(chǎn)生高電平，則三極管N2導通，單片機AT89C2051引腳P3.3變?yōu)榈碗娖�，產(chǎn)生中斷，單片機AT89C51置接收模式，無(wú)線(xiàn)通信芯片nRF2401通過(guò)DATA1向單片機AT89C2051發(fā)送數據。 控制輸出采用四路繼電器輸出，為了防止干擾，采用光電隔離器將輸入與輸出相互隔離,也將輸入和輸出端與單片機AT89C2051隔開(kāi)。無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的單片機通過(guò)光電隔離器和繼電器控制輸出， 其中P1.X是單片機AT89C2051引腳P1.4、P1.5、P1.6和P1.7，當P1.X置低時(shí)，光電隔離器導通，繼電器線(xiàn)圈導通，則繼電器觸點(diǎn)動(dòng)作，完成控制動(dòng)作。 采集數據處理 采樣數據處理使用融合算法,將數據采集控制節點(diǎn)發(fā)送來(lái)的信息用多傳感器融合原理進(jìn)行處理(u=+1為發(fā)生火災,u=-1為未發(fā)生火災): 式中ui是接收到數據采集控制節點(diǎn)的數據; a0=log(P1/P0);當ui=+1時(shí)，ai=PDi /PFi ;當ui=-1時(shí)ai=1-PDi /1-PFi。 根據現場(chǎng)和火源由專(zhuān)家經(jīng)驗或現場(chǎng)實(shí)驗等賦予各傳感器以不同的檢出概率PD和虛警概率Pf以及P1和P0,在單片機內部按照上述算法得u=1或者u=0,從而得出正確判斷. 系統抗干擾 系統的主要干擾源有電源線(xiàn)中的高頻干擾、感性負載產(chǎn)生瞬變噪聲干擾、噪聲電壓干擾。為保證系統判斷傳感器輸入信號的穩定性采用如下濾波電路: 選用專(zhuān)為通信控制芯片提供轉換電壓的LM1117為轉換芯片，它具有功耗低，體積小等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)在電源電路中加入220μH的電感，與并入多個(gè)不同容值的電容所構成的濾波電路來(lái)抑制各種高頻信號，使數據采集控制節點(diǎn)能夠得到穩定可靠且低干擾的電源,保證其可靠運行。同時(shí)射頻部分的電路設計也是數據采集控制節點(diǎn)設計的重點(diǎn)與難點(diǎn),是數據采集控制節點(diǎn)設計成功的關(guān)鍵�？垢蓴_設計直接關(guān)系到射頻性能和整個(gè)數據采集控制節點(diǎn)的運轉情況。在射頻部分布線(xiàn)時(shí),合理的布局與布線(xiàn)及采用多層板既是布線(xiàn)所必須的也是降低電磁干擾提高抗干擾能力的有效手段。布線(xiàn)時(shí)需要注意以下幾點(diǎn)：一是射頻部分電路沒(méi)有用做布線(xiàn)的面積均需用銅填充并連接到地,以提供RF屏蔽達到有效抗干擾的目的 ;nRF2401芯片底部應接地 ;為了降低延遲、減少串擾，確保高頻信號的傳輸 ，要使用多個(gè)接地過(guò)孔將nRF2401芯片底部和地層相連;盡可能地減少串擾，減少分布參數的影響，器件要緊密地分布在nRF2401 的四周,并使用較小封裝。 系統軟件 數據采集控制節點(diǎn)是一種嵌入式無(wú)線(xiàn)通信接口，是連接傳感器和滅火等設備與監控終端的紐帶。數據采集控制節點(diǎn)軟件系統采用模塊化設計方法，一個(gè)模塊可被多個(gè)任務(wù)共享，可以有效節省存儲空間，也便于設計和調試。以匯編語(yǔ)言為編程工具，更加有效地利用單片機的硬件資源，可以使系統程序更加簡(jiǎn)潔，減少占用的內存資源。按照硬件電路設計，數據采集控制節點(diǎn)軟件主要完成初始化設置部分、傳感器信號檢測部分、數據發(fā)送部分、數據接收及控制輸出幾部分等。系統上電后，首先對單片機端口進(jìn)行相應的設置;其次通過(guò)nRF2401的DATA1和CLK1端口將nRF2401配置數據包發(fā)送給nRF2401，并置nRF2401為接收模式;最后定時(shí)對單片機端口進(jìn)行循環(huán)掃描，若有傳感器信號輸入，將數據打包，并調用通信數據發(fā)送模塊將信息發(fā)送出去。若有中斷信號，則調用通信數據接收模塊接收數據，接收完畢對信號進(jìn)行處理，輸出執行命令。數據采集控制節點(diǎn)軟件流程如圖3所示。 圖3 數據采集控制節點(diǎn)軟件流程圖 結語(yǔ) 設計了利用無(wú)線(xiàn)通信芯片nRF2401進(jìn)行數據傳輸的無(wú)線(xiàn)火災監控系統系統，并全采用了模塊化設計，使其具有很好的移植性和擴展性。該系統具有使用方便、成本低、應用靈活、無(wú)需重新布線(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)。在實(shí)驗樓內搭建的該系統能夠正常實(shí)現火災自動(dòng)報警監控的功能，具有誤報率低及抗干擾性強等特點(diǎn)。此外本系統具有良好的通用性和可靠性，也可用于建筑物的報警和安全系統。 |
