0 引言

    燃氣的檢測和報警處理是確保家用燃氣安全的有效途徑之一，同時也是家庭安全防范的重要組成部分。日常生活中，造成燃氣泄漏的主要原因有燃氣膠管破裂未能及時發現、做飯期間中途離開等。當燃氣泄漏時，未及時處理導致燃氣濃度過高而產生爆炸，由此造成巨大生命財產損失^[1]。目前市場上的燃氣報警器只能簡單地滿足報警需求，同時存在誤報和漏報警現象，無法及時將報警信號同時發送到用戶和小區監控中心，不能及時應急處理。而且燃氣報警器功能單一，無法滿足燃氣使用過程中的安全需求，存在諸多局限性^[2]。為了彌補以往燃氣報警系統的不足，本文設計了一種基于無線通信技術的燃氣報警系統，當燃氣泄漏時，室內啟動聲光報警和開啟門窗、排風扇，以降低燃氣濃度，避免爆炸危險，并通過移動網絡將報警信號同時發送到用戶和小區監控中心，以便及時處理燃氣泄露^[3]。本文設計采用較穩定的雙向無線ZigBee通信技術，處理器采用Freescale公司Cortex-A9處理器，運算能力強，易于擴展，同時利用GPRS移動通信技術實現實時通信，增強系統可靠性。

1 系統總體設計

    本設計總體把報警系統分為室外報警、燃氣檢測、室內處理三個部分，系統核心包括ZigBee傳感網絡、ZigBee網關、GPRS移動網絡，系統總體結構如圖1所示。ZigBee網絡采用星型拓撲結構，傳感器節點通過路由器接入無線傳感網絡^[4]。當傳感器的端節點檢測到燃氣泄漏，通過Z-Stack協議棧以無線傳輸形式發送給協調器端的無線傳感網絡模塊，然后通過其串口發送到處理器，經處理后，通過聲光報警器發出報警信號，與此同時協調器端向主控單元發送控制信號，實現繼電器控制門窗、排風扇的開關的開啟和關閉。其次經A/D轉換器的報警信號由GPRS移動網絡以短信/固定撥號的形式把泄漏情況發送到用戶和小區監控中心，等待下一步泄漏事故處理。把無線傳感技術和移動通信技術充分結合實現雙重報警功能，運用于家庭燃氣泄漏檢測，具有布線簡單、傳輸速率快的優勢，能夠滿足不宜布線的室內設計要求，增強家用燃氣的安全性。

2 系統硬件設計

2.1 無線傳輸網絡設計

    為滿足燃氣報警系統的安裝方便和避免室內不宜布線的實際情況，本文設計采用無線傳感網絡，其硬件結構如圖2所示。主要由處理器外圍電路、ZigBee模塊、GPRS模塊組成，遠程報警采用GPRS移動網絡實現。本設計優點表現在SIM900A模塊能夠實現低功耗語音數據傳輸，采用分組交換技術的GPRS具有高速和實時在線的特點^[5-8]。采用高主頻Cortex-A9處理器，能夠提供高擴展性和高功耗效率的解決方案，具有多種核數可以選用，其豐富的接口及強大的功能在各個領域都廣泛的應用^[9]。采用CC2530模塊作為無線網絡傳輸，極高的性價和強大的無線傳感網絡節點，對于此模塊而言，僅需配上電源、時鐘電路、串行調試模塊、天線模塊便可以正常工作^[10]。

2.2 傳感檢測與報警設計

    本設計燃氣泄漏檢測由MQ-5半導體氣敏傳感器完成，對燃氣檢測具有很高靈敏度，同時具有快速的響應恢復特性^[11]。圖3所示為傳感檢測節點硬件結構，由傳感器、傳感網絡模塊、外圍電路組成。

    本文設計雙重報警功能主要包括室內報警處理和遠程報警，其中室內報警處理利用聲光報警器、繼電器控制門窗、排風扇的開關。遠程報警主要是通過移動網絡把報警信息傳輸到用戶和小區監控中心。報警單元結構框圖如圖4所示。繼電器作為一種電控制器件，常用于自動化的控制電路，是優先選擇的自動開關元件^[12]。本設計中門窗和排風扇的自控正是運用繼電器這一優越性。當傳感器檢測到燃氣時，繼電器開關工作，打開排風扇降低燃氣濃度，分散有毒、易爆物質濃度，防止二次危險。

3 系統軟件設計

    根據整個系統設計要求，ZigBee芯片的開發基于Z-Stack協議棧，采用星型拓撲結構構建無線傳感網絡，并將軟件設計分為終端程序設計、網關程序設計、協調器節點設計、傳感節點程序設計。燃氣檢測報警終端軟件能夠實現數據采集、數據處理、報警等功能。系統通電后，單片機和各個模塊初始化，傳感器獲取燃氣泄漏信息數據后上傳主控芯片中，經單片機處理數據后發出報警指令，系統終端流程如圖5所示。

3.1 Z-Stack協議棧簡述

    ZigBee的開發基于Z-Stack協議棧，它是TI公司推出的符合ZigBee規范的平臺，采用分布式尋址方案，能夠完全適應無線傳感網絡的環境要求。該協議棧利用操作系統的思想構建系統，當系統初始化后，系統進入低功耗，當系統被呼喚后，開始進入終端處理數據信息。在進行Z-Stack協議棧開發時，需要理解協議棧中3個重要的變量：(1)taskCnt變量，主要保存任務總數；(2)taskEvent指針標量，主要指向事件表的接收地址；(3)taskArr數組標量，指向每一個處理函數，其數組每一項均為函數指針。Z-Stack協議棧具有強大的功能，其開放式協議棧能夠適應于大部分應用設計^[13]。

3.2 ZigBee網關程序設計

    圖6所示為網關程序設計流程圖，首先各個模塊初始化后，ZigBee網關接收到傳感器節點上傳的燃氣檢測信號，通過繼電器打開門窗、排風扇并啟動聲光報警，通過GPRS移動通信網絡將報警信號遠程發送。

3.3 協調器節點程序設計

    對于協調器而言，當傳感器監測到燃氣泄漏信號時，通過傳感器終端節點傳輸到協調器，再通過串口把信息傳送到主控芯片，其流程如圖7所示。

3.4 傳感節點軟件設計

    傳感節點軟件流程如圖8所示。傳感器模塊初始化后，首先檢測傳感器是否正常工作，然后采集數據，預警燃氣泄漏，進入無線傳感網絡，開啟聲光報警和門窗、排風扇，并將數據上傳至協調器。

4 結語

    本文設計以ARM系列處理器為主控芯片，結合當前先進的無線傳感網絡技術，從硬件設計、軟件設計等多方面深入在家庭燃氣泄漏檢測報警系統的應用。本設計采用CC2530模塊、SIM900A模塊實現無線傳感網絡的傳輸與通信功能，并采用高靈敏度的MQ-5半導體氣敏傳感完成了對家用燃氣泄漏檢測報警功能。通過對傳感器與無線網絡模塊終端節點連接，監控數據經主控芯片處理后通過GPRS移動網絡傳輸給小區監控中心和用戶，并實現室內聲光報警和繼電器自控開啟門窗、排風扇，實現安全的雙重報警功能。本系統傳輸速率快、靈敏度高、成本低、功耗低；模塊化設計，便于功能擴展，能夠滿足對家庭燃氣的安全需求，具有較強的實際使用價值。

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