基于nRF2401智能无线火灾监控系统设计

　　引言

　　火灾监控系统关系到建筑物内人们生命财产安全，在整个智能建筑中，火灾监控系统起着相当重要的作用. 传统火灾监控系统无法满足及时报警的要求.问题主要集中在两个方面:首先,当建筑物中发生火灾时,传统的火灾监控系统容易因为线路损坏而失去效用,在传统火灾监控系统中大量使用的有线通信电缆,极易造成火势的蔓延,加剧灾情;其次,传统的火灾监控系统中探测器分布有限,直接导致火灾检测的可靠性差,容易出现误报情况,并且无法对整个建筑物进行系统和全面地探测。本文设计了基于nRF2401智能无线火灾监控系统设计，该系统可以对建筑物目标区域进行有效的监控，而且监测节点体积小，无需布线，移动、安装和检修方便。

　　系统概述

　　监控系统由数据采集控制节点和监控终端组成.在本文中监控系统采用了星型拓扑结构，由一个与计算机相连的无线通信模块作为系统的监控终端，可以跟监控系统中的任何一个数据采集控制节点通信。数据采集控制节点按照一定的规则分布在建筑物的各个房间或走廊内，负责数据的采集、处理和传输，并且对监控终端发来的数据、命令进行分析处理，完成相应的操作。系统结构框图如图1所示。

　　                               图1 系统结构框图

　　该火灾监控系统采用了星型拓扑结构，采用这种拓扑结构能够很好地扩展组合，容易增加系统中节点，满足在建筑物中节点分布的不确定性，可以在建筑物中房间、隔离处放置节点，避免无线干扰和监控区域不确定性的问题。监控终端与数据采集控制节点直接相连,每隔一段时间向数据采集控制节点采集数据,然后进行数据融合, 分析是否发出火灾报警信号。在一定程度上降低监控系统的误报，提高无线火灾监控系统的可靠性。若有火灾发生则发出报警,同时给数据采集控制节点发出控制指令,启动灭火设施。

　　系统硬件

　　无线数据传输模块nRF2401

　　nRF2401是挪威 Nordic公司的单片2.4GHz无线收发一体芯片。它将射频、8051MCU、9通道12位ADC、外围元件、电感和滤波器全部集成到单芯片中，并采用2.4GHz频带和0.18μm工艺，可提供ShockBurst(瘁发)、 DuoCeiver、片上CRC以及地址计算编码等功能。nRF2401支持多点间通信，最高传输速率超过1Mbit/S，比蓝牙具有更高的传输速度。它采用SoC方法设计，只需少量外围元件便可组成射频收发电路。与蓝牙不同的是, nRF2401没有复杂的通信协议,它完全对用户透明,同种产品之间可以自由通信。更重要的是，nRF2401比蓝牙产品更便宜。所以nRF2401是业界体积最小、功耗最少、外围元件最少的低成本射频系统级芯片。

　　数据采集控制节点

　　数据采集控制节点作为监控系统的终端部分，在本设计中被设计成模块，这些模块直接与传感器和被控灭火设备相连来完成火灾报警和控制等功能。通过无线的方式与监控终端相连，接收监控终端发给自己的信息，并把自己的信息发送给监控终端。数据采集控制节点的电路包括传感器的输入接口,输出控制接口,电源接口和无线通信芯片的接口等，其电路原理图如图2所示。

　                     　图2 数据采集控制节点电路原理图

　　数据采集控制节点的电路主要包括传感器的输入接口,输出控制接口,电源接口和无线通信芯片nRF2401的接口等。数据采集控制节点通过无线通信芯片nRF2401和监控终端进行通信，数据采集控制节点的无线通信接口由配置选通线(CS、CE、PWR_UP)，通道1(DATA1、CLK1、DR1)和通道2(DOUT2、CLK2、DR2)三部分组成。CS、CE和PWR_UP负责无线通信芯片nRF2401工作模式的配置，nRF2401工作模式有四种：收发模式、配置模式、空闲模式和关机模式。通道1(DATA1、CLK1、DR1)和通道2(DOUT2、CLK2、DR2)是无线通信芯片nRF2401和单片机AT89C2051之间的数据通道，本设计选用通道1(DATA1、CLK1、DR1)作为无线通信芯片nRF2401和单片机AT89C2051之间的数据通道。CLK1是单片机AT89C2051向无线通信芯片nRF2401的时钟输出线，DR1是无线通信芯片nRF2401向单片机AT89C2051发送的中断信号接口，当无线通信芯片nRF2401有数据准备向单片机AT89C2051发送时，DR1产生高电平，则三极管N2导通，单片机AT89C2051引脚P3.3变为低电平，产生中断，单片机AT89C51置接收模式，无线通信芯片nRF2401通过DATA1向单片机AT89C2051发送数据。

　　控制输出采用四路继电器输出，为了防止干扰，采用光电隔离器将输入与输出相互隔离,也将输入和输出端与单片机AT89C2051隔开。无线网络节点的单片机通过光电隔离器和继电器控制输出， 其中P1.X是单片机AT89C2051引脚P1.4、P1.5、P1.6和P1.7，当P1.X置低时，光电隔离器导通，继电器线圈导通，则继电器触点动作，完成控制动作。
　　采集数据处理

　　采样数据处理使用融合算法,将数据采集控制节点发送来的信息用多传感器融合原理进行处理(u=+1为发生火灾,u=-1为未发生火灾):

　　式中ui是接收到数据采集控制节点的数据;

　　a0=log(P1/P0);当ui=+1时，ai=PDi /PFi ;当ui=-1时ai=1-PDi /1-PFi。

　　根据现场和火源由专家经验或现场实验等赋予各传感器以不同的检出概率PD和虚警概率Pf以及P1和P0,在单片机内部按照上述算法得u=1或者u=0,从而得出正确判断.

　　系统抗干扰

　　系统的主要干扰源有电源线中的高频干扰、感性负载产生瞬变噪声干扰、噪声电压干扰。为保证系统判断传感器输入信号的稳定性采用如下滤波电路: 选用专为通信控制芯片提供转换电压的LM1117为转换芯片，它具有功耗低，体积小等优点。同时在电源电路中加入220μH的电感，与并入多个不同容值的电容所构成的滤波电路来抑制各种高频信号，使数据采集控制节点能够得到稳定可靠且低干扰的电源,保证其可靠运行。同时射频部分的电路设计也是数据采集控制节点设计的重点与难点,是数据采集控制节点设计成功的关键。抗干扰设计直接关系到射频性能和整个数据采集控制节点的运转情况。在射频部分布线时,合理的布局与布线及采用多层板既是布线所必须的也是降低电磁干扰提高抗干扰能力的有效手段。布线时需要注意以下几点：一是射频部分电路没有用做布线的面积均需用铜填充并连接到地,以提供RF屏蔽达到有效抗干扰的目的 ;nRF2401芯片底部应接地 ;为了降低延迟、减少串扰，确保高频信号的传输 ，要使用多个接地过孔将nRF2401芯片底部和地层相连;尽可能地减少串扰，减少分布参数的影响，器件要紧密地分布在nRF2401 的四周,并使用较小封装。

　　系统软件

　　数据采集控制节点是一种嵌入式无线通信接口，是连接传感器和灭火等设备与监控终端的纽带。数据采集控制节点软件系统采用模块化设计方法，一个模块可被多个任务共享，可以有效节省存储空间，也便于设计和调试。以汇编语言为编程工具，更加有效地利用单片机的硬件资源，可以使系统程序更加简洁，减少占用的内存资源。按照硬件电路设计，数据采集控制节点软件主要完成初始化设置部分、传感器信号检测部分、数据发送部分、数据接收及控制输出几部分等。系统上电后，首先对单片机端口进行相应的设置;其次通过nRF2401的DATA1和CLK1端口将nRF2401配置数据包发送给nRF2401，并置nRF2401为接收模式;最后定时对单片机端口进行循环扫描，若有传感器信号输入，将数据打包，并调用通信数据发送模块将信息发送出去。若有中断信号，则调用通信数据接收模块接收数据，接收完毕对信号进行处理，输出执行命令。数据采集控制节点软件流程如图3所示。

　　                  图3 数据采集控制节点软件流程图

　　结语

　　设计了利用无线通信芯片nRF2401进行数据传输的无线火灾监控系统系统，并全采用了模块化设计，使其具有很好的移植性和扩展性。该系统具有使用方便、成本低、应用灵活、无需重新布线等优点。在实验楼内搭建的该系统能够正常实现火灾自动报警监控的功能，具有误报率低及抗干扰性强等特点。此外本系统具有良好的通用性和可靠性，也可用于建筑物的报警和安全系统。