基于WIFI和ZigBee的煙霧報(bào)警系統(tǒng)

本文首發(fā)于DF創(chuàng)客社區(qū)，作者：利刃1979

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1 作品介紹

1.1 作品功能
本作品借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開(kāi)發(fā)了一種煙霧報(bào)警系統(tǒng)，用于監(jiān)控火災(zāi)、煤氣泄漏等不安全事故的發(fā)生。該煙霧報(bào)警系統(tǒng)由無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和監(jiān)控系統(tǒng)兩個(gè)部分組成。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)由多個(gè)感知模塊組成，用于實(shí)時(shí)檢測(cè)多個(gè)監(jiān)控區(qū)域的環(huán)境參數(shù)（如煙霧氣體濃度、一氧化碳濃度等），并通過(guò)傳感器網(wǎng)絡(luò)將所有數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)控系統(tǒng)。監(jiān)控系統(tǒng)由下位機(jī)、PC上位機(jī)、手機(jī)APP三個(gè)部分組成：下位機(jī)安裝在用戶監(jiān)控場(chǎng)所，通過(guò)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)接收傳感器節(jié)點(diǎn)的環(huán)境參數(shù)，并利用ZigBee網(wǎng)絡(luò)和WIFI網(wǎng)絡(luò)將監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)分別發(fā)送至監(jiān)控中心的PC上位機(jī)和用戶手機(jī)的APP，若被監(jiān)控的區(qū)域發(fā)生火災(zāi)、煤氣泄漏等安全事故，三者將同時(shí)報(bào)警，從而極大程度地減低了無(wú)法獲取安全事故發(fā)生的問(wèn)題的風(fēng)險(xiǎn)，能夠第一時(shí)間對(duì)受災(zāi)的地點(diǎn)進(jìn)行搶救。
本作品可用于普通家庭住宅用戶安全事故的監(jiān)控，一旦發(fā)生安全事故，家庭住宅的下位機(jī)、小區(qū)物業(yè)部門安裝的PC上位機(jī)、住戶手機(jī)的APP三者將同時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，能夠第一時(shí)間對(duì)事故地點(diǎn)進(jìn)行搶救。1.2 作品創(chuàng)新點(diǎn)
本作品的創(chuàng)新點(diǎn)在于：

1、通過(guò)下位機(jī)、PC上位機(jī)、手機(jī)APP三種終端報(bào)警的方式降低無(wú)法第一時(shí)間獲取安全事故發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)，能夠第一時(shí)間對(duì)事故地點(diǎn)進(jìn)行搶救；
2、利用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì)，將監(jiān)控傳感器和監(jiān)控系統(tǒng)分離成獨(dú)立的模塊，實(shí)現(xiàn)了增加監(jiān)控區(qū)域只需安裝獨(dú)立的傳感器節(jié)點(diǎn)的特性，極大程度地提升了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，同時(shí)使得系統(tǒng)具有較低的擴(kuò)展成本。
救；同時(shí)，本作品可用于酒店、辦公樓、商業(yè)廣場(chǎng)、工廠操作間等需要大面積多區(qū)域監(jiān)控的場(chǎng)所。

2 準(zhǔn)備事項(xiàng)
2.1 作品原理
如圖2.1所示，本作品由無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和監(jiān)控系統(tǒng)兩個(gè)部分組成。
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)對(duì)監(jiān)控點(diǎn)的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行采集并處理，通過(guò)無(wú)線通信模塊將處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送至下位機(jī)。
監(jiān)控系統(tǒng)由下位機(jī)、PC上位機(jī)和手機(jī)APP三個(gè)部分組成。下位機(jī)對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)沫h(huán)境參數(shù)進(jìn)行分析，同時(shí)在LCD進(jìn)行顯示，并通過(guò)WIFI和ZigBee網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)分別發(fā)送至手機(jī)APP和PC上位機(jī)；若接收的環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)滿足安全事故發(fā)生的條件，下位機(jī)將通過(guò)語(yǔ)音模塊發(fā)出報(bào)警提醒，同時(shí)手機(jī)APP和PC上位機(jī)也將發(fā)出報(bào)警信號(hào)；若用戶發(fā)現(xiàn)發(fā)出的報(bào)警信號(hào)為誤觸信號(hào)，用戶可通過(guò)按鍵或者語(yǔ)音識(shí)別模塊關(guān)閉報(bào)警。

圖2.1 作品系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

2.2 作品設(shè)計(jì)
2.2.1 主控制器

作品傳感器節(jié)點(diǎn)采用STM32F103C8T6型號(hào)的單片機(jī)，下位機(jī)采用STM32F103RCT6型號(hào)的單片機(jī)。

2.1.2 傳感器
傳感器模塊選用了市面上常見(jiàn)也是應(yīng)用較為廣泛的兩種傳感器，分別是煙霧濃度傳感器MQ-2和一氧化碳濃度傳感器MQ-7。
MQ-2可用于家庭和工廠的氣體泄漏監(jiān)測(cè)裝置，適宜于液化氣、苯、烷、酒精、氫氣、煙霧等的探測(cè)。故因此，MQ-2可以準(zhǔn)確來(lái)說(shuō)是一個(gè)多種氣體探測(cè)器MQ-2的探測(cè)范圍極其的廣泛。它的優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高、響應(yīng)快、穩(wěn)定性好、壽命長(zhǎng)、驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單。MQ-2型煙霧傳感器屬于二氧化錫半導(dǎo)體氣敏材料，屬于表面離子式N型半導(dǎo)體。處于200至300攝氏度時(shí)，二氧化錫吸附空氣中的氧，形成氧的負(fù)離子吸附，使半導(dǎo)體中的電子密度減少，從而使其電阻值增加。當(dāng)與煙霧接觸時(shí)，如果晶粒間界處的勢(shì)壘收到煙霧的調(diào)至而變化，就會(huì)引起表面導(dǎo)電率的變化。利用這一點(diǎn)就可以獲得這種煙霧存在的信息，煙霧的濃度越大，導(dǎo)電率越大，輸出電阻越低，則輸出的模擬信號(hào)就越大。
MQ-7是一氧化碳氣體傳感器，所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導(dǎo)率較低的二氧化錫(SnO2)，采用高低溫循環(huán)檢測(cè)方式低溫(1.5V加熱)檢測(cè)一氧化碳，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中一氧化碳?xì)怏w濃度增加而增大，高溫(5.0V加熱)清洗低溫時(shí)吸附的雜散氣體。使用簡(jiǎn)單的電路即可將電導(dǎo)率的變化，轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)。MQ-7氣體傳感器對(duì)一氧化碳的靈敏度高，這種傳感器可檢測(cè)多種含一氧化碳的氣體，是一款適合多種應(yīng)用的低成本傳感器。
MQ-2、MQ-7模塊的實(shí)物圖片如圖2.2所示。

圖2.2 MQ-2與MQ-7傳感器實(shí)物圖片

2.2.3 無(wú)線傳輸模塊
無(wú)線傳輸模塊的功能是將傳感器采集到的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)控點(diǎn)，本作品采用NRF24L01 2.4GHz無(wú)線傳輸模塊。NRF24L01是一款工作在2.4至2.5GHz世界通用ISM頻段的單片無(wú)線收發(fā)器芯片。無(wú)線收發(fā)器包括:頻率發(fā)生器、增強(qiáng)型SchockBurstTM模式控制器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器、解調(diào)器。輸出功率、頻道選擇和協(xié)議的設(shè)置可以通過(guò)SPI接口進(jìn)行設(shè)置。極低的電流消耗，當(dāng)工作在發(fā)射模式下發(fā)射功率為-6dBm時(shí)電流消耗為9mA接收模式時(shí)為12.3mA。掉電模式和待機(jī)模式下電流消耗更低。設(shè)備中需要兩塊NRF24L01配合才能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，分別配置為主機(jī)和從機(jī)，傳感器節(jié)點(diǎn)為主機(jī)。
NRF24L01模塊的實(shí)物圖片如圖2.3所示。

2.2.4 WIFI模塊
WIFI模塊選用了消費(fèi)級(jí)領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛的ESP8266模塊，ESP8266是一個(gè)完整且自成體系的 WiFi 網(wǎng)絡(luò)解決方案，能夠獨(dú)立運(yùn)行，也可以作為 slave 搭載于其他 Host 運(yùn)行。
ESP8266 在搭載應(yīng)用并作為設(shè)備中唯一的應(yīng)用處理器時(shí)，能夠直接從外接閃存中啟動(dòng)。內(nèi)置的高速緩沖存儲(chǔ)器有利于提高系統(tǒng)性能，并減少內(nèi)存需求。另外一種情況是，無(wú)線上網(wǎng)接入承擔(dān) WiFi 適配器的任務(wù)時(shí)，可以將其添加到任何基于微控制器的設(shè)計(jì)中，連接簡(jiǎn)單易行，只需通過(guò) SPI/SDIO 接口或中央處理器 AHB 橋接口即可。ESP8266 強(qiáng)大的片上處理和存儲(chǔ)能力，使其可通過(guò) GPIO 口集成傳感器及其他應(yīng)用的特定設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了最低前期的開(kāi)發(fā)和運(yùn)行中最少地占用系統(tǒng)資源。ESP8266 高度片內(nèi)集成，包括天線開(kāi)關(guān)balun、電源管理轉(zhuǎn)換器，因此僅需極少的外部電路，且包括前端模塊在內(nèi)的整個(gè)解決方案在設(shè)計(jì)時(shí)將所占PCB空間降到最低。裝有ESP8266的系統(tǒng)表現(xiàn)出來(lái)的領(lǐng)先特征有：節(jié)能VoIP在睡眠/喚醒模式之間的快速切換、配合低功率操作的自適應(yīng)無(wú)線電偏置、前端信號(hào)的處理功能、故障排除和無(wú)線電系統(tǒng)共存特性為消除蜂窩/藍(lán)牙/DDR/LVDS/LCD干擾。
ESP8266模塊的實(shí)物圖片如圖2.4所示。

圖2.3 NRF24L01模塊實(shí)物圖片 圖2.4 ESP8266模塊實(shí)物圖片

2.2.5 語(yǔ)音識(shí)別模塊
語(yǔ)音識(shí)別模塊采用LD3320模塊，該模塊采用ICRoute公司的高性能LD3320語(yǔ)音識(shí)別芯片和相關(guān)控制電路，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了聲控小車的語(yǔ)音控制系統(tǒng)。由于LD3320芯片集成了語(yǔ)音識(shí)別處理器和外部電路，包括AD和DA轉(zhuǎn)換器、麥克風(fēng)、聲音輸出等接口，且不需要外接任何的輔助芯片如Flash、RAM等[7-8]。在現(xiàn)有的產(chǎn)品中直接集成即可實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音識(shí)別/聲控/人機(jī)對(duì)話功能，識(shí)別的關(guān)鍵詞語(yǔ)列表是可以任意動(dòng)態(tài)編輯的，因而滿足了小體積、低功耗和可通用的要求，適用于本設(shè)備。
LD3320模塊的實(shí)物圖片如圖2.5 所示。
2.2.6 語(yǔ)音播放模塊
語(yǔ)音播放采用SYN6288模塊，它是一款性/價(jià)比更高，效果更自然的一款中高端語(yǔ)音合成芯片。SYN6288通過(guò)異步串口（UART）通訊方式，接收待合成的文本數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)文本到語(yǔ)音（或TTS語(yǔ)音）的轉(zhuǎn)換。SYN6288模塊特色十分明顯：最小SSOP28L貼片封裝、硬件接口簡(jiǎn)單、低功耗、音色清亮圓潤(rùn)、極高的性/價(jià)比；除此之外，SYN6288在識(shí)別文本/數(shù)字/字符串更智能、更準(zhǔn)確，語(yǔ)音合成自然度更好、可懂度更高。SYN6288語(yǔ)音合成效果和智能化程度均得到大幅度提高，是一款真正面向中高端行業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的中文語(yǔ)音合成芯片。
SYN6288模塊的實(shí)物圖片如圖2.6所示。

圖2.5 LD3320模塊實(shí)物圖片 圖2.6 SYN6288模塊實(shí)物圖片

2.2.7 液晶顯示模塊
液晶顯示模塊選用16*2的LCD1602模塊，1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一種專門用來(lái)顯示字母、數(shù)字、符號(hào)等的點(diǎn)陣型液晶模塊。它由若干個(gè)5X7或者5X11等點(diǎn)陣字符位組成，每個(gè)點(diǎn)陣字符位都可以顯示一個(gè)字符，每位之間有一個(gè)點(diǎn)距的間隔，每行之間也有間隔，起到了字符間距和行間距的作用，正因?yàn)槿绱怂运荒芎芎玫仫@示圖形（用自定義CGRAM，顯示效果也不好）。但在監(jiān)控點(diǎn)設(shè)備系統(tǒng)中，并不需要自定義圖形，僅需顯示數(shù)據(jù)英文名稱以及數(shù)據(jù)，能夠滿足顯示要求，且能夠降低硬件成本。
1602 LCD模塊的實(shí)物圖片如圖2.7所示。

圖2.7 1602 LCD模塊實(shí)物圖片 圖2.8 ZigBee模塊實(shí)物圖片

2.2.8 ZigBee模塊
如圖2.8 所示，本次設(shè)計(jì)選用TI 公司的CC2530 無(wú)線ZigBee 通信模塊完成機(jī)器人之間的信息傳遞。該模塊能夠設(shè)置成帶ID 的無(wú)線局域網(wǎng)通信模式，該模式下，ZigBee模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)幀前兩個(gè)字節(jié)為待接收模塊的ID 地址，ZigBee 模塊在接收到數(shù)據(jù)幀后，先判斷數(shù)據(jù)幀目的地址和本機(jī)是否相同，如果相同則說(shuō)明是屬于自己的數(shù)據(jù)幀，此時(shí)將接收的數(shù)據(jù)幀通過(guò)RS232 協(xié)議傳出，數(shù)據(jù)幀的最后兩個(gè)字節(jié)為發(fā)送模塊ID 值；如果數(shù)據(jù)幀的目的地址和本機(jī)不相同，此時(shí)ZigBee 接收模塊自動(dòng)忽略該數(shù)據(jù)包。該模塊為半雙工通信模塊，通信波特率范圍為4800bps 到115200 bps。

3 制作過(guò)程
3.1 硬件制作
根據(jù)附件中的傳感器節(jié)點(diǎn)和下位機(jī)原理圖，使用Altium Designer軟件繪制PCB文件，并將文件發(fā)給淘寶PCB打樣賣家進(jìn)行PCB打樣，將上訴準(zhǔn)備的電子元件焊接在PCB電路板上，最終得到圖3.1傳感器節(jié)點(diǎn)和圖3.2下位機(jī)實(shí)物圖片。

圖3.1 傳感器節(jié)點(diǎn)實(shí)物圖片 圖3.2 下位機(jī)實(shí)物圖片

3.2 連接手機(jī)APP
在制作好傳感器節(jié)點(diǎn)和下位機(jī)硬件后，需要設(shè)置下位機(jī)的WIFI信息連接手機(jī)APP。首先打開(kāi)附件中軟件程序文件夾，找到WIFI.h文件并打開(kāi)，將可用的WIFI賬號(hào)和密碼分別覆蓋到圖3.3中紅框中的內(nèi)容，并進(jìn)行編譯燒錄。

圖3.3 需要更改的WIFI信息

燒錄好下位機(jī)的固件后，將附件中的傳感器節(jié)點(diǎn)固件燒錄至傳感器節(jié)點(diǎn)硬件，此時(shí)可觀察到下位機(jī)的LCD可正常顯示傳感器節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)膫鞲衅鲾?shù)據(jù)，如圖3.4所示。