基于WIFI和ZigBee的煙霧報警系統(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)開發(fā)了一種煙霧報警系統(tǒng)，用于監(jiān)控火災、煤氣泄漏等不安全事故的發(fā)生。該煙霧報警系統(tǒng)由無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點和監(jiān)控系統(tǒng)兩個部分組成。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點由多個感知模塊組成，用于實時檢測多個監(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、PC上位機、手機APP三個部分組成：下位機安裝在用戶監(jiān)控場所，通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實時接收傳感器節(jié)點的環(huán)境參數(shù)，并利用ZigBee網(wǎng)絡(luò)和WIFI網(wǎng)絡(luò)將監(jiān)控數(shù)據(jù)分別發(fā)送至監(jiān)控中心的PC上位機和用戶手機的APP，若被監(jiān)控的區(qū)域發(fā)生火災、煤氣泄漏等安全事故，三者將同時報警，從而極大程度地減低了無法獲取安全事故發(fā)生的問題的風險，能夠第一時間對受災的地點進行搶救。
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、小區(qū)物業(yè)部門安裝的PC上位機、住戶手機的APP三者將同時發(fā)出報警信號，能夠第一時間對事故地點進行搶救。1.2 作品創(chuàng)新點
本作品的創(chuàng)新點在于：

1、通過下位機、PC上位機、手機APP三種終端報警的方式降低無法第一時間獲取安全事故發(fā)生的風險，能夠第一時間對事故地點進行搶救；
2、利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢，將監(jiān)控傳感器和監(jiān)控系統(tǒng)分離成獨立的模塊，實現(xiàn)了增加監(jiān)控區(qū)域只需安裝獨立的傳感器節(jié)點的特性，極大程度地提升了系統(tǒng)的可擴展性，同時使得系統(tǒng)具有較低的擴展成本。
救；同時，本作品可用于酒店、辦公樓、商業(yè)廣場、工廠操作間等需要大面積多區(qū)域監(jiān)控的場所。

2 準備事項
2.1 作品原理
如圖2.1所示，本作品由無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點和監(jiān)控系統(tǒng)兩個部分組成。
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點對監(jiān)控點的環(huán)境參數(shù)進行采集并處理，通過無線通信模塊將處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送至下位機。
監(jiān)控系統(tǒng)由下位機、PC上位機和手機APP三個部分組成。下位機對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點傳輸?shù)沫h(huán)境參數(shù)進行分析，同時在LCD進行顯示，并通過WIFI和ZigBee網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)分別發(fā)送至手機APP和PC上位機；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，下位機將通過語音模塊發(fā)出報警提醒，同時手機APP和PC上位機也將發(fā)出報警信號；若用戶發(fā)現(xiàn)發(fā)出的報警信號為誤觸信號，用戶可通過按鍵或者語音識別模塊關(guān)閉報警。

圖2.1 作品系統(tǒng)設(shè)計框圖

2.2 作品設(shè)計
2.2.1 主控制器

作品傳感器節(jié)點采用STM32F103C8T6型號的單片機，下位機采用STM32F103RCT6型號的單片機。

2.1.2 傳感器
傳感器模塊選用了市面上常見也是應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)測裝置，適宜于液化氣、苯、烷、酒精、氫氣、煙霧等的探測。故因此，MQ-2可以準確來說是一個多種氣體探測器MQ-2的探測范圍極其的廣泛。它的優(yōu)點：靈敏度高、響應快、穩(wěn)定性好、壽命長、驅(qū)動電路簡單。MQ-2型煙霧傳感器屬于二氧化錫半導體氣敏材料，屬于表面離子式N型半導體。處于200至300攝氏度時，二氧化錫吸附空氣中的氧，形成氧的負離子吸附，使半導體中的電子密度減少，從而使其電阻值增加。當與煙霧接觸時，如果晶粒間界處的勢壘收到煙霧的調(diào)至而變化，就會引起表面導電率的變化。利用這一點就可以獲得這種煙霧存在的信息，煙霧的濃度越大，導電率越大，輸出電阻越低，則輸出的模擬信號就越大。
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率較低的二氧化錫(SnO2)，采用高低溫循環(huán)檢測方式低溫(1.5V加熱)檢測一氧化碳，傳感器的電導率隨空氣中一氧化碳氣體濃度增加而增大，高溫(5.0V加熱)清洗低溫時吸附的雜散氣體。使用簡單的電路即可將電導率的變化，轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對應的輸出信號。MQ-7氣體傳感器對一氧化碳的靈敏度高，這種傳感器可檢測多種含一氧化碳的氣體，是一款適合多種應用的低成本傳感器。
MQ-2、MQ-7模塊的實物圖片如圖2.2所示。

圖2.2 MQ-2與MQ-7傳感器實物圖片

2.2.3 無線傳輸模塊
無線傳輸模塊的功能是將傳感器采集到的監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)控點，本作品采用NRF24L01 2.4GHz無線傳輸模塊。NRF24L01是一款工作在2.4至2.5GHz世界通用ISM頻段的單片無線收發(fā)器芯片。無線收發(fā)器包括:頻率發(fā)生器、增強型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SPI接口進行設(shè)置。極低的電流消耗，當工作在發(fā)射模式下發(fā)射功率為-6dBm時電流消耗為9mA接收模式時為12.3mA。掉電模式和待機模式下電流消耗更低。設(shè)備中需要兩塊NRF24L01配合才能實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，分別配置為主機和從機，傳感器節(jié)點為主機。
NRF24L01模塊的實物圖片如圖2.3所示。

2.2.4 WIFI模塊
WIFI模塊選用了消費級領(lǐng)域應用較為廣泛的ESP8266模塊，ESP8266是一個完整且自成體系的 WiFi 網(wǎng)絡(luò)解決方案，能夠獨立運行，也可以作為 slave 搭載于其他 Host 運行。
ESP8266 在搭載應用并作為設(shè)備中唯一的應用處理器時，能夠直接從外接閃存中啟動。內(nèi)置的高速緩沖存儲器有利于提高系統(tǒng)性能，并減少內(nèi)存需求。另外一種情況是，無線上網(wǎng)接入承擔 WiFi 適配器的任務(wù)時，可以將其添加到任何基于微控制器的設(shè)計中，連接簡單易行，只需通過 SPI/SDIO 接口或中央處理器 AHB 橋接口即可。ESP8266 強大的片上處理和存儲能力，使其可通過 GPIO 口集成傳感器及其他應用的特定設(shè)備，實現(xiàn)了最低前期的開發(fā)和運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)的整個解決方案在設(shè)計時將所占PCB空間降到最低。裝有ESP8266的系統(tǒng)表現(xiàn)出來的領(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無線電偏置、前端信號的處理功能、故障排除和無線電系統(tǒng)共存特性為消除蜂窩/藍牙/DDR/LVDS/LCD干擾。
ESP8266模塊的實物圖片如圖2.4所示。

圖2.3 NRF24L01模塊實物圖片 圖2.4 ESP8266模塊實物圖片

2.2.5 語音識別模塊
語音識別模塊采用LD3320模塊，該模塊采用ICRoute公司的高性能LD3320語音識別芯片和相關(guān)控制電路，設(shè)計實現(xiàn)了聲控小車的語音控制系統(tǒng)。由于LD3320芯片集成了語音識別處理器和外部電路，包括AD和DA轉(zhuǎn)換器、麥克風、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現(xiàn)語音識別/聲控/人機對話功能，識別的關(guān)鍵詞語列表是可以任意動態(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模塊的實物圖片如圖2.5 所示。
2.2.6 語音播放模塊
語音播放采用SYN6288模塊，它是一款性/價比更高，效果更自然的一款中高端語音合成芯片。SYN6288通過異步串口（UART）通訊方式，接收待合成的文本數(shù)據(jù)，實現(xiàn)文本到語音（或TTS語音）的轉(zhuǎn)換。SYN6288模塊特色十分明顯：最小SSOP28L貼片封裝、硬件接口簡單、低功耗、音色清亮圓潤、極高的性/價比；除此之外，SYN6288在識別文本/數(shù)字/字符串更智能、更準確，語音合成自然度更好、可懂度更高。SYN6288語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)應用領(lǐng)域的中文語音合成芯片。
SYN6288模塊的實物圖片如圖2.6所示。

圖2.5 LD3320模塊實物圖片 圖2.6 SYN6288模塊實物圖片

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，它是一種專門用來顯示字母、數(shù)字、符號等的點陣型液晶模塊。它由若干個5X7或者5X11等點陣字符位組成，每個點陣字符位都可以顯示一個字符，每位之間有一個點距的間隔，每行之間也有間隔，起到了字符間距和行間距的作用，正因為如此所以它不能很好地顯示圖形（用自定義CGRAM，顯示效果也不好）。但在監(jiān)控點設(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模塊的實物圖片如圖2.7所示。

圖2.7 1602 LCD模塊實物圖片 圖2.8 ZigBee模塊實物圖片

2.2.8 ZigBee模塊
如圖2.8 所示，本次設(shè)計選用TI 公司的CC2530 無線ZigBee 通信模塊完成機器人之間的信息傳遞。該模塊能夠設(shè)置成帶ID 的無線局域網(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)幀目的地址和本機是否相同，如果相同則說明是屬于自己的數(shù)據(jù)幀，此時將接收的數(shù)據(jù)幀通過RS232 協(xié)議傳出，數(shù)據(jù)幀的最后兩個字節(jié)為發(fā)送模塊ID 值；如果數(shù)據(jù)幀的目的地址和本機不相同，此時ZigBee 接收模塊自動忽略該數(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 制作過程
3.1 硬件制作
根據(jù)附件中的傳感器節(jié)點和下位機原理圖，使用Altium Designer軟件繪制PCB文件，并將文件發(fā)給淘寶PCB打樣賣家進行PCB打樣，將上訴準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)點和圖3.2下位機實物圖片。

圖3.1 傳感器節(jié)點實物圖片 圖3.2 下位機實物圖片

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

圖3.3 需要更改的WIFI信息

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