EEPW论坛

作者：内蒙古科技大学 左兴刚 王亮 申盼阳

指导教师：郭宇

　　产品简介

　　1.1开发背景

　　火灾自动报警系统是人们为了早期发现通报火灾，并及时采取有效措施，控制和扑灭火灾，而设置在建筑物中或其它场所的一种自动消防设施，是人们同火灾作斗争的有力工具。我国的火灾报警系统起步较发达国家晚几十年，虽然取得了较快的发展，但大多是引进国外技术进行生产，具有自主知识产权的核心技术很少。目前的实际应用大多为多线制和总线制连接方式，即探测器、报警器、控制器之间是采用两条或多条的铜芯绝缘导线或铜芯电缆穿管相接，其系统安装成本约占设备成本的33%～70%，且施工复杂，系统扩展性能差，自成体系，自我封闭，线路易老化或遭到腐蚀，抗干扰能力差，误报警率高。

　　近年来采用无线通信方式的火灾自动报警系统在国外悄然兴起。这种系统引入了无线电通信技术，利用无线通信方式代替传统的有线通信方式，将大多的电器装置通过无线连接方式进行信息传输与控制，适用于各类建筑和场所。随着科技进步和元器件成本的降低，无线火灾自动报警系统的研发和生成成本也随之降低，它在性能和价格上都具有很强的竞争力，其市场潜力已经崭露头角。

　　1.2结构说明

　　根据系统的设计要求，作品主要分为3个模块，具体如下图1所示。

　　(1)主控模块：本模块采用比赛所要求的基于ARM Cortex-M4内核的Kinetis K10系列MK10DN512为核心处理器。

　　(2)信息采集模块：本模块采用CC2430DK zigbee开发套件，通过zigbee的组网实现信息的采集以及无线传输。此模块由Zigbee cc2430模块以及MQ-2烟雾传感器构成。

　　(3)服务器模块：通过自建的服务器实现信息的接受，接收到信息通过上位实现数据的显示，并通过网络可以在任何地点观察监控情况。

　　1.3功能与使用说明

　　(1)功能：本作品实现的基本功能是楼宇间火灾的监控及报警。通过安放在各处的Zigbee节点的监测，采集数据并上传到Yunnode的服务器上，在其他地方的监控中心可以通过网络获取存储在服务器上的报警数据显示各个监控处的火灾情况,采集的数据通过服务器上传到了网上，可以在各地通过电脑监控数据，非常的方便快捷，即使人不在跟前也能发现险情。

　　(2)使用说明：本作品易于操作，首先先在需要监测的房屋里安装Zigbee节点,监控火灾采用的是高灵敏度、探测范围广的MQ-2气体传感器。通过自己制作的服务器收集采集的数据，人在电脑终端可以观察安全系数，当有火灾发生时，监控界面发生变化，报警。即使人在自己的家里也可以通过电脑查看安全系数。

　　平台选型说明

　　2.1ARM嵌入式处理器介绍

　　本作品的主控采用的是大赛组委会所指定的ARM处理器，此嵌入式处理器是MK10DN512为核心的ARM Cortex-M4处理器。

　　ARM Cortex-M4 处理器是由 ARM 专门开发的最新嵌入式处理器，Cortex-M4处理器完美融合了高效的信号处理能力以及Cortex-M 系列处理器诸多无可比拟的优势，包括低功耗、低成本和易于使用。 Cortex-M4处理器具有一个单时钟周期乘法累加(MAC)单元、优化的单指令多数据(SIMD)指令、饱和运算指令和一个可选的单精度浮点运算单元(FPU)。这些数字信号处理功能基于一系列ARM Cortex-M系列处理器所采用的创新技术，包括：高性能32位内核，可达1.25DMIPS/MHz;Thumb-2指令集，提供最佳的代码密度;和一个嵌套向量中断控制器，能完成出色的中断处理。此外，该处理器还提供了一个可选的内存保护单元(MPU)，提供低成本的调试/追踪功能和集成的休眠状态，以增加灵活性。

　　ARM Cortex处理器系列都是基于ARMv7架构的产品，从尺寸和性能方而来看，既有少于33000个门电路的Cortex-M系列，也有高性能的 Cortex-A系列。其中，Cortex-A系列是针对日益增长的，运行包括Linux、Windows，CE和Symbian操作系统在内的消费娱乐 和无线产品设计的;ARM Cortex-R系列针对的是需要运行实时操作系统来进行控制应用的系统，包括汽车电子、网络和影像系统;ARM Cortex-M系列则面向微控制器领域，为那些对开发费用非常敏感同时对性能要求不断增加的嵌入式应用所设计的。

　　2.2 ARM嵌入式系统与传统单片机系统相比较

　　ARM的嵌入式系统与传统单片机系统相比性能有很明显的优势， ARM与传统单片机的最大不同在于级指令集，传统的单片机(如51)使用的是复杂指令集(CISC)，且不具备指令流水线;ARM使用的是精简指令集,而且使用了至少3级流水线，这使得ARM的制造成本和运行效率相对51有着明显的优势;ARM是32位机，传统的单片机一般都是8位机，随着信息量的增加，我们会越来越多的需要处理超过8位以上的数据;基于ARM内核的芯片种类越来越多，器外围接口(UART/SPI/IIC/USB/CAN/BUS/LCDC),内部一般都加入了DMA，进一步提升了性能，给用户提供了很大的选择空间;ARM的编译器相对于传统单片机，其易用性大大加强，比较流行的编译工具有IAR,RVCT,ADS,ARM-GCC等，ARM内部集成有JTAG调试接口，可以在线调试，只需要购买于编译器配套的Trace工具即可;基于ARM的开源软件很多，OS类的有FreeRTOS/Linux/UCOS等，有的厂家还会提供USB/TCPIP协议栈，还有的提供特殊的库(如触摸按键的库、加密库等)。

　　设计说明

　　3.1设计要求

　　能够准确的感应到室内烟雾及可燃性气体的报警信号，把时实数据准确的传输到电脑上。可以在任何地点通过网络观察监控情况，监控界面清晰简洁，方便观察。各个模块设计整洁、美观、规律，易于操作。

　　3.2系统硬件电路设计

　　3.2.1主控部分

　　主控部分采用比赛组委会提供的以PK10N512VLL100为核心的ARM Cortex-M4，其实物图如图2所示

　　PK10N512VLL100器件是全集成的混合信号系统级ARM Cortex-M4内核的Kinetis K10系列芯片。核心尺寸: 32bit ;输入/输出数: 70 ;程序存储器大小: 512KB ;存储器容量, RAM: 128KB ，处理器速度: 100MHz ;振荡器类型: 内部 ;周边器件: ADC, DMA, POR ;嵌入式接口类型: CAN, I2C, SPI, UART ;封装形式: LQFP ;封装形式: LQFP ;电源电压范围: 1.71V 到 3.6V ;工作温度范围: -40°C 到 +105°C ;针脚数: 100。

　　芯片电路原理图如图3所示

　　ARM主控板的主要作用：Zigbee通过组网采集数据，采集的信息传输给RAM，ARM把接受到的信息进行统一编码传输出去，传输时实高效。

　　3.2.2 信息采集模块

　　本模块由两部分组成，由Zigbee cc2430模块以及MQ-2烟雾传感器构成。

　　MQ-2烟雾传感器探测范围广泛，灵敏度高，可以快速响应恢复，寿命长，驱动电路简单，可用于家庭和工厂的气体泄漏监测装置，适宜于液化气、丁烷、丙烷、甲烷、酒精、氢气、烟雾等的探测。本系统中主要用于液化气和烟雾的探测。

　　烟雾传感器实际效果图、电路原理图如图4、图5所示

　　Zigbee是一种近距离低功耗低速率无线网络，使用免费的2.4GHz频段，ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术。主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用,主要用于无线传感器网络、智能家居等方面。

　　CC2430DK节点属于zigbee节点模块，它采用德州仪器(TI)ZigBeeSOC射频芯片CC2430-F128,片上集成高性能8051内核、ADC、USART等，支持ZigBee协议栈。该zigbee节点引出所有可用I/O，并提供RS232串行接口,用户可使用片上所有资源。

　　模块特点:

　　1、工作频率带宽：2.400～2.4835GHz

　　2、数据速率达250kbps，码片速率达2Mchips/s

　　3、输出功率可编程控制(-91dbm))

　　4、低功耗：RX:27mA ,TX:25mA

　　5、用户接口：16Pin，引出所有I/O并提供RS232串行口,可与计算机直接通信

　　6、节点外形尺寸：40 X 68mm

　　Zigbee cc2430实物图、电路原理图、信息采集模块如图6、图7、图8所示