科学技术无线消防报警定位系统硬件设计与实现游元培广州市国安消防有限公司广东广州510075 【摘要】给出了系统节点的总体硬件方案，描述了系统节点各个功能模块的设计及实现。详细论述了系统的硬件构成、工作原理，设计了系统各个功能模块的硬件电路，并给出各电路接口以及外部硬件用途的具体说明。【关键词】无线消防报警定位系统硬件1、引言消防一直是关系社会安定和公众安全的重要问题。火灾自动探测报普系统作为早期探测火灾、将火灾遏制在萌芽状态的重要设备是实现防消结合．预防为主的消防策略的重要手段。当前．在各建筑物内安装的火灾自动报警系统及各消防灭火系统在发现和扑灭初期火灾方面发挥了重要作用．但在使用过程中暴露出的产品质量、设备运行管理．设备日常维护等方面问题也日益突出．严重影响了火灾自动报警设备功能的正常发挥。本项目的目的是通过对ZigBee等相关技术的研究和应用解决现有火灾报警系统设计、施工与维护复杂，抗干扰能力低，故障率和误报率高的问题实现适用于室内火警监测和对消防人员无线定位的无线消防报警定位系统。2、系统原理框架设计2．1 节点工作原理与分类IEEE802．1 5．4／ZigBee协议定义了两种相互配合使用的物理设备一全功能设备(FulI function device，FFD)和削减功能设备(Reduced function device，RFD)。在本设计中以此两种设备构成系统所需的协调器、路由器以及终端节点。其中协调器和路由节点为FFD．终端节点为RFD。系统中的这三种节点以边缘为星型的网状拓扑方式连接．星型结构边沿为RFD，网状结构中则为FFD。系统中的基本单元有感测单元、处理单元、能量单元和数据收发单元．此外还包含了移动设备和定位系统。具体到本设计中．感测、处理、能量和数据收发四个单元．在节点硬件上都有相对独立的模块。而移动和定位功能则融合在这些模块当中无独立硬件模块。节点分为固定安装的和可移动的节点．位置固定的节点构成本系统的网络主体．建立一个独立运行的网状网络，在系统中被称为参考节点移动的节点嵌入在消防人员随身携带的移动装置中在系统中被称为目标节点。定位则由处理单元和数据收发单元配合来实现。2 2 节点硬件模块构成本设计中节点电路分MCU模块、无线数据收发模块、感测模块、串口通信模块和电源模块，见图1所示。图1 节点硬件电路框图3、系统硬件模块设计3 1 MCU模块MCU是整个节点的指挥官”。在对MCU选型时，需要考虑它的处理能力、程序存储、与高频芯片的通信接口：同时．系统中大多节点是采用电池供电．低功耗意味着较高的可靠性和维护性．也关系着成本等一系列问题．‘因此，MCU的功耗也要作为考虑因素。基础的RFD通常由一个8位MCU控制，对FFD．可以是8位、1 6位或低端的32位MCU，无线数据收发模块和MCU之间通过SPI 接口进行异步串行通信。综合考虑上述因素和要求本设计选用了Microchip公司的PIC1 8LF2620微控制器，它是一款专为低功耗需求设计的，采用了“纳瓦”技术的增强型Flash微控制器，工作电压只有3 3V，可直接与高频芯片通信．包含3986 byte的RAM．64KB的Flash．并可在10种不同的振荡器模式下运行。3 2 无线数据传输模块ZigBee使用的频段为2 4GHz。选择一款理想的无线收发芯片．可减少开发难度．缩短开发周期．降低成本从而更快将产品推出。选择时．要考虑以下几个因素。(1)芯片所需的外围元件数量。芯片外围元件数量直接决定产品成本，因此应该选择外围元件数量较少的芯片。有些芯片比较便宜，但外围元件需使用昂贵的元件，如声表滤波器等：有些芯片对天线要求较高．也会增加成本。(2)发射功率。同等条件下为保证有效和可靠通信．应选用发射功率较高的器件。(3)芯片封装方式和管脚数目。较小的封装和较少的管脚有利于减少印刷电路板的面积．适合便携式、嵌入式产品的设计．也有利于开发和生产。综合考虑上述各因素．决定使用Chipcon(己被TI收购)公司的无线收发芯片CC2500。3．3 电源模块从能量管理方面考虑网络协调器因为要处理控制问题，需要较多的能量，因此一般使用连接式电源而其余设备基本上都是使用电池。为降低硬件成本，电源模块没有采用专门的监控芯片来进行掉电保护而是直接通过CPU的引脚来进行监控。电压过低时就将重要数据及时保存到EEPROM 从而避免掉电时数据丢失。节能方面，除了硬件上要采用低功耗器件。设计简洁电路，软件上利用SLEEP．同时尽量少开启LED．只在少数必要情况下用闪烁的形式给用户提供指示信号[[29]a 本设计中，协调器采用的是SV直流电源．经111 7稳压块稳压后．向节点电路提供3 3V的直流电压。具体电路设计见图2。图2 电源模块电路图3．4 感测模块该设计用于火灾报警系统．故应与温度传感器、烟雾传感器连接。本设计的感测部分采用Microchip生产的带SPI接口的温度传感器丁C77，5脚SOT-23A封装。它是一款尤其适用于低成本，小尺寸应用的串联可访问数字温度传感器．其内部温度敏感元件可将温度模拟量转换为13位数字．与MCU通信通过SPI和MICROWAVE可兼容接口完成。Tc 在+25 。C到+65。C温度范围内，可精确到士1．00C。持续转换模式下的电流消耗仅250uA．其配置寄存器可激活低功耗关机(Shutdown)模式，电流消耗仅0 1 u 图3 TC77接口电路图3 5 串行通信模块(1)电平转换由于单片机Wo口输入输出的是TTL电平，而在Pc或单片机之间进行近距离通信时通常都采用RS一232电平．因此，在本系统的通信电路中要加入电平转换电路。本设计选用的电平转换集成电路是Maxim公司的MAX3221 CAE芯片。MAX3221 CAE是一个3V至5．5V单通道RS-232线驱动器／接收器，它包含一个线驱动器、一个线接收器和一个带有±1 5kV ESD保护的双电荷泵。该器件符合TlA／EIA一232一F和ITU V 28标准要求．接受5V逻辑输入电平和3 3V电源电压在一个异步通信控制器和串行通信连接器之间提供接口。待机电流低至1 ，在2010．8 5 科学技术数据信号速率250kbit／且最大30V／s驱动输出回转率时工作，其自动掉电特点可自动使驱动器失效以节约电源。MAX3221 CAE的R IN和R OUT，DIN和DOUT分别提供了输入和输出的电平转换，断开串行端口或关闭外围驱动器将会导致自动掉电。在FORCEON为低且FORCEOFF为高时自动掉电功能起作用，若器件未感应到接收器输入端上的有效RS-232信号则驱动器输出端被禁止。在接收器输入端加一个有效信号时器件被激活。(2)串口通信连接器一个完整的232接口有22根线．采用标准的25针插座(头)，而Pc机的串口多采用简化的9针插座(头)。DB9的引脚定义见表1。表1 DB9串口引脚定义l 藏波捡澍CD(Carrier Detect) 2 数据接收默D (Receive Data) 3 数据发送TXD(Transmit Data) 4 数据终螭准备鞔壹篝DTR(Data Terminal Ready) 5 系统地GND(System Ground) 6 戴撼接收准备就鳍DSR(Data Set Ready) 7 发送请求RTS(Request to Send) 8 清除发送CTS(CleartoSend) 9 摄铃描示RI(Ring Indicator) 在节点电路板上，从电平转换芯片引出的数据通信线连接到一个9针插座，使用这个插座通过电缆与Pc的串口进行连接。本文采用最简洁的三线连接法即用它们的2(RXD )，3(TXD)和5 (GND)脚作为通信连接管脚．将公头和母头的第2脚和第3脚交叉连接，将两个地线连接起来即可。4、外部硬件接口描述4．1 板载硬件接口J1：SV直流电源输入口J2：无线通信模块插座J3：DB9串行通信口J4：ICD编程接口4．2 按键和指示灯说明根据《建筑设计防火规范GBJ1 6-87))中设有火灾自动报警装置的建筑，应在适当部位增设手动报警装置”的要求《火灾自动报警系统设计规范GB501 1 6-98》中”火灾自动报警系统应设有自动和手动两种触发装置的要求以及《消防联动控制设备第7 部分：传输设备GB I 6806 7—200X~中“传输设备在处理和传输火灾报警信号时，火灾报警状态指示灯应闪亮”和传输设备应设专用手动复位按钮(键) 的要求，同时遵照ZigBee系统设计中尽量精简外围器件以降低功耗的思想，设计了节点上的按键与指示灯。为节能指示灯在正常工作状态上均不保持常亮。(1)按键功能说明：s1：复位按键用于系统复位。s2：手动报警按键．用于手动发出火灾报警信息。s3：求助按键，用于当消防人员被困或请求增援时手动发出求助消息。(2)指示灯说明：D1：正常运行指示．绿色。开机时闪烁．表示节点电路正常工作。D2：异常状态指示，黄色。在出现异常情况时(温度超过敏感门限或短时间内温度变量急剧增大以及节点故障时)闪烁[[14]0 D3：火灾报警指示，红色。在出现火警时闪烁。D4：稳压电源指示绿色。在使用了稳压电路的节点开机时闪烁。5、结论为实现室内火警监测和对消防人员无线定位．解决现有火灾报警系统设计施工与维护复杂．抗干扰能力低．故障率和误报率高的问题，设计并实现了基于ZigBee技术的无线消防报警定位系统。根据无线消防报警定位系统所具备的特点．对国内外采用的同类技术进行比较．提出了将ZigBee技术应用在无线传感器网络中从而实现室内火警监测和对消防人员无线定位的方案。根据硬件设计方案，选用适合的元器件，绘制、制作了硬件电路板。测试和程序运行结果表明．节点各部分的参数和特性均符合要求可实现预期的功能。参考文献[1】韩敬．火灾报警系统及发展Ⅱ】．山西建筑，2002，28(7)：85-86 f21湛浩昊，孙长篙，吴珊，李冬艳．zigBee技术在煤矿井下救援系统中的应用[『]．计算机工程与应用，2006，(24)：181—183 『31姚引娣．基于zigBee的无线管理系统设计Ⅱ】．电子技术应用，2007，33(1)：27—29 【4]周怡痞，凌志浩，吴勤勤．zigBee无线通信技术及其应用探讨Ⅱ】_自动化仪表，2005，26(6)：5—9 f51王东，张金荣，魏延等彳0用zigBee技术构建无线传感器网~-IJ]．重庆大学学报(自然科学版)，2006，29(8)：95-97，110 (上接第4页) 之所以要研究这样的过程就是要在液压系统设计过程中．一定要针对钢筋的应力性能和动刀的作用展开研究以便设计合理的液压系统产生合适的压力来实现对钢筋的剪切。尽量缩短作用的时间和变形的能才是提高液压系统效率的关键。3、液压缸活塞设计研究这里对活塞冲回程过程进行力学分析。主要考虑活塞前腔承压面积、后腔承压面积。(1)回油阻力系数K口将回油压力用系统工作压力P来表示。冲程剪切时，有杆腔．蓄能器油液要与系统供给油液通过插装阀一起进入液压缸无杆腔．使活塞杆伸出，因此回油压力必会高于无杆腔压力，回油阻力系数K口大于1。回程剪切时．无杆腔油液经插装阀流回油箱考虑压力损失以及回油蓄能器中背压不大．其回油阻力系数Ko大于0且远小于1，因此近似认为此时回油压力为零。(2)蓄能器氮气压力系数Ka将蓄能器气腔中氮气的压力Pa用系统工作压力P来表示。(3)虚拟承压面积Aa将蓄能器气腔中氮气压力转换成供油压力后在活塞的一次剪切中作用的虚拟承压面积用Aa来表示，该参数是由蓄能器决定的。在对活塞的设计研究中．我们可以将整个系统的作用过程分为三个阶段：第一阶段是活塞开始接触钢筋的剪切之前．假设该速度为A1 剪切钢筋的阶段为第二阶段此时假设加速度为A2；剪切完成后．活塞停止作用的阶段为第三阶段，此时活塞停止活动的速度应该和A1相同。在液压系统设计的过程中应将这三个阶段的作用速度进行合理的调配．活塞结构方面参数与系统本身结构参数、系统运动参数工作油压以及外负载的大小有关。活塞结构参数的选择在符合标准化生产的同时，应注意不能过大．否则会增加系统流量，导致阀规格变大．影响整个系统的剪切时间。6 4．蓄能器设计研究1)高压蓄能器设计研究由对系统的运动过程分析可知．在冲程剪切和回程剪切过程中，高压蓄能器要分别进油、排油一次．因此分析系统流量的变化对于研究与设计蓄能器很有必要。根据上面对系统运动原理的分析．可以看出当活塞静止不动时．泵供的油液都补充到蓄能器中；当活塞开始运动剪切时蓄能器与泵同时供油，直到活塞停止运动。蓄能器设计考虑冲回程两个阶段的排油量。五、总结随着高性能电子元件的应用，高速度钢筋切断机的液压系统将更为完善。在不断的对其进行优化的过程中唯一不变的是切割过程中的应力变化和液压系统油量流动的数据关系。只有在改进液压系统的过程中注意对这两个问题的平衡才能有目的的实现液压系统的优化改进．为钢筋切断机的发展起到正面的作用。参考文献?1田野我国钢筋调直切断机的发展及现状Ⅱ】_建筑机械化，2oo5(1) [2】孟珍对钢筋切断机发展的几点看法[I】．建筑机械化，2009(2) [3】邵承林，崔崇刚，顾守泉液压钢筋切断机Ⅱ】．建筑机械，2008(11) [4]梁楚华．钢筋自动校直切断机液压控制机构Ⅱ】．机械工艺师Ⅱ]，2008(7) [5】章文．钢筋切断机液压机理分析田．工程机械，2009~) [6】王文良，李长诗．钢筋切断机通用动力学．郑州轻工业学院学报，2008(8) 2010．8