基于ZigBee技術的無線智能家用燃氣報警系統

安全防范的報警系統是確保住宅、住戶安全的極為重要的途徑之一，同時也是數字化家庭的重要組成部分。
遇到煤氣泄漏等緊急情況時，及時對外報警求助就顯得十分必要，成為人們生活中必不可少的部分。
本文設計的基于ZigBee技術的無線智能家用燃氣報警系統是以CC2430為核心，與電話機網絡、語音電路及可燃性氣體傳感器相結合，通過無線節點的布網，實時監測家用燃氣氣體濃度來檢測是否有可燃性氣體泄漏，如果有泄漏并超過安全的范圍，通過ZigBee終端節點把數據傳到中心協調器，通過微控制器控制電話機模塊和語音模塊撥打求助電話，通知家人有安全隱患，并且同時將報警信號發送給小區的監控中心。

1 系統構成
本智能監測系統主要是由ZigBee無線模塊、電話機模塊、語音模塊、數據采集模塊，以及LCD顯示模塊組成。整個系統圍繞zigBee模塊組網，在整個小區內組建成網狀網絡。系統工作時，終端的ZigBee節點采用半功能的ZigBee節點設備，主要完成燃氣氣體濃度的采集及數據的發送。終端節點把數據發送給中間路由或直接發送給中央協調器，協調器會處理診斷傳來的數據，如果達到了預先設定好的濃度報警閾值，就會驅動電話網絡中的電話機模塊撥打預先設定好的電話號碼，通過模擬摘掛機的方式驅動語音模塊撥打設定好的電話號碼，如果電話占線或無人接聽還可撥打下一個電話號碼，這樣連續循環撥打，直到對方摘機。如果對方摘機就會聽到預先編錄好的語音模塊播放的相應的語音。在撥打電話號碼的同時，中央處理器也會驅動蜂鳴器報警，如果有人在家的情況下，還可以直接通過按鍵解除報警，直接看到LCD上的數據顯示結果，進而直接采取相應措施。系統總體框圖如圖1所示。

2 系統的硬件設計與實現
該系統主要由無線模塊、電源模塊、數據采集模塊、電話機模塊、顯示模塊、蜂鳴報警、語音模塊等部分組成。
2．1 無線數據傳輸模塊
ZigBee技術是一種應用于短距離、低速率下的網絡拓撲技術，是基于IEEE 802．15.4無線標準研制開發的。在PHY層，其頻段是免費開放的，國內主要應用于2．4 GHz頻段，傳輸距離大約100 m，傳輸速率大約是250 Kb／s，各個頻段均采用直接序列擴頻技術。為了避免其他無線通信干擾，采用碰撞避免機制，同時為需要固定帶寬的通信業務預留專用時隙，避免了發送數據時的競爭和沖突。ZigBee提供了數據完整性檢查功能，具有加密功能，加密算法采用通用的AES-128加密算法。本文采用以CC2430為內核的ZigBee模塊，CC2430集成了RF射頻模塊與加強型的51模塊。CC2430有低功耗模式，在沒有數據發送的時候，前端節點進入休眠狀態，此時的耗電量僅為幾十微瓦。有中斷掛起時能夠很快地傳輸數據。針對小區的智能安防建設，采用mesh狀的拓撲結構，拓撲結構模型如圖2所示。Mesh拓撲結構具有自愈能力，安全性和可靠性高，其中的一個節點發生故障時不會影響整個系統工作。可以通過其他冗余路由傳輸給中心協調器(基站)，從而能夠使中心協調器有效地發送控制命令。

2．2 電源模塊
電源模塊主要是由TPS79533低壓穩壓器輸出3．3 V電壓，其輸入電壓范圍是2．7～5．5 V，并具有較高的電源抑制比、超低噪聲、較好的電壓線性和負載瞬態效應以及較小的電壓漂移。其具體電路如圖3所示。

此電源模塊采用5 V直流電源直接供電，通過穩壓器穩壓到3．3 V，也可以通過USB供電，如果作為前端節點或者受到環境因素影響，在沒有方便的電氣設備情況下，也可以采用3節干電池供電，在3種電源同時存在的情況下，電路會直接以最高電壓輸入為電源，其他則被屏蔽。此電路融合了3種電源的應用，節點在任何場合隨意放置。通過TPS79533轉換3．3V工作電壓：在輸入和GND之間增加上O.1μF和47μF并聯的旁路電容，47μF的電容可穩定輸出，使輸入電平更加平滑。0.1μF的小電容與GND相連，對高頻信號提供了一個對地通路。這樣，通過O.1 μF和47μF兩只電容的并聯作為旁路電容可以獲得更大的濾波頻段，增強穩定性，提高噪聲和紋波抑制。同樣，在輸出和GND之間也要增加同樣的并聯電容，使輸出更穩定，并且可以獲得穩定純凈的電壓輸出。由于穩壓器的內部參考電壓的噪聲是穩壓器本身噪聲的主要來源。TPS79 533的PASS引腳通過一個250 kΩ電阻連接到參考電壓上。這樣內部250 kΩ的電阻連同外部連接的O．01 μF的電容構成一個低通濾波器來減少參考電壓的噪聲和輸出噪聲。