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[2019参赛作品] 【脑洞大赛】基于WIFI和ZigBee的烟雾报警系统

本帖最后由利刃1979 于 2019-8-20 12:20 编辑

1  作品介绍
1.1  作品功能
本作品借助物联网技术开发了一种烟雾报警系统，用于监控火灾、煤气泄漏等不安全事故的发生。该烟雾报警系统由无线传感器网络节点和监控系统两个部分组成。无线传感器网络节点由多个感知模块组成，用于实时检测多个监控区域的环境参数（如烟雾气体浓度、一氧化碳浓度等），并通过传感器网络将所有数据传输至监控系统。监控系统由下位机、PC上位机、手机APP三个部分组成：下位机安装在用户监控场所，通过无线传感器网络实时接收传感器节点的环境参数，并利用ZigBee网络和WIFI网络将监控数据分别发送至监控中心的PC上位机和用户手机的APP，若被监控的区域发生火灾、煤气泄漏等安全事故，三者将同时报警，从而极大程度地减低了无法获取安全事故发生的问题的风险，能够第一时间对受灾的地点进行抢救。
本作品可用于普通家庭住宅用户安全事故的监控，一旦发生安全事故，家庭住宅的下位机、小区物业部门安装的PC上位机、住户手机的APP三者将同时发出报警信号，能够第一时间对事故地点进行抢救；同时，本作品可用于酒店、办公楼、商业广场、工厂操作间等需要大面积多区域监控的场所。
1.2  作品创新点
本作品的创新点在于：

1、通过下位机、PC上位机、手机APP三种终端报警的方式降低无法第一时间获取安全事故发生的风险，能够第一时间对事故地点进行抢救；
2、利用无线传感器网络的优势，将监控传感器和监控系统分离成独立的模块，实现了增加监控区域只需安装独立的传感器节点的特性，极大程度地提升了系统的可扩展性，同时使得系统具有较低的扩展成本。

2 准备事项
2.1 作品原理
如图2.1所示，本作品由无线传感器网络节点和监控系统两个部分组成。
无线传感器网络节点对监控点的环境参数进行采集并处理，通过无线通信模块将处理后的数据发送至下位机。
监控系统由下位机、PC上位机和手机APP三个部分组成。下位机对无线传感器网络节点传输的环境参数进行分析，同时在LCD进行显示，并通过WIFI和ZigBee网络将数据分别发送至手机APP和PC上位机；若接收的环境参数数据满足安全事故发生的条件，下位机将通过语音模块发出报警提醒，同时手机APP和PC上位机也将发出报警信号；若用户发现发出的报警信号为误触信号，用户可通过按键或者语音识别模块关闭报警。

图2.1 作品系统设计框图

2.2 作品设计
2.2.1 主控制器

作品传感器节点采用STM32F103C8T6型号的单片机，下位机采用STM32F103RCT6型号的单片机。

2.1.2 传感器
传感器模块选用了市面上常见也是应用较为广泛的两种传感器，分别是烟雾浓度传感器MQ-2和一氧化碳浓度传感器MQ-7。
MQ-2可用于家庭和工厂的气体泄漏监测装置，适宜于液化气、苯、烷、酒精、氢气、烟雾等的探测。故因此，MQ-2可以准确来说是一个多种气体探测器MQ-2的探测范围极其的广泛。它的优点：灵敏度高、响应快、稳定性好、寿命长、驱动电路简单。MQ-2型烟雾传感器属于二氧化锡半导体气敏材料，属于表面离子式N型半导体。处于200至300摄氏度时，二氧化锡吸附空气中的氧，形成氧的负离子吸附，使半导体中的电子密度减少，从而使其电阻值增加。当与烟雾接触时，如果晶粒间界处的势垒收到烟雾的调至而变化，就会引起表面导电率的变化。利用这一点就可以获得这种烟雾存在的信息，烟雾的浓度越大，导电率越大，输出电阻越低，则输出的模拟信号就越大。
MQ-7是一氧化碳气体传感器，所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡(SnO2)，采用高低温循环检测方式低温(1.5V加热)检测一氧化碳，传感器的电导率随空气中一氧化碳气体浓度增加而增大，高温(5.0V加热)清洗低温时吸附的杂散气体。使用简单的电路即可将电导率的变化，转换为与该气体浓度相对应的输出信号。MQ-7气体传感器对一氧化碳的灵敏度高，这种传感器可检测多种含一氧化碳的气体，是一款适合多种应用的低成本传感器。
MQ-2、MQ-7模块的实物图片如图2.2所示。

图2.2 MQ-2与MQ-7传感器实物图片

2.2.3 无线传输模块
无线传输模块的功能是将传感器采集到的监测数据发送到监控点，本作品采用NRF24L01 2.4GHz无线传输模块。NRF24L01是一款工作在2.4至2.5GHz世界通用ISM频段的单片无线收发器芯片。无线收发器包括:频率发生器、增强型SchockBurstTM模式控制器、功率放大器、晶体振荡器、调制器、解调器。输出功率、频道选择和协议的设置可以通过SPI接口进行设置。极低的电流消耗，当工作在发射模式下发射功率为-6dBm时电流消耗为9mA接收模式时为12.3mA。掉电模式和待机模式下电流消耗更低。设备中需要两块NRF24L01配合才能实现数据传输，分别配置为主机和从机，传感器节点为主机。
NRF24L01模块的实物图片如图2.3所示。

2.2.4 WIFI模块
WIFI模块选用了消费级领域应用较为广泛的ESP8266模块，ESP8266是一个完整且自成体系的 WiFi 网络解决方案，能够独立运行，也可以作为 slave 搭载于其他 Host 运行。
ESP8266 在搭载应用并作为设备中唯一的应用处理器时，能够直接从外接闪存中启动。内置的高速缓冲存储器有利于提高系统性能，并减少内存需求。另外一种情况是，无线上网接入承担 WiFi 适配器的任务时，可以将其添加到任何基于微控制器的设计中，连接简单易行，只需通过 SPI/SDIO 接口或中央处理器 AHB 桥接口即可。ESP8266 强大的片上处理和存储能力，使其可通过 GPIO 口集成传感器及其他应用的特定设备，实现了最低前期的开发和运行中最少地占用系统资源。ESP8266 高度片内集成，包括天线开关balun、电源管理转换器，因此仅需极少的外部电路，且包括前端模块在内的整个解决方案在设计时将所占PCB空间降到最低。装有ESP8266的系统表现出来的领先特征有：节能VoIP在睡眠/唤醒模式之间的快速切换、配合低功率操作的自适应无线电偏置、前端信号的处理功能、故障排除和无线电系统共存特性为消除蜂窝/蓝牙/DDR/LVDS/LCD干扰。
ESP8266模块的实物图片如图2.4所示。

图2.3 NRF24L01模块实物图片图2.4 ESP8266模块实物图片

2.2.5 语音识别模块
语音识别模块采用LD3320模块，该模块采用ICRoute公司的高性能LD3320语音识别芯片和相关控制电路，设计实现了声控小车的语音控制系统。由于LD3320芯片集成了语音识别处理器和外部电路，包括AD和DA转换器、麦克风、声音输出等接口，且不需要外接任何的辅助芯片如Flash、RAM等[7-8]。在现有的产品中直接集成即可实现语音识别/声控/人机对话功能，识别的关键词语列表是可以任意动态编辑的，因而满足了小体积、低功耗和可通用的要求，适用于本设备。
LD3320模块的实物图片如图2.5 所示。
2.2.6 语音播放模块
语音播放采用SYN6288模块，它是一款性/价比更高，效果更自然的一款中高端语音合成芯片。SYN6288通过异步串口（UART）通讯方式，接收待合成的文本数据，实现文本到语音（或TTS语音）的转换。SYN6288模块特色十分明显：最小SSOP28L贴片封装、硬件接口简单、低功耗、音色清亮圆润、极高的性/价比；除此之外，SYN6288在识别文本/数字/字符串更智能、更准确，语音合成自然度更好、可懂度更高。SYN6288语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业应用领域的中文语音合成芯片。
SYN6288模块的实物图片如图2.6所示。

图2.5 LD3320模块实物图片图2.6 SYN6288模块实物图片

2.2.7 液晶显示模块
液晶显示模块选用16*2的LCD1602模块，1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。它由若干个5X7或者5X11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符，每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用，正因为如此所以它不能很好地显示图形（用自定义CGRAM，显示效果也不好）。但在监控点设备系统中，并不需要自定义图形，仅需显示数据英文名称以及数据，能够满足显示要求，且能够降低硬件成本。
1602 LCD模块的实物图片如图2.7所示。

图2.7 1602 LCD模块实物图片图2.8 ZigBee模块实物图片

2.2.8  ZigBee模块
如图2.8 所示，本次设计选用TI 公司的CC2530 无线ZigBee 通信模块完成机器人之间的信息传递。该模块能够设置成带ID 的无线局域网通信模式，该模式下，ZigBee模块发送的数据帧前两个字节为待接收模块的ID 地址，ZigBee 模块在接收到数据帧后，先判断数据帧目的地址和本机是否相同，如果相同则说明是属于自己的数据帧，此时将接收的数据帧通过RS232 协议传出，数据帧的最后两个字节为发送模块ID 值；如果数据帧的目的地址和本机不相同，此时ZigBee 接收模块自动忽略该数据包。该模块为半双工通信模块，通信波特率范围为4800bps 到115200 bps。

3  制作过程
3.1  硬件制作
根据附件中的传感器节点和下位机原理图，使用Altium Designer软件绘制PCB文件，并将文件发给淘宝PCB打样卖家进行PCB打样，将上诉准备的电子元件焊接在PCB电路板上，最终得到图3.1传感器节点和图3.2下位机实物图片。

图3.1 传感器节点实物图片图3.2 下位机实物图片

3.2 连接手机APP
在制作好传感器节点和下位机硬件后，需要设置下位机的WIFI信息连接手机APP。首先打开附件中软件程序文件夹，找到WIFI.h文件并打开，将可用的WIFI账号和密码分别覆盖到图3.3中红框中的内容，并进行编译烧录。

图3.3 需要更改的WIFI信息

烧录好下位机的固件后，将附件中的传感器节点固件烧录至传感器节点硬件，此时可观察到下位机的LCD可正常显示传感器节点传输的传感器数据，如图3.4所示。

图3.4 系统正常启动后的效果图

在下位机和传感器节点能够正常工作后，需要进行手机APP的测试。安装附件中的手机APP软件，打开安装后的文件，此时可观察到手机APP能够正常从云端读取到传感器数据，如图3.5所示。

图3.5 手机APP正常启动效果图

3.3 连接PC上位机
在测试完手机APP的功能后，需要对PC上位机的功能进行测试。
首先安装LABVIEW 2013软件和VISA 540工具，通过LABVIEW软件运行附件中的PC上位机程序，此时可观察到图3.5的PC上位机界面。插入ZigBee Sink节点模块，在PC软件中选择模块的串口号，并将波特率调整为115200，点击“打开连接”按钮，此时PC上位机的界面能够正常显示下位机发送的传感器数据。