基于nRF2401智能无线火灾监控系统设计

火灾监控系统关系到建筑物内人们生命财产安全，在整个智能建筑中，火灾监控系统起着相当重要的作用. 传统火灾监控系统无法满足及时报警的要求.问题主要集中在两个方面:首先,当建筑物中发生火灾时,传统的火灾监控系统容易因为线路损坏而失去效用,在传统火灾监控系统中大量使用的有线通信电缆,极易造成火势的蔓延,加剧灾情;其次,传统的火灾监控系统中探测器分布有限,直接导致火灾检测的可靠性差,容易出现误报情况,并且无法对整个建筑物进行系统和全面地探测。本文设计了基于nRF2401智能无线火灾监控系统设计，该系统可以对建筑物目标区域进行有效的监控，而且监测节点体积小，无需布线，移动、安装和检修方便。

　　系统概述

　　监控系统由数据采集控制节点和监控终端组成.在本文中监控系统采用了星型拓扑结构，由一个与计算机相连的无线通信模块作为系统的监控终端，可以跟监控系统中的任何一个数据采集控制节点通信。数据采集控制节点按照一定的规则分布在建筑物的各个房间或走廊内，负责数据的采集、处理和传输，并且对监控终端发来的数据、命令进行分析处理，完成相应的操作。系统结构框图如图1所示。

　　图1 系统结构框图

　　该火灾监控系统采用了星型拓扑结构，采用这种拓扑结构能够很好地扩展组合，容易增加系统中节点，满足在建筑物中节点分布的不确定性，可以在建筑物中房间、隔离处放置节点，避免无线干扰和监控区域不确定性的问题。监控终端与数据采集控制节点直接相连,每隔一段时间向数据采集控制节点采集数据,然后进行数据融合, 分析是否发出火灾报警信号。在一定程度上降低监控系统的误报，提高无线火灾监控系统的可靠性。若有火灾发生则发出报警,同时给数据采集控制节点发出控制指令,启动灭火设施。

　　系统硬件

　　无线数据传输模块nRF2401

　　nRF2401是挪威 Nordic公司的单片2.4GHz无线收发一体芯片。它将射频、8051MCU、9通道12位ADC、外围元件、电感和滤波器全部集成到单芯片中，并采用2.4GHz频带和0.18μm工艺，可提供ShockBurst(瘁发)、 DuoCeiver、片上CRC以及地址计算编码等功能。nRF2401支持多点间通信，最高传输速率超过1Mbit/S，比蓝牙具有更高的传输速度。它采用SoC方法设计，只需少量外围元件便可组成射频收发电路。与蓝牙不同的是, nRF2401没有复杂的通信协议,它完全对用户透明,同种产品之间可以自由通信。更重要的是，nRF2401比蓝牙产品更便宜。所以nRF2401是业界体积最小、功耗最少、外围元件最少的低成本射频系统级芯片。

　　数据采集控制节点

　　数据采集控制节点作为监控系统的终端部分，在本设计中被设计成模块，这些模块直接与传感器和被控灭火设备相连来完成火灾报警和控制等功能。通过无线的方式与监控终端相连，接收监控终端发给自己的信息，并把自己的信息发送给监控终端。数据采集控制节点的电路包括传感器的输入接口,输出控制接口,电源接口和无线通信芯片的接口等，其电路原理图如图2所示。

　　图2 数据采集控制节点电路原理图

　　数据采集控制节点的电路主要包括传感器的输入接口,输出控制接口,电源接口和无线通信芯片nRF2401的接口等。数据采集控制节点通过无线通信芯片nRF2401和监控终端进行通信，数据采集控制节点的无线通信接口由配置选通线(CS、CE、PWR_UP)，通道1(DATA1、CLK1、DR1)和通道2(DOUT2、CLK2、DR2)三部分组成。CS、CE和PWR_UP负责无线通信芯片nRF2401工作模式的配置，nRF2401工作模式有四种：收发模式、配置模式、空闲模式和关机模式。通道1(DATA1、CLK1、DR1)和通道2(DOUT2、CLK2、DR2)是无线通信芯片nRF2401和单片机AT89C2051之间的数据通道，本设计选用通道1(DATA1、CLK1、DR1)作为无线通信芯片nRF2401和单片机AT89C2051之间的数据通道。CLK1是单片机AT89C2051向无线通信芯片nRF2401的时钟输出线，DR1是无线通信芯片nRF2401向单片机AT89C2051发送的中断信号接口，当无线通信芯片nRF2401有数据准备向单片机AT89C2051发送时，DR1产生高电平，则三极管N2导通，单片机AT89C2051引脚P3.3变为低电平，产生中断，单片机AT89C51置接收模式，无线通信芯片nRF2401通过DATA1向单片机AT89C2051发送数据。

　　控制输出采用四路继电器输出，为了防止干扰，采用光电隔离器将输入与输出相互隔离,也将输入和输出端与单片机AT89C2051隔开。无线网络节点的单片机通过光电隔离器和继电器控制输出， 其中P1.X是单片机AT89C2051引脚P1.4、P1.5、P1.6和P1.7，当P1.X置低时，光电隔离器导通，继电器线圈导通，则继电器触点动作，完成控制动作。

　　采集数据处理

　　采样数据处理使用融合算法,将数据采集控制节点发送来的信息用多传感器融合原理进行处理(u=+1为发生火灾,u=-1为未发生火灾):



　　式中ui是接收到数据采集控制节点的数据;

　　a0=log(P1/P0);当ui=+1时，ai=PDi /PFi ;当ui=-1时ai=1-PDi /1-PFi。

　　根据现场和火源由专家经验或现场实验等赋予各传感器以不同的检出概率PD和虚警概率Pf以及P1和P0,在单片机内部按照上述算法得u=1或者u=0,从而得出正确判断.