基于ZigBee技术的无线智能家用燃气报警系统

安全防范的报警系统是确保住宅、住户安全的极为重要的途径之一，同时也是数字化家庭的重要组成部分。
遇到煤气泄漏等紧急情况时，及时对外报警求助就显得十分必要，成为人们生活中必不可少的部分。
本文设计的基于ZigBee技术的无线智能家用燃气报警系统是以CC2430为核心，与电话机网络、语音电路及可燃性气体传感器相结合，通过无线节点的布网，实时监测家用燃气气体浓度来检测是否有可燃性气体泄漏，如果有泄漏并超过安全的范围，通过ZigBee终端节点把数据传到中心协调器，通过微控制器控制电话机模块和语音模块拨打求助电话，通知家人有安全隐患，并且同时将报警信号发送给小区的监控中心。

1 系统构成
本智能监测系统主要是由ZigBee无线模块、电话机模块、语音模块、数据采集模块，以及LCD显示模块组成。整个系统围绕zigBee模块组网，在整个小区内组建成网状网络。系统工作时，终端的ZigBee节点采用半功能的ZigBee节点设备，主要完成燃气气体浓度的采集及数据的发送。终端节点把数据发送给中间路由或直接发送给中央协调器，协调器会处理诊断传来的数据，如果达到了预先设定好的浓度报警阈值，就会驱动电话网络中的电话机模块拨打预先设定好的电话号码，通过模拟摘挂机的方式驱动语音模块拨打设定好的电话号码，如果电话占线或无人接听还可拨打下一个电话号码，这样连续循环拨打，直到对方摘机。如果对方摘机就会听到预先编录好的语音模块播放的相应的语音。在拨打电话号码的同时，中央处理器也会驱动蜂鸣器报警，如果有人在家的情况下，还可以直接通过按键解除报警，直接看到LCD上的数据显示结果，进而直接采取相应措施。系统总体框图如图1所示。

2 系统的硬件设计与实现
该系统主要由无线模块、电源模块、数据采集模块、电话机模块、显示模块、蜂鸣报警、语音模块等部分组成。
2．1 无线数据传输模块
ZigBee技术是一种应用于短距离、低速率下的网络拓扑技术，是基于IEEE 802．15.4无线标准研制开发的。在PHY层，其频段是免费开放的，国内主要应用于2．4 GHz频段，传输距离大约100 m，传输速率大约是250 Kb／s，各个频段均采用直接序列扩频技术。为了避免其他无线通信干扰，采用碰撞避免机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突。ZigBee提供了数据完整性检查功能，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为内核的ZigBee模块，CC2430集成了RF射频模块与加强型的51模块。CC2430有低功耗模式，在没有数据发送的时候，前端节点进入休眠状态，此时的耗电量仅为几十微瓦。有中断挂起时能够很快地传输数据。针对小区的智能安防建设，采用mesh状的拓扑结构，拓扑结构模型如图2所示。Mesh拓扑结构具有自愈能力，安全性和可靠性高，其中的一个节点发生故障时不会影响整个系统工作。可以通过其他冗余路由传输给中心协调器(基站)，从而能够使中心协调器有效地发送控制命令。

2．2 电源模块
电源模块主要是由TPS79533低压稳压器输出3．3 V电压，其输入电压范围是2．7～5．5 V，并具有较高的电源抑制比、超低噪声、较好的电压线性和负载瞬态效应以及较小的电压漂移。其具体电路如图3所示。

此电源模块采用5 V直流电源直接供电，通过稳压器稳压到3．3 V，也可以通过USB供电，如果作为前端节点或者受到环境因素影响，在没有方便的电气设备情况下，也可以采用3节干电池供电，在3种电源同时存在的情况下，电路会直接以最高电压输入为电源，其他则被屏蔽。此电路融合了3种电源的应用，节点在任何场合随意放置。通过TPS79533转换3．3V工作电压：在输入和GND之间增加上O.1μF和47μF并联的旁路电容，47μF的电容可稳定输出，使输入电平更加平滑。0.1μF的小电容与GND相连，对高频信号提供了一个对地通路。这样，通过O.1 μF和47μF两只电容的并联作为旁路电容可以获得更大的滤波频段，增强稳定性，提高噪声和纹波抑制。同样，在输出和GND之间也要增加同样的并联电容，使输出更稳定，并且可以获得稳定纯净的电压输出。由于稳压器的内部参考电压的噪声是稳压器本身噪声的主要来源。TPS79 533的PASS引脚通过一个250 kΩ电阻连接到参考电压上。这样内部250 kΩ的电阻连同外部连接的O．01 μF的电容构成一个低通滤波器来减少参考电压的噪声和输出噪声。
2．3 数据采集模块
采用催化燃烧式气体传感器TGS6812，TGS6812适用于检测氢气、甲烷和液化石油气等可燃性气体，传感器精度高、持久耐用、稳定可靠、响应快速和线性输出的良好特性。所以TGS6812是检测家用燃气的良好解决方案，其内部大致结构框图如图4所示。