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。
2．3 數據采集模塊
采用催化燃燒式氣體傳感器TGS6812，TGS6812適用于檢測氫氣、甲烷和液化石油氣等可燃性氣體，傳感器精度高、持久耐用、穩定可靠、響應快速和線性輸出的良好特性。所以TGS6812是檢測家用燃氣的良好解決方案，其內部大致結構框圖如圖4所示。
TGS6812由易燃氣體敏感的元件D和對易燃氣體不敏感的基準元件C組成。當可燃氣體存在時，將在D檢測元件上燃燒，造成溫度上升，D元件的電阻將會增加，從而使輸出電壓相應被改變。測量這個電壓值，通過計算可以求得可燃氣體的濃度。當在空氣中時，受到環境溫度的影響，傳感器也會有零點輸出，所以應用LM158設計差動增益可調的放大電路來抑制零點漂移，具體設計電路如圖5所示。
通過調節變位器R4，使后面由以LM158構成的差動放大電路的差動輸入為0，可以減少環境沮度造成的誤差，進一步對溫度影響進行補償。通過調節電位器R11可以使輸出穩定在0～3 V，便于進行轉化成標準的濃度計算。
2．4 電話機模塊
本系統采用某電子公司的電話芯片設計的電話機模塊，模塊上集成了51內核的處理器，擁有獨立的電話接口，具備DTMF信號檢測功能，振鈴檢測功能，信號音檢測功能，可以通過繼電器的釋放與否來模擬電話的摘掛機。模塊內部固化了完整的串口協議指令，例如撥打電話號碼，中心協調器可以通過串口直接發送“ATD+110+enter”，如果撥打成功，電話機模塊會通過串口反饋給協調器“OK”，否則反饋“ERR-OR”。這種協議可以方便中心協調器通過串口發送協議指令控制電話機模塊，從而撥打電話報警，減少系統的復雜性。
2．5 語音模塊
語音模塊采用ISD1110語音芯片，其單片錄放時間10 s，并具有唯一的錄音控制和邊緣／電平觸發兩種放音控制，大大提高控制的靈活性。在錄放操作結束后，ISD1110自動進入低功耗節電模式，其片內有EEPROM單元信息可在無需后備電源的情況下保存錄好的語音信息。
3 系統軟件設計
本系統的軟件設計部分主要是由以CC2430為核心的MCU的中心協調器組建mesh網絡部分、數據處理診斷部分和電話語音報警部分構成。
3．1 系統主程序
主程序流程圖如圖6所示。
主程序流程主要是MCU進行數據初始化，啟動stack組建網絡，當網絡組建成功后等待其他節點加入網絡。如果沒有事件觸發，系統則進入休眠省電狀態；如果有觸發事件發生，則進一步判斷是否是數據接收事件。如果不是數據觸發事件，則進入相應的中斷程序進行處理；如果是數據接收事件觸發，則進行數據處理診斷，轉化成標準的氣體濃度，然后通過LCD顯示模塊顯示出來。判斷是否達到濃度的預警值，如果達到預警值，則啟動語音模塊報警。報警結束后繼續進入等待事件狀態。
3．2 組建網絡流程
組建網絡的流程圖主要是系統設置初始化，通過按鍵來設置設備的邏輯類型，然后進行系統復位，復位后啟動協議棧，判斷協議棧是否啟動成功，如果啟動失敗，觸發START_EVT事件繼續啟動協議棧，直到協議棧啟動成功，然后把協調器設置成允許其他節點自動加入網絡，則建網成功。具體建網流程圖如圖7所示。
3．3 語音報警流程
報警電路流程首先是系統的初始化，循環計數清0，開始進入監測狀態，當濃度達到報警值時，開始模擬摘機，然后判斷是否是撥號音，如果不是則繼續模擬摘機，是撥號音則開始撥預置的電話號碼，撥號循環計數加1，進行延時等待2 s，判斷是否有回鈴音，沒有回鈴音繼續等待，有則進一步判斷對方是否摘機，沒摘機則繼續等待，當等待時問超過1 min時，剛判斷預置電話號碼是否播完，如果沒有播完則進行撥打下一個電話號碼。對方摘機成功則啟動語音模塊播放錄音，然后掛機。具體流程如圖8所示。
4 實驗過程中的關鍵點分析
首先，在選擇組網過程中，mesh網絡功能強大健壯且具有自修復能力，但這是以增加更多冗余路由為代價的，會增大網絡的能量消耗以及成本，所以在組建網絡的同時，要折衷處理網絡成本和網絡健壯性。再次，zigBee的功率超低，這對于無線電系統來說是一大優點，因此必須能夠對整個系統進行低功耗設計。為了充分優化電源的使用和電池壽命，有必要投入大量的時間去優化功耗，同時應當處理對數據反應時間與電池的壽命進行折衷。最后，為了驗證設備的互操作性，往往需要購買ZigBee開發公司不同的產品。在開發期間利用另外一臺經過認證的ZigBee系統進行互操作，能夠有助于把產品的性能及兼容性做最好的優化。
5 結束語
該系統設計的家用燃氣報警系統采用CC2430作為控制器，其內部集成了RF射頻、加強型51單片機、A／D轉換等，使得系統的整體設計體積小、外圍電路簡單、降低系統功耗、抗干擾能力強。該系統不僅可以應用于家庭報警，而且易于拓展成智能小區監測平臺，有很廣闊的市場應用前景。