基于nRF401芯片的多路消防栓無水監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

?消防給水系統(tǒng)是火災(zāi)控制重要設(shè)備，它能否正常發(fā)揮作用關(guān)系著人們的生命財產(chǎn)安全。但在實際應(yīng)用中，常出現(xiàn)消防栓被遮掩、水壓低等情況，更嚴(yán)重的是閥門誤操作或管道漏水造成消防栓無水。一旦發(fā)生火災(zāi)，打開消防栓龍頭無水，消防人員和群眾無法及時撲滅火災(zāi)，會使火災(zāi)嚴(yán)重程度升級，造成生命財產(chǎn)重大損失。為此，不但要建設(shè)一個完善的消防給水系統(tǒng)，更重要是要確保該系統(tǒng)的正常運行，有一個正常的給水壓力。針對這種情況，本文設(shè)計介紹一種消防給水系統(tǒng)水壓是否正常的檢測系統(tǒng)，用于檢測消防給水系統(tǒng)水壓是否正常，并給出顯示和報警。

1 系統(tǒng)組成

??? 該系統(tǒng)由微機(jī)、通信處理模塊、單片機(jī)消防栓信息采集模塊等三大部分組成。系統(tǒng)的組成如圖1所示。

??? 上位機(jī)由PC機(jī)構(gòu)成，位于整個系統(tǒng)的最上層，主要負(fù)責(zé)控制和管理整個系統(tǒng)中的所有通信及對收集到的各個模塊的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

??? 通信處理模塊由控制W77E58單片機(jī)構(gòu)成。一方面通過RS 232接口總線與上位機(jī)通信；另一方面利用無線通信芯片nRF401與消防栓信息采集模塊通信。

??? 單片機(jī)消防栓信息采集模塊，用單片機(jī)AT89S51實現(xiàn)對消防栓信息采集和對無線通信芯片nRF401收發(fā)功能的控制。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

2．1 通信處理模塊

??? 通信處理模塊電路如圖2所示。該模塊由于要使用兩個串口分別對上層和下層通信，因此主控制器使用華邦公司的W77E58單片機(jī)。

??? W77E58單片機(jī)內(nèi)含兩個增強(qiáng)型串口和32 KB大容量FLASH存儲器。指令集與51系列單片機(jī)完全兼容，非常適合在智能化監(jiān)控系統(tǒng)中使用。W77E58的連線非常方便。電路所需要的外部元件僅僅是一個晶振加兩個電容驅(qū)動片內(nèi)振蕩器、一個連接到復(fù)位腳的電阻、電容。使用片內(nèi)上電復(fù)位電路，XTAL1，XTAL2是參考振蕩器端，晶振頻率為11．059 MHz。其中串口0通過RS 232總線接口與PC機(jī)相連，串口1則負(fù)責(zé)連接無線通信芯片nRF401。W77E58自帶有看門狗定時器，此定時器是一個獨立于CPU自行運行的定時器，系統(tǒng)可通過編程將其設(shè)置為系統(tǒng)監(jiān)控器，時基發(fā)生器或事件定時器。因為單片機(jī)的信號電平符合TTL／CMOS標(biāo)準(zhǔn)，PC機(jī)的串口典型的RS 232信號在正負(fù)電平之間擺動，因此需要MAX202芯片實現(xiàn)電平的轉(zhuǎn)換。

??? nRF401無線通信芯片是Nordic公司生產(chǎn)，該芯片使用了433 MHz IGM頻段，集成了高頻發(fā)射、高頻接收、PLL合成、FSK調(diào)制、FSK解調(diào)、多頻道切換等功能，具有性能優(yōu)異、功耗低、使用方便等特點。通過其外部引腳，可以使芯片隨時在發(fā)送模式和接收模式之間切換，無需進(jìn)行任何初始化設(shè)置。nRF401通過單片機(jī)串口直接與MCU通信，無需對數(shù)據(jù)進(jìn)行曼徹斯特編碼。

??? 在nRF40l與W77E58單片機(jī)接口中。nRF401電路的工作模式由19腳TXEN控制，19腳為高電平時發(fā)送數(shù)據(jù)、為低電平時接收數(shù)據(jù)。發(fā)送時，信號從單片機(jī)串口TXD(P1．3)輸送給nRF401的9腳DIN端口的二進(jìn)制串行數(shù)據(jù)被調(diào)制后通過天線發(fā)射出去；接收時，信號從天線接收轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制串行數(shù)后，通過10腳DOUT輸送給單片機(jī)串口RXD(P1．2)。該芯片12腳CS=0工作于433．92 MHz頻段，CS=1工作頻段為434．33 MHz。18腳PWR_UP低功耗控制，為高電平時，處于工作狀態(tài)；為低電平時，處于待機(jī)狀態(tài)。

2．2 單片機(jī)消防栓信息采集模塊

??? 消防栓信息采集模塊如圖3所示。需要完成兩個方面的工作，一方面通過I／O接口讀取外部設(shè)備的消防栓信息，另一方面通過無線通信芯片nRF401響應(yīng)主控機(jī)發(fā)送的查詢請求，回送當(dāng)前消防栓信息。消防栓信息采集模塊由從控AT89S51單片機(jī)、水壓采集部分、A／D轉(zhuǎn)換電路、無線收發(fā)電路等組成。

??? 水壓采集和轉(zhuǎn)換部分是將壓力信號轉(zhuǎn)換為單片機(jī)能夠處理的數(shù)字信號，由CYGl512型傳感器和模數(shù)轉(zhuǎn)換ADC0832組成。CYG512的壓力敏感元件采用當(dāng)代最先進(jìn)的MEMS技術(shù)設(shè)計與制造。三維集成、雙面加工的硅壓阻壓力敏感元件具有優(yōu)秀的線性精度。離子注入、精細(xì)光刻技術(shù)制作的惠斯頓應(yīng)變電橋的高度一致性使其具有很小的溫度漂移。采用硅硅直接鍵合技術(shù)使得硅薄膜力敏結(jié)構(gòu)具有很高靈敏度、優(yōu)良的穩(wěn)定性、優(yōu)良的動態(tài)性能的同時具有超薄的厚度。它綜合力敏結(jié)構(gòu)與襯底加固結(jié)構(gòu)的總厚度僅為O．6 mm，更有利于獲得更薄最終尺寸的薄形傳感器。CYGl512傳感器，是將CYG512系列產(chǎn)品和信號放大調(diào)理部分分體裝在一個與電線相連的儀表小盒內(nèi)，它可以提供O～5 V的輸出、方便與ADC0832接口。CYG512的標(biāo)準(zhǔn)量程在100 kPa，160 kPa，250 kPa，400 kPa，600 kPa，1 000 kPa，1 600 kPa，2 500 kPa，4 000 kPa。

??? ADC使用ADC0832是帶有串行輸入輸出8位逐次逼近式模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其轉(zhuǎn)換時間為80μs。它的兩個模擬量輸入通道是可編程的，可以由串行輸入口DI的3位控制字指定通道。CYGl512傳感器將壓力信號以電壓信號的形式提供給ADC0832。選擇ADC0832的CHl為單端輸入工作方式，CHO為不工作。所以，由DI端輸入的控制字為“111”，可將DI固定接高電平。當(dāng)單片機(jī)的P1．2口將ADC0832的CS腳置低電平時，CLK的前3個脈沖上升從DI端輸入控制字“111”，接下來的8個脈沖完成轉(zhuǎn)換過程，轉(zhuǎn)換后的8位數(shù)據(jù)就從P1．O口讀入到單片機(jī)中。

??? 狀態(tài)指示部分是一個發(fā)光二極管，指示系統(tǒng)工作狀態(tài)。滅狀態(tài)表示水管水壓正常，當(dāng)發(fā)光二極管亮?xí)r表明水管沒水，當(dāng)二極管閃爍時表明水管水壓偏低。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

??? 系統(tǒng)的軟件設(shè)計其主要部分為通信處理模塊和消防栓信息采集模塊兩大部分的設(shè)計。

??? 通信處理模塊的軟件設(shè)計主要有程序初始化部分、RS 232通信部分和無線通信部分。串口初始化。W77E58的串口O工作在工作方式1，通過RS 232與PC機(jī)通信。串口1工作在工作方式1，控制nRF401通信。兩個串口均使用定時器1控制通信波特率，波特率定為9 600 b/s。

??? 由于無線通信的特殊性，外部干擾使得誤碼率較高。因此，軟件設(shè)計首先要保證能夠識別噪聲和有效數(shù)據(jù)，通信協(xié)議的設(shè)計就顯得十分重要。設(shè)計中采用如下通信協(xié)議：

??? (1)數(shù)據(jù)發(fā)送使用查詢方式，接收使用中斷方式。

??? (2)數(shù)據(jù)幀包含幀首、幀尾、地址、數(shù)據(jù)及校驗部分，數(shù)據(jù)幀的格式如圖4所示。幀首采用雙字節(jié)0x55和0xAA，幀尾使用0x01結(jié)束；地址是用雙字節(jié)地址，共16b，地址分配上，各個電流采集模塊地址不相連，使其保持一定的容錯性；數(shù)據(jù)部分為一個字節(jié)；地址部分和數(shù)據(jù)部分使用16進(jìn)制ASCII送；幀的校驗部分使用CRC4校驗。

??? (3)接收方檢測到連續(xù)的0x550xAA字節(jié)，表示接收到有效的數(shù)據(jù)幀，如果幀校驗通過，接收方根據(jù)命令請求后發(fā)送相應(yīng)數(shù)據(jù)，若該幀結(jié)構(gòu)非法，則丟棄該幀，不做任何處理。

??? (4)發(fā)送方在發(fā)送查詢請求后，將啟動監(jiān)控定時器并等待接收應(yīng)答，如果在規(guī)定的時間內(nèi)沒有收到相應(yīng)的數(shù)據(jù)應(yīng)答，發(fā)送方將重新發(fā)送請求，并進(jìn)行錯誤計數(shù)，以免數(shù)據(jù)丟失。如果錯誤計數(shù)達(dá)到一定值，發(fā)送方停止發(fā)送請求，進(jìn)入錯誤處理。

??? 消防栓信息采集模塊軟件設(shè)計，當(dāng)從機(jī)收到自己的地址并向主機(jī)應(yīng)答后，轉(zhuǎn)為接收模式。如隨后一段時間內(nèi)再沒有收到主機(jī)的查詢信號，則認(rèn)為主機(jī)已經(jīng)正確接收到該從機(jī)發(fā)送回的應(yīng)答信號，完成一次正確通信，從機(jī)轉(zhuǎn)為接收模式。消防栓信息采集模塊部分流程圖如圖5所示。

4 結(jié) 語

??? 本系統(tǒng)充分考慮了環(huán)境對通信的干擾，在調(diào)試中發(fā)送數(shù)據(jù)時，應(yīng)首先嘗試不斷發(fā)送0X55AA，以檢驗數(shù)據(jù)收發(fā)的誤碼率，如果誤碼率校大，應(yīng)對電路進(jìn)行重新設(shè)計。由于采用無線通信芯片nRF401，進(jìn)行多點數(shù)據(jù)采集十分方便、快捷。尤其適合對廠房、倉庫等復(fù)雜場所控制。