基于nRF401芯片的多路消防栓無水監測系統設計

?消防給水系統是火災控制重要設備，它能否正常發揮作用關系著人們的生命財產安全。但在實際應用中，常出現消防栓被遮掩、水壓低等情況，更嚴重的是閥門誤操作或管道漏水造成消防栓無水。一旦發生火災，打開消防栓龍頭無水，消防人員和群眾無法及時撲滅火災，會使火災嚴重程度升級，造成生命財產重大損失。為此，不但要建設一個完善的消防給水系統，更重要是要確保該系統的正常運行，有一個正常的給水壓力。針對這種情況，本文設計介紹一種消防給水系統水壓是否正常的檢測系統，用于檢測消防給水系統水壓是否正常，并給出顯示和報警。

1 系統組成

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

??? 上位機由PC機構成，位于整個系統的最上層，主要負責控制和管理整個系統中的所有通信及對收集到的各個模塊的數據進行處理。

??? 通信處理模塊由控制W77E58單片機構成。一方面通過RS 232接口總線與上位機通信；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。

??? 單片機消防栓信息采集模塊，用單片機AT89S51實現對消防栓信息采集和對無線通信芯片nRF401收發功能的控制。

2 系統的硬件設計

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。

??? W77E58單片機內含兩個增強型串口和32 KB大容量FLASH存儲器。指令集與51系列單片機完全兼容，非常適合在智能化監控系統中使用。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動片內振蕩器、一個連接到復位腳的電阻、電容。使用片內上電復位電路，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機相連，串口1則負責連接無線通信芯片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，系統可通過編程將其設置為系統監控器，時基發生器或事件定時器。因為單片機的信號電平符合TTL／CMOS標準，PC機的串口典型的RS 232信號在正負電平之間擺動，因此需要MAX202芯片實現電平的轉換。

??? nRF401無線通信芯片是Nordic公司生產，該芯片使用了433 MHz IGM頻段，集成了高頻發射、高頻接收、PLL合成、FSK調制、FSK解調、多頻道切換等功能，具有性能優異、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送模式和接收模式之間切換，無需進行任何初始化設置。nRF401通過單片機串口直接與MCU通信，無需對數據進行曼徹斯特編碼。

??? 在nRF40l與W77E58單片機接口中。nRF401電路的工作模式由19腳TXEN控制，19腳為高電平時發送數據、為低電平時接收數據。發送時，信號從單片機串口TXD(P1．3)輸送給nRF401的9腳DIN端口的二進制串行數據被調制后通過天線發射出去；接收時，信號從天線接收轉換為二進制串行數后，通過10腳DOUT輸送給單片機串口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；為低電平時，處于待機狀態。

2．2 單片機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接口讀取外部設備的消防栓信息，另一方面通過無線通信芯片nRF401響應主控機發送的查詢請求，回送當前消防栓信息。消防栓信息采集模塊由從控AT89S51單片機、水壓采集部分、A／D轉換電路、無線收發電路等組成。

??? 水壓采集和轉換部分是將壓力信號轉換為單片機能夠處理的數字信號，由CYGl512型傳感器和模數轉換ADC0832組成。CYG512的壓力敏感元件采用當代最先進的MEMS技術設計與制造。三維集成、雙面加工的硅壓阻壓力敏感元件具有優秀的線性精度。離子注入、精細光刻技術制作的惠斯頓應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使得硅薄膜力敏結構具有很高靈敏度、優良的穩定性、優良的動態性能的同時具有超薄的厚度。它綜合力敏結構與襯底加固結構的總厚度僅為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系列產品和信號放大調理部分分體裝在一個與電線相連的儀表小盒內，它可以提供O～5 V的輸出、方便與ADC0832接口。CYG512的標準量程在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位逐次逼近式模數轉換器，其轉換時間為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。當單片機的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個脈沖完成轉換過程，轉換后的8位數據就從P1．O口讀入到單片機中。

??? 狀態指示部分是一個發光二極管，指示系統工作狀態。滅狀態表示水管水壓正常，當發光二極管亮時表明水管沒水，當二極管閃爍時表明水管水壓偏低。

3 系統的軟件設計

??? 系統的軟件設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計。

??? 通信處理模塊的軟件設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，軟件設計首先要保證能夠識別噪聲和有效數據，通信協議的設計就顯得十分重要。設計中采用如下通信協議：

??? (1)數據發送使用查詢方式，接收使用中斷方式。

??? (2)數據幀包含幀首、幀尾、地址、數據及校驗部分，數據幀的格式如圖4所示。幀首采用雙字節0x55和0xAA，幀尾使用0x01結束；地址是用雙字節地址，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；數據部分為一個字節；地址部分和數據部分使用16進制ASCII送；幀的校驗部分使用CRC4校驗。

??? (3)接收方檢測到連續的0x550xAA字節，表示接收到有效的數據幀，如果幀校驗通過，接收方根據命令請求后發送相應數據，若該幀結構非法，則丟棄該幀，不做任何處理。

??? (4)發送方在發送查詢請求后，將啟動監控定時器并等待接收應答，如果在規定的時間內沒有收到相應的數據應答，發送方將重新發送請求，并進行錯誤計數，以免數據丟失。如果錯誤計數達到一定值，發送方停止發送請求，進入錯誤處理。

??? 消防栓信息采集模塊軟件設計，當從機收到自己的地址并向主機應答后，轉為接收模式。如隨后一段時間內再沒有收到主機的查詢信號，則認為主機已經正確接收到該從機發送回的應答信號，完成一次正確通信，從機轉為接收模式。消防栓信息采集模塊部分流程圖如圖5所示。

4 結 語

??? 本系統充分考慮了環境對通信的干擾，在調試中發送數據時，應首先嘗試不斷發送0X55AA，以檢驗數據收發的誤碼率，如果誤碼率校大，應對電路進行重新設計。由于采用無線通信芯片nRF401，進行多點數據采集十分方便、快捷。尤其適合對廠房、倉庫等復雜場所控制。