带IP节点的离子感烟探测器

带IP节点的离子感烟探测器 带IP节点的离子感烟探测器 2006正 第2期 仪表技术与传感器 InstrumentTechniqueandSensor 20o6 No.2 带IP节点的离子感烟探测器 陈彦,徐平,张伟,张杰 (1.北京航空航天大学理学院,北京100083;2.山东信息职业技术学院电子系,山东潍坊2611kl1) 摘要:给出了含有IP节点的离子感烟探测器的硬件结构,原理和软件设计方法.该探测器以89C52单片机为核心. 由MC14467荻取离子感烟传感器镅241(Am~)的烟雾报警信号;并通过移植uIP0.9协议栈,实现了探测器的Internet 网络接入功能.该探测器既可以独立运行,又可以通过IP节点实现联网,且允许用户异地访问,具有较大的灵活性. 关键词:离子感烟探测器;单片机;联网 中图分类号:TP393;TP273文献标识码:A文章编号:1002—1841(2006)02一OOO9—02 IonSensingSmokeDetectorContainingUPNode CHENYan,XUPing,ZHANGWei2,ZItANGJid (1.SchoolofScience,BejllangUniversity,Bering100083,Chhla; 2?DepartmentofElectronicEngineering,ShandongCollegeofInformationTechnology,W eifang261041,China) Abstract:Introducedthehardwarecircuits,theoryandsoftwaremethodofIonSensingSmok eDeteclor.89C52MCUisitscore.The smokesidetectedbyCanobtainbyMC14467.TheIPnodeisrealizedth~ou#transplanteduIP 0.9protocolstack.Thedetector canrunindependently,alsoitCanformnetworkviaIPnode,anditallowsuserobtaininformati onthroughintemetindifferentplace. Keywords:ionsensingsmokedetector;mCU;formnetwork 0引言 目前,有些火灾报警系统采用了以太网技术,但其应用一 般只局限于控制器级或系统级的联网,而探测器之间一般无法 直接实现互联互通,更无法将探测器直接接入interact.尤其对 于许多家庭安装的探测器,由于缺少高一级的控制器而仅能实 现单个孤立点的探测报警. 目前,越来越多的高端用户对家用火灾探测器也逐渐提出 了Intemet联网通讯的要求,以便在异地通过Intemet就可以了 解家中的情况,更快捷地实现火灾报警/消防联动控制. 1离子感烟传感器的工作原理 离子式感烟传感器由一个放射源(Am),外置的采样室和 内置的离子参考样本室组成,如图1(8).利用镅241()连 续发射强a射线,使空气中的物质一部分变成带正电的离子, 另一部分变成带负电的离子.带正电的离子和带负电的离子 在电场的作用下形成了一个电场,如图1(b).如果每s进入电 离室的辐射粒子数目为?,则电离室中产生的平均电流i的大 小可用下式表示: i=e 式中:S为电离化值;f为辐射粒子在电离室中的平均路程;P 为电离室的充气气压;e为一个电子的电荷数量,e=1.6×10. C. 在无烟或无燃烧物时,收集极除受电离电流统计涨落影响 外,保持平衡电位.当烟雾进入采样室后与带电的离子结合, 带电离子数量的减少使电场电压产生了变化,烟雾越多越浓电 压变化就越大.当烟进入电离室时对电离电流产生影响,易于 收稿日期,'2004—11—21收修改稿日期:2005—10—15 进烟的外电离室受影响大于内电离室,电离电流下降,收集极 重新充电直到新的平衡电位,这种电位变化可触发报警电路. l Am24' (a)单源双室结构(b)单极性电离室 图I工作原理 2离子感烟探测器的硬件结构 图2是带有IP节点的离子感烟探测器结构框图.主要由 89C52单片机,以太网控制器RTL8019AS,~M31256,64KBE. PROM程序存储器,以太网接口RJ45等组成. 感 旦坠卜H翌15———T—一 13—仁 l2卤ILl4589C52 98 ll 面函 ..L : 图2探测器原理框图 2.1离子感烟检测电路 烟雾检测芯片MC14467为大规模CMOS电路构造,如图2 所示,只需外接一个离子源和用于安装离子源的离子室及少量 的外部元件,即可完成烟雾探测,报警的功能.内含振荡器,定 时器,锁存器,报警控制逻辑电路和高输入阻抗的比较器,电阻 网络等.没有检测到烟雾时,MC14467的内部振荡器振荡周期 为1.678.每个周期内,内部的电源都提供给整个芯片工作.除 了欠压告警和有烟雾报警期问,它都不停地检测有无烟雾. 10InstrumentTechniqueandSensorFeb.20o6 当MC14467一旦检测到有烟雾时,振荡器的振荡周期变为 4o鹏,压电蜂鸣器振荡驱动电路启动,启动使能输出为维持高 电平160舳后,停止80ms.在烟雾报警过程中,将禁止欠压报 警,同时通过5脚向89C52发出报警信号.烟雾探测的灵敏度 和欠压告警值可通过外接电阻来设置,它们共用一个电阻分压 网络,通过3脚将一电阻接到Voo可设置电池欠压告警电压值, 通过13脚将一电阻接至Vss可设置灵敏度级别. 2.2以太网通信电路 以太网接口以RTIB019AS为核心进行没.该芯片与 NF_P_000兼容,具有PNP功能,可以对集成的10BaseT收发器进 行自动检测.与89C52通过总线进行连接,采用8/16位数据总 线模式;内置16KB的SRAM,用于收发缓冲,全双工,收发同时 达到10Mbit/s. 2.3存储器 系统中使用铁电体存储器FM31256的RAM区保存各种事 件记录.每一事件记录包括事件类型和发生时间,时间从 FM31256的实时时钟(RTC)中读取.TCP/IP协议栈程序和火灾 报警控制软件均存放在EPROM存储器中. 3离子感烟探测器软件设计 3.1火灾报警处理 当MC14467监测到烟雾颗粒浓度超过设定的闽值,立即产 生向89C52发出报警信号.CPU检测到请求,进入报警处理子 程序.并从FM31256的实时时钟(RTC)获取报警It,fI司,产生报 警记录,发出报警信号并存人FM31256记录区. 3.2ll删.9协议栈 ulP0.9是一个适用于8/16位单片机的小型嵌入式TCP/IP 协议栈,实现了极小的代码空间占用和执行时间消耗.只需要 根据应用要求作一定程度的修改,将其移植到实际的嵌入式系 统中即可,简单易用,占用资源少,它去掉了许多全功能协议栈 中不常用的功能,而保留网络通信所必要的协议机制.其设计 重点放在IP,ICMP,TCP和ARP协议的实现上,将这4个模块合 为一个有机的整体,而将UDP协议实现作为可选模块.ulP0.9 的体系结构如图3所示. ulP0.9处于网络通信的中间层,其上层协议被称之为应用 程序,而下层硬件或固件被称之为网络设备驱动.ulP0.9并不 是仅仅针对以太网设计的,它具有媒体无关性.为r节省资源 占用,简化应用接口,ulP0.9在内部实现作了特殊的处理. (1)实现ARP地址解析协议时,为了节省存储器空间,ARP 应答包直接覆盖ARP请求包. (2)基于单一全局数组的收发数据缓冲区,不支持内存动 态分配,由应用层负责处理收发的数据. (3)实现网络协议时对原协议进行了极大的简化,没有 采用分片和分组. (4)应用程序主动参与部分协议栈功能的实现(如TCP的 重发机制,数据包分段和流量控制),由ulP内核设置重发事件, 应用程序霞新生成数据提交发送,免去了大量内部缓存的占 用. 应用层 (H帅,Ft:p,…) { ::MP【lrcvllUDFI P协 3 网络设备驱动 (Ethernet,SLIP....) 图3uIP0,9的体系结构 为了将应用程序挂接到ulP中,必须将宏UIP—APPCAIL() 定义成实际的应用程序函数名.这样,每当某个ulP事件发生 时,内核就会调用陔应用程序进行处理.为了加入应用程序的 状态,必须将宏UIP.APPSTATESIZE定义成应用程序结构体的 长度.在应州程序函数中,依靠ulP事件检测函数决定处理的 方法,另外,可以通过判断当前连接的端口号来区分处理不同 的连接. ulP0.9采用C语言编写,为r移植到单片机中,需要 对程序进行少量的修改,并重新配置内存资源.然后在KeilC 编泽器小模式下进行编译即可. 3.3Web服务器的实现 ull:O.9实现了,I?P/协议栈中的4个基本协议:ARP, TCP,IP,ICMP.地址解析协议ARP完成和MAC的对应,以完 成数据包的物理交付.协议用于确信数据包头文件的正确 性和依据TCP,ICMP区分数据包的类型. ulP协议栈是以函数库的形式提供的,本身不提供底层网 络驱动和上层应用程序.为了实现火灾报警控制系统的要求, 控制器软件中还需要完成基于Http协议的Web服务器. 控制器完成初始化后首先打开80端口的监听,一旦有客 户机要求连上,ulP内部会给它分配一个连接项,接着等收到客 户机IE浏览器发出的"GET"请求后,将所需信息与状态数据队 列中的数据填入网页模板,生成一幅新的网页发给客户机.一 旦用户关闭了浏览器,ulP也会自动检测到这一事件(应用程序 中可以用uipclosed()来检测),并且释放掉这个连接项. 3.4HTrP协议 用用浏览器进行远程访问时,数据是按m邛协议进行 传送的.当客户端浏览器送出}哪请求到服务器,服务器响 应这个请求,把指定的页面送出来,用户才可看到页面. 为了适应客户端标准lE浏览器的需要,控制器的Web页 面均采用}lTl?I格式,允许不同种类的客户端相互通信而不存 在兼容.胜问题. 由于采用Web技术,用户可以使用FrontPage等软件设计浏 览器网页.网络客户机打开WWW浏览器,输入固定的网址或 IP就可进入服务器提供的网页上,利用交互窗口,可浏览网络 中离子感烟探测器的状态. 4结论 以太网技术操作简单,使用灵活,方便,安全性,可靠性高 采用ulP0.9嵌入式TCP/IP协议栈实现Web服务器设计,不仅 (下转第12页) 12ImtmmentTechniqueandSensorFeb.2006 计数频率(计数器所能测得的最高脉冲频率)为2MHz,而系统 中所需测量的最高频率远远超出了计数频率.信号经分频后 远小于单片机的计数频率,这样,单片机就可以对输入信号脉 冲进行精确的计数并得出信号的频率. 1.3输出控制部分 输出控制部分的主要目的是根据单片机的输出信号进行 实时数据传输与远程监控.根据用户的不同需求,采用了双极 性继电器.并通过跳线将继电器初始状态设置为常开或常闭. 同时,为了满足传输距离的不同需求,使用MAX232将1电平 转换成RS232电平进行短距离传输,而用MAX485将兀L电平 转换成RS485电平进行中远距离传输. 系统中还使用了AIM21芯片与单片机通过由软件模拟的 sH通信[4l,将测得的频率值(数字量)转换成4—20mA的电流 环输出(模拟量),进行数据超远距离传输,并可以实现与支持4 20mA电流环的设备之间的通信.传统的基于4一.20mA的 模拟设备还在广泛应用于工业控制等各个领域,因此,这一模 块就显得尤为重要. AD421是高性能,低功耗,多功能单片集成块,其主要功能 有:4,20mA电流环输出;与标准的HART可寻址远程传感器 高速通道的开放通信协议或FSK(频移键控)协议完全兼容;16 位高分辨率数模转换;4-0.O1%整数非线性率;5V或3V电压 输出;1.25v或2.5V参考电压输出;可编程的警报电流能力; 高速串行接口. 2软件设计 对MCU编程的关键是要实现频率的精确测量以及准确的 输出控制.通过测频法实现高频信号测量,由于采用24MHz 时钟频率,每计数一次需6个时钟,耗时T=12/24(txs),TO工作 在8位自动装载模式下,故一次定时最多=256XT= 128ps,为了计算方便以及得到更高的精度,让11D每次定时 50ps,每次中断计数器加1,当中断20000次时,定时值为50 ×200130=ls,在最后计算频率值时,只需正确测得分频器输出 的单位脉冲数即可. 频率测量与主程序循环两个关键模块的流程图如图2,图3 所示. 图2频率测量流程图图3主程序流程图 3结束语 此限位计可以应用在需要对块状,颗粒状,粉末状及液态 物料等的料位和液位进行自动远程控制和限位报警的各行各 业,如:粮食,水泥,煤炭,冶金,石油,化工,轻工等行业.随着 微电子技术特别是片上系统(s00SystemO/1Chip)的进一步发 展,微控制器将集成更多功能,实现模数一体化,并以其独特的 性价比优势应用于各行各业的电子系统中. 参考文献: [1]JONATHANWV.嵌入式微计算机系统实时接口技术.北京:机械 工业出版社.2003:291—294. [2]AunelCorporation.AT89S52Datasheet.Rev.2487A一10/01. [3]刘迎春,叶湘滨.通用逻辑阵列GAL.合肥:中国科学技术大学出版 社.1989:113—117. [4]AnalogDevices,Inc.,AD421Datasheet.2000. 作者简介:刘红兵,(1982一),研究生,主爱研究方向为单片机与嵌入式 系统. (上接第10页) 可以实现家用火灾探测器的联网控制,为用户提供更安全可靠 的监控功能,而且提供了一个跨平台的,简单一致的应用环境. 参考文献: [1]ADAMD.ulPO.9referencenumual.2003. 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