對(duì)組網(wǎng)式無線火災(zāi)報(bào)警器的設(shè)計(jì)與改進(jìn)

彭浩

摘 要：針對(duì)現(xiàn)有無線煙霧報(bào)警器大多數(shù)只能提供聲光報(bào)警的缺陷，本文探討了一種全新的組網(wǎng)式煙霧報(bào)警器的設(shè)計(jì)思路及具體實(shí)現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：無線煙霧報(bào)警器；CC2530芯片

隨著經(jīng)濟(jì)和城市建設(shè)的快速發(fā)展，城市高層建筑以及地下設(shè)施的不斷增多，設(shè)置火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)已經(jīng)成為了現(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)時(shí)所必須考慮的重要部分。然而現(xiàn)有傳統(tǒng)煙霧報(bào)警器只能簡(jiǎn)單的提供簡(jiǎn)單的聲光報(bào)警，火災(zāi)信號(hào)不能被及時(shí)發(fā)現(xiàn)，因此，急需一種新型的火災(zāi)煙霧報(bào)警系統(tǒng)來彌補(bǔ)現(xiàn)有報(bào)警器的缺陷與不足。據(jù)此，根據(jù)火災(zāi)的特點(diǎn)設(shè)計(jì)開發(fā)出了一套基于Zigbee協(xié)議，短距離、低功耗的防火報(bào)警系統(tǒng)，解決了有線火災(zāi)報(bào)警器不能解決的問題，實(shí)現(xiàn)了消防中心對(duì)全樓防火消防狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)控，保護(hù)了人身和財(cái)產(chǎn)安全。組網(wǎng)式無線火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)由總臺(tái)和若干節(jié)點(diǎn)組成，下面為其工作原理。

1 節(jié)點(diǎn)

作為系統(tǒng)的最小單元，節(jié)點(diǎn)分布式部署在每個(gè)房間內(nèi)部，節(jié)點(diǎn)的作用是探測(cè)每個(gè)房間內(nèi)部的溫度，煙霧濃度等一手?jǐn)?shù)據(jù)，定時(shí)向總臺(tái)匯報(bào)經(jīng)過加密調(diào)制的信息，并在必要的時(shí)候發(fā)出警報(bào)。對(duì)比市面上的眾多單片機(jī)解決方案后，決定采用TI的成型芯片CC2530來做節(jié)點(diǎn)的總控芯片，CC2530具有價(jià)格低廉，耗能低又不失穩(wěn)定的特點(diǎn)。最重要的是其已經(jīng)內(nèi)置TI業(yè)界領(lǐng)先的開源ZigBee協(xié)議棧（Z-Stack?），能夠較為方便的開發(fā)出一套適合組網(wǎng)式無線煙霧報(bào)警系統(tǒng)的程序，降低了開發(fā)成本。在節(jié)點(diǎn)的傳感器配置上，新型的報(bào)警系統(tǒng)打破了傳統(tǒng)火災(zāi)報(bào)警器只能探測(cè)煙霧的局限性，根據(jù)建筑物或?qū)嵉貓?chǎng)所的要求，不同的節(jié)點(diǎn)上安裝不同類型的火災(zāi)探測(cè)器如迷宮式煙霧探測(cè)器，溫度探測(cè)器等。

對(duì)于存放某些特殊材料的庫(kù)房，材料燃燒并沒有濃煙產(chǎn)生，則起火的判斷以溫度傳感器為主。目前市場(chǎng)上成型的溫度探測(cè)器有DS18B20數(shù)字溫度傳感器，測(cè)量溫度范圍為-55°C至+125°C，9至12位數(shù)字信號(hào)輸出，無論是在溫度范圍還是在精度上均可適應(yīng)各種火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的溫度探測(cè)任務(wù)。

由于系統(tǒng)設(shè)計(jì)的初衷就是使火災(zāi)報(bào)警器擺脫線纜的束縛，因此對(duì)于節(jié)點(diǎn)的供電選擇了JCN-133x82型太陽(yáng)能組件以及三節(jié)5號(hào)鋰蓄電池。經(jīng)查閱，該太陽(yáng)能組件在普通的屋內(nèi)日光環(huán)境下能提供5V，0.3A的平穩(wěn)輸出，折合功率1.5W。而節(jié)點(diǎn)其余電子元件總能耗約不到0.2W，剩余能量完全可供鋰電池蓄電使用。而鋰電池充滿電則可為節(jié)點(diǎn)供電50小時(shí)以上，完全可以滿足節(jié)點(diǎn)夜晚工作。

2 總臺(tái)

處于消防控制室的總臺(tái)由一臺(tái)無線收發(fā)調(diào)節(jié)器及一臺(tái)計(jì)算機(jī)組成。無線收發(fā)調(diào)節(jié)器負(fù)責(zé)與建筑物內(nèi)的眾多節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通訊，將匯總的信息匯報(bào)給計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。當(dāng)數(shù)據(jù)通過串口傳輸進(jìn)計(jì)算機(jī)后，計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行翻譯解碼，獲取房間內(nèi)的溫度，煙霧濃度等信息，通過與設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行比對(duì)，判斷房間內(nèi)的火災(zāi)情況，并在必要的時(shí)候發(fā)出告警。由于成型系統(tǒng)最終面向的是終端用戶，而用戶一般對(duì)這系統(tǒng)的技術(shù)細(xì)節(jié)并不了解，也無需了解。用戶直接接觸到的是軟件的的UI（用戶界面），因此往往通過界面的簡(jiǎn)潔與否，操作的復(fù)雜程度，能否滿足不同用戶的要求來判斷系統(tǒng)的完善程度。為此，在軟件設(shè)計(jì)上實(shí)現(xiàn)了以下功能：

⑴在界面中我們能夠看到網(wǎng)內(nèi)已連接節(jié)點(diǎn)的名稱（即樓宇房間號(hào)），可以在界面上清楚的看到每個(gè)節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行狀況。

⑵當(dāng)有節(jié)點(diǎn)發(fā)出告警信號(hào)時(shí)，計(jì)算機(jī)將對(duì)告警信號(hào)進(jìn)行分析，根據(jù)相鄰節(jié)點(diǎn)情況迅速判定告警信號(hào)是否為真。程序?qū)τ诨馂?zāi)等級(jí)也進(jìn)行了劃分，將單個(gè)房間告警，相鄰多個(gè)房間告警和整層告警進(jìn)行分級(jí)，以便采取最有效的措施。

⑶對(duì)于節(jié)點(diǎn)匯總的信號(hào)，軟件分析完畢后可在后臺(tái)靜默寫入MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)，并提供基于Apache和PHP遠(yuǎn)程圖形操作界面，可供操作人員在不在場(chǎng)的情況下快速獲知并處理火情。

對(duì)于節(jié)點(diǎn)和總臺(tái)的通信內(nèi)容作出了規(guī)定：數(shù)據(jù)內(nèi)容為10位十六位數(shù)據(jù)0x 00 00 00 00 00，分別代表著節(jié)點(diǎn)的不同信息。

前兩位信息為信號(hào)發(fā)送的目的地，可設(shè)置為總臺(tái)，以免被其余節(jié)點(diǎn)錯(cuò)誤截留。第三四位數(shù)據(jù)代表了節(jié)點(diǎn)的精確到個(gè)位的十六位溫度值，可作為日常屋內(nèi)溫度監(jiān)控。由于火災(zāi)的特性，過度精確的溫度值并沒有具體意義。如果節(jié)點(diǎn)采用的是單一煙霧傳感器，則第三四位值為00。第五六位的值為煙霧濃度值，對(duì)于不同的煙霧傳感器，煙霧濃度的值有著不同規(guī)定。當(dāng)采用單一溫度傳感器時(shí)，第五六位的值為00。第七八位信息代表了節(jié)點(diǎn)所在房間的唯一ID，總臺(tái)根據(jù)接收到的ID進(jìn)行定位。確保了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，同時(shí)也可以對(duì)區(qū)域數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，判斷火情等級(jí)。

對(duì)于總臺(tái)，由于是固定安排在某房間內(nèi)部，因此不用考慮供電問題。但是隨之而來的是安全問題，如何判定總臺(tái)接受到的某個(gè)告警信號(hào)是由合法的樓內(nèi)節(jié)點(diǎn)發(fā)出而不是偽造的信號(hào)。有鑒于此，數(shù)據(jù)的七八位是預(yù)留的校驗(yàn)位，通過CC2530內(nèi)置AES加密模塊對(duì)前八位數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，取前兩位加密后信息寫入數(shù)據(jù)的后兩位。經(jīng)總臺(tái)驗(yàn)證后，即可判別數(shù)據(jù)的真?zhèn)危鸬搅吮Ｗo(hù)網(wǎng)絡(luò)安全的作用。

無線火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)為用戶提供了一套使用方便，擴(kuò)展性強(qiáng)的解決方案，可以說解決了傳統(tǒng)報(bào)警器所存在的問題。當(dāng)然，整套系統(tǒng)目前還存在著很多缺陷，我們只有在實(shí)踐中不斷完善提高，才能讓人民群眾更好的遠(yuǎn)離火災(zāi)！

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