物聯網架構下的智能火災預警系統

許 馳

（遼寧工程技術大學 電子與信息工程學院，葫蘆島125105）

引 言

物聯網（Internet Of Things，IOT）［1］技術的提出和快速發展為火災預警技術的發展提供了新的思路和解決方案。當前，火災預警系統作為智能家居、樓宇自動化的重要組成部分，已經得到廣泛應用和普及。但是，系統的實時性和準確性一直有待提高，傳統的總線制火災系統在使用中已經暴露出了很多問題，包括布線的種種弊端以及高虛警率和漏警率等。鑒于此，本文設計了一種基于物聯網架構的智能火災預警系統。

1 系統概述

系統采用物聯網架構設計，按照其四層結構模型［1］，以ZigBee無線傳感器網絡（ZigBee-WSN）［2］為底層的感知識別層，以GSM／GPRS或Internet為網絡構建層，管理層和應用層則采用PC 和智能手機相結合的方式。系統的整體結構如圖1所示。

圖1 系統整體結構

底層數據采集網絡采用ZigBee樹簇狀網絡，由傳感節點、匯聚節點和管理節點組成。部署系統時，首先在待監測區域固定若干匯聚節點，作為單位區域內的路由器，匯聚網絡信息。匯聚節點采用消防電源長期供電，確保網絡的穩定。傳感節點則可以根據實際需要隨機布置，具有可任意“播撒”的特點。這樣，若干傳感節點通過2.4GHz ISM 信道不斷地將環境感知數據發送給匯聚節點，再由其匯聚給管理節點。管理節點作為ZigBee網絡的協調器，負責整個網絡的建立、信道選擇、地址分配以及節點的加入和退出等，并通過RS232與控制管理中心PC通信?？刂乒芾碇行膽峁┝己玫娜藱C交互環境，實時顯示網絡的狀態，存儲網絡上傳的數據。同時，還可以對多傳感器采集數據進行信息融合，達到對火災的智能判別。在確定存在火情的情況下，能夠進行聲光、短信報警，并啟動自動消防設備。

2 系統硬件設計

2.1 處理器單元設計

感知識別層采用ZigBee-WSN 技術，負責完成復雜環境下的火災信息感知。系統中，各傳感節點的處理器單元和無線收發單元分別選擇TI公司的CC2530 芯片和CC2591芯片。CC2530 內部集成了工業標準的增強型8051內核、符合2.4GHz IEEE 802.15.4的RF收發器、21個可編程邏輯的GPIO、5通道的DMA、8通道可配置分辨率的ADC、看門狗定時器以及AES 安全協處理器等［3］。因此，CC2530以其較高的性價比成為高校開展科研、企業進行產品研發的重要選項，已經具有了較高的市場占有率。同時，系統還增加了射頻放大芯片CC2591，其目的就是保證網絡的傳輸距離和復雜室內環境中的穿透能力，確保網絡數據的可靠傳輸。經測試，采用了CC2591的WSN 節點的傳輸能力可達500～1000m，且穿透能力得到了較大的提升。

系統WSN 節點的硬件電路如圖2所示。

圖2 WSN節點電路

2.2 傳感器單元設計

［4］和參考文獻［5］對火災產生的原因、火災預警原理及火災信號選取做了詳細的分析?；诖?，根據火災發生的前期特征，系統分別選取了溫度、濕度、煙霧和CO 濃度作為火災監測對象。各傳感節點采用多傳感器技術，分別連接了DHT21溫濕度傳感器、MQ2煙霧傳感器和MQ7一氧化碳傳感器。DHT21是含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器，采用單排4針引腳封裝。使用時，只需將DATA 引腳連接到MCU 的任意GPIO 即可，這里是連接到CC2530的P1＿5引腳。另外，為了確保CC2530對DHT21有足夠的驅動能力，在DHT21DATA引腳接有5.1kΩ 的上拉電阻，確保芯片有合適的灌電流。這樣，只要按照DHT21的邏輯時序編寫程序，控制MCU引腳的輸入／輸出，就可以從DATA 引腳準確讀出溫濕度數據。

MQ2和MQ7傳感器都屬于氣敏型傳感器，兩者的原理相似，都屬于MQ 傳感器。MQ 傳感器所采用的氣敏材料是在清潔空氣中電導率極低的SnO2，當將它放置于某種敏感氣體環境中時，電導率將隨該種敏感氣體濃度的增大而增大。因此，在驅動MQ 傳感器時，只需根據傳感器特性搭建合理的驅動電路即可。MQ 傳感器的輸出均為模擬量，故應交由MCU 進行A／D 轉換。CC2530 的P0口是其內部ADC的8通道輸入端口，故將MQ2和MQ7的輸出端分別連接至P0＿0引腳和P0＿1引腳。MQ 傳感器有6只針狀引腳，如圖2所示。2引腳和5引腳用于提供加熱電流，供電電壓為5 V，其余引腳用于信號取出。通過電路分析可知，4引腳和6引腳的輸出電壓為。RS為敏感體電阻，阻值一般為2～20kΩ。當空氣中的敏感氣體濃度增加時，電導率增加，RS下降，故輸出電壓Uout增大。電位器RL除了起到限流作用外，最主要的作用就是實現對WSN 節點靈敏度的調節和校準。由于MQ 傳感器內部的氣敏元件在不同環境下對不同種類、不同濃度的氣體有著不同的阻值RS，因此為精確考慮，在溫、濕度變化較大的環境中，需要對節點的靈敏度進行調節，這也是系統增加濕度測量的一個主要原因。

3 系統軟件設計

3.1 ZigBee-WSN軟件設計

底層的數據采集網絡采用Zig-Bee2007協議規范設計，基于TI公司提供的半開源ZStack協議棧［6］開發。系統的整體流程如圖3所示。

圖3 系統整體流程

3.2 系統GUI設計

由于要求控制管理中心PC 提供良好的人機交互環境，故采用圖形用戶界面（Graphical User Interface，GUI）設計［7］。采用GUI設計的優勢就在于它提供的界面具有友好性，可以幫助減少用戶的認知負擔，滿足不同用戶的設計需求。當前較為流行的GUI 設計技術包括MiniGUI、OpenGUI、Microwindows／Nano-X、Qt等，另外，采用VC＋＋、VB 等也可以完成GUI的開發。但是，這些軟件在API的封裝性、跨平臺性、代碼量、設計難度和開發周期上都存在很大差異，擁有各自的優點和缺點。因此，綜合考慮各種因素，這里采用Qt技術設計系統的GUI。設計是基于Qt 4.7SDK 完成的，該軟件版本集成了Qt 4.7.4和Qt Creater 2.4.1集成開發環境（IDE）。

設計時，首先在main.cpp文件中創建QApplication類對象。QApplication類主要用于設置和管理GUI應用程序及其控制流，包括控制主事件的循環、初始化和結束來自用戶接口或其他系統資源的應用程序、提供會話管理等。然后就可以根據系統需要添加實際應用，這里設計了一個系統登錄窗口和一個控制管理窗口，分別命名為logindlg.cpp和firesystem.cpp。添加完成后，將自動生成相應的頭文件（logindlg.h、firesystem.h）和界面文件（logindlg.ui、firesystem.ui）。

控制管理中心PC 要接收網絡管理節點發送的環境監測數據，因此實現串口通信是進行GUI設計的關鍵。Qt本身并沒有提供串口控制類，故需要采用第三方編寫的qextserialport類。qextserialport類實際上是QIODevice的派生類，使用時，需要為工程添加相應的類文件qextserialbase.cpp、qextserialbase.h以及win＿qextserialport.cpp、win＿qextserialport.h。設計控制管理窗口時，為了保證系統配置的靈活性，在UI設計窗口中分別添加“端口號”、“波特率”、“數據位”、“校驗位”、“停止位”5個Combo BOX 下拉列表。然后通過按鍵Push Button 進行系統的開啟和關閉設計。Push Button的觸發采用的是Qt提供的信號與槽機制，所有從QObject類及其子類派生的類都可以使用該機制。信號與槽機制是Qt的核心機制，它為用戶提供了一種高級接口，該接口可用于各類應用對象之間的通信。這里僅給出實現串口通信的幾個重要函數。

另外，網絡上傳的數據還需要通過數據庫進行存儲和查詢，至少保證能夠查詢7天內的火災監控數據。Qt支持絕大多數的數據庫，包括Oracle、SQL Server、MySQL等。這些大中型的數據庫往往用于較大規模系統的數據存儲，開發和維護都需要專人負責，因此成本較高。而針對本系統所做的火災環境監測，只需要一個靈活易用的小型數據庫即可。SQLite［8］是一個輕量級的開源關系數據庫，采用C語言編寫，整體代碼僅3萬行，能夠支持絕大多數的ANSI SQL92標準。相對于傳統數據庫，它的實時性強，處理速度快，系統開銷小，底層的控制能力強。具體設計時，首先在工程文件Firesystem.pro中添加代碼：QT＋＝SQL。由于Qt默認安裝了SQLite和ODBC 的數據庫驅動，因此在使用時，只需添加相應的驅動語句即可。其具體過程如下：

這里，使用QSqlDatabase類實現Qt與SQLite的連接，并驅動該數據庫。若驅動失敗，可以通過QMessage-Box彈出錯誤提示。驅動成功后，將數據存放于數據庫文件firedata.db中。此外，還需要使用QSqlQuery類，它為操縱和執行SQL語句提供了一種方式，能夠實現數據庫操作的所有功能。這樣，通過QSqlQuery類可以在QSql-Database實例上執行SQL 語句，完成創建、查詢、修改數據庫等操作。

系統測試時，GUI顯示的實時監控狀況如圖4所示。

圖4 控制管理中心GUI

結 語

系統根據物聯網架構設計，采用ZigBee-WSN 完成數據采集與傳輸，保證了系統的實時性、可靠性及可移植性?？刂乒芾碇行腉UI采用Qt設計，可以實現對火災監控數據的實時顯示、存儲、查詢等，豐富并完善了火災預警系統的功能。測試表明，系統能夠準確地完成對復雜火災環境的感知，相對于傳統火災預警系統，系統的魯棒性得到了較大的提升，虛警和漏警等狀況得到了有效改善。同時，系統GUI界面友好，操作簡單，可以很好地服務于火災預警系統。

參考文獻

［1］劉云浩.物聯網導論［M］.北京：科學出版社，2011.

［2］許馳，李新春.基于ZigBee-WSN 的溫濕度監測系統［J］.單片機與嵌入式系統應用，2012，12（6）：36-39.

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［4］劉靜.基于人工嗅覺系統的智能火災探測研究［D］.山西：太原理工大學，2007.

［5］紀鵬，吳成東，張云洲，等.無線傳感器網絡在建筑火難救援中的應用［J］.計算機測量與控制，2007，15（12）：1785-1787.

［6］高守瑋，吳燦陽.ZigBee技術實踐教程［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2009.

［7］Jasmin Blanchette，Mark Summerfield.C＋＋GUI Programming with Qt4［M］.Prentice Hall，2008.

［8］張廣斌，宮金林，陳爽.SQLite嵌入式數據庫系統的研究與實現［J］.單片機與嵌入式系統應用，2008（6）：11-13.