基于Zigbee技術的火災探測報警傳感器網絡設計

張青春

（淮陰工學院電子與電氣工程學院，江蘇 淮安 223003）

0 引 言

無線傳感器網絡（wireless sensor network，WSN）是由大量傳感器節點通過無線通信方式形成的一個多跳的自組織網絡系統，它能夠實現數據的采集量化、處理融合和傳輸。隨著無線傳感器網絡的快速發展，以及人們對居住環境的要求越來越高，將無線傳感器網絡應用到火災預警系統將是一種必然的選擇[1-3]。基于WSN的火災報警系統，將溫度、煙霧、火焰等傳感器集成在一個采用Zigbee技術設計的無線傳感器節點上來監測火災信息，當有火災發生時，火災報警監控中心和火災現場立即發出報警信號，同時將火災通過短信傳遞給用戶，并通過互聯網、火警電話將火災信息傳送到消防主管部門，便于進行火災救援[4-6]。

1 系統硬件設計

1.1 無線傳感器網絡節點

無線傳感器網絡節點是組成火災報警系統的基本單位，是構成火災報警系統的基礎。無線傳感器網絡節點需完成信息采集和數據傳遞的功能，節點中的電源模塊還負責節點的驅動，是決定網絡生存期的關鍵因素。無線傳感器節點一般包括無線通信模塊、數據處理模塊（微處理器、存儲器）、數據采集模塊（傳感器、A/D轉換器）、報警模塊和電源模塊等[7-9]，其結構如圖1所示。

1.2 CC2530 模塊

CC2530模塊實現的主要功能有：通過8路12位A/D口控制傳感器模塊進行數據采集；控制無線RF模塊完成數據收發；通過I/O口響應主機控制。CC2530無線傳輸距離可達100m，若在CC2530模塊增加2.4 GHz的射頻前端芯片CC2591來提高無線通信部分的發射功率，進一步改善其接收靈敏度，從而可以擴展無線傳感器網絡的覆蓋范圍，信號傳輸距離可達1000m以上。

圖1 無線傳感器網絡節點

1.3 溫度傳感器

采用LM35D溫度傳感器，其靈敏度為10mV/℃，工作溫度范圍為0～100℃，工作電壓為4～30V，準確度為±1℃，最大線性誤差為±0.5℃，靜態電流為80μA，輸出電壓范圍為0～5V。傳感器輸出接CC2530 I/O端口的P0.1（即CC2530模塊內置ADC轉換器的通道 1）。

圖2 煙霧傳感器電路圖

1.4 煙霧傳感器

采用MQ-2半導體煙霧傳感器，輸出模擬量范圍為0～5V。如圖2所示，傳感器引腳1～3接+5V電源，引腳5接地，引腳4、6并接接入放大器，經放大器放大后接入CC2530 I/O端口的P0.2（即CC2530模塊內置ADC轉換器的通道 2）。

選用LM358運算放大器對傳感器輸出信號進行放大。Ⅰ構成電壓跟隨器，V1=Vi，可以減少電路模塊間由于阻抗引起的干擾；Ⅱ構成電壓放大器，為保證引入負反饋，輸出電壓Vo通過電阻R7、R8接到反相輸入端，同時反相輸入端通過電阻R9接地。放大電路的放大倍數A=（R7+R8+R9）/R9，取 R9=1kΩ，R8=1kΩ，R7為 100kΩ的滑動電阻，因此可以放大2～102倍。

1.5 火焰傳感器

JNHB1004是一種遠紅外火焰傳感器，能夠探測到波長在760～1 100 nm范圍內的紅外光，探測角度為60°，其中紅外光波長在940nm附近時，其靈敏度達到最大。當周圍有火源產生時，遠紅外傳感器將外界遠紅外光的變化轉化為電流的變化，根據采集信號大小判斷紅外光線的強弱。如圖3所示，火焰傳感器輸出電壓為0～5V，引腳1接+5V電源，引腳2串接電阻接地再并聯接入CC2530 I/O端口的P0.3（即CC2530模塊內置ADC轉換器的通道3）。

圖3 火焰傳感器電路圖

1.6 報警電路

如圖4所示，雙聲報警電路，接入CC2530 I/O端口的P1.2。

圖4 雙聲報警電路圖

由兩個555時基電路組成的兩個多諧振蕩器。第1個（U1）555構成低頻振蕩電路，頻率F1主要由C1、R2決定，引腳3輸出頻率為F1的低頻信號，當U1的引腳3輸出高電平時，第2個（U2）555構成高頻振蕩電路工作，其振蕩頻率F2主要由C3、R4決定，且F2遠大于F1，這樣在U2的引腳3輸出為F2的脈波調制信號。

三極管S8550和與非門74LS00控制報警電路的通斷，74LS00芯片接+9V電源，當CC2530模塊的P1.2端輸出高電平時，經過與非門輸出低電平0V，三極管eb級導通，從而這個報警電路處于導通狀態，蜂鳴器發出“滴嘟滴嘟…”的聲音。反之，P1.2端輸出低電平時，經過與非門輸出高電平9V，三極管eb級不導通，電路不報警。

當溫度傳感器、煙霧傳感器、火焰傳感器采集到的3路信號傳輸到火災報警中心進行數據融合，若預測結果輸出為“有火災”，則該節點的CC2530模塊P1.2端輸出高電平，發出火災報警信號。

1.7 電源電路

電源電路如圖5所示，由9V干電池經過L7805穩壓電源輸出5 V電壓給各種傳感器和芯片供電，再經3個硅型二極管壓降為3.3V給CC2530模塊供電。

圖5 電源電路圖

2 系統軟件設計

傳感器節點在不采集數據時處于休眠狀態，節點一旦被查詢，CC2530開始采集數據，經過數據處理，判斷采集值是否超過設定的報警值，如果超過報警值，則將發送數據到上位機時，啟動報警，流程圖如圖6所示。

3 系統測試

圖6 傳感器節點主程序流程圖

圖7 節點監測數據

圖8 節點監測圖形

火災報警系統監控軟件設計是在基于VS2005的ZigbeePC平臺上進行的。圖7為編號43672的節點監測數據，圖8為編號54350的節點監測圖形。圖中同時顯示溫度、煙霧和火焰3種數據變化。為了在一幅圖中同時顯示3個參數，設定測溫范圍為0～100℃；將煙霧傳感器上限值10000縮小100倍，以100*100的形式表示（*100為單位）；將火焰傳感器上限值1023縮小10倍，以102.3*10的形式表示（*10為單位）。

由圖7、圖8可以看出，試驗時溫度報警值設定為50℃，煙霧報警值設定為75*100，火焰報警值設定為80*10，當測量值大于設定的報警值時，傳感器節點發出報警聲。

4 結束語

采用Zigbee技術構建的低成本、低功耗的無線傳感器網絡克服了有線傳感器網絡的局限性；在監測區域布置多個傳感器節點，在單一傳感器節點故障后，可以依據其他正常的傳感器節點提供信息,防止漏報；在一個傳感器節點上集成溫度、煙霧、火焰3種類型傳感器，增強了火災監測的可靠性，可以有效防止誤報。該傳感器節點開發、試制成功，具有一定的經濟效益、社會效益和推廣應用價值。

[1]凡高娟，郭拯危.無線傳感器網絡節點部署研究進展[J].傳感器與微系統，2012，31（4）：1-3，6.

[2]何曉梅.物聯網技術及應用[J].數字通信世界，2012（4）：29-31.

[3]蔡永洪，孫曉輝，黃鋒，等.基于物聯網技術的能源計量城域管理系統研究[J].中國測試，2011，37（4）：61-63.

[4]韓立偉，李界家，呂晶，等.基于無線傳感器網絡建筑火災報警系統設計[J].安防科技，2010（5）：11-13，27.

[5]晏均，周群彪，謝曉陽.基于無線傳感器網絡的室內火災報警系統[J].中國民航飛行學院學報，2009（2）：45-48.

[6]劉佳，薛文，何堅強，等.無線傳感器網絡在環境監測中的應用[J].后勤工程學院學報，2011（3）：63-68.

[7]周怡颋，凌志浩，吳勤勤，等.ZigBee無線通信技術及其應用探討[J].自動化儀表，2005，26（6）：5-9.

[8]張嘉怡，劉建文，伍川輝.ZigBee技術在煤礦安全監測中的應用[J].中國測試技術，2008，34（4）：122-125.

[9]馬新慧.淺談ZigBee技術在無線網絡電能管理系統中的應用[J].智能建筑電氣技術，2011，5（6）：74-76.