ZigBee技術在煤氣泄漏與火災報警系統中的應用

周恩學　陳雨晴　高　哲　閆　明

(遼寧大學輕型產業學院，遼寧 沈陽　110036)

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ZigBee技術在煤氣泄漏與火災報警系統中的應用

周恩學陳雨晴高哲閆明

(遼寧大學輕型產業學院，遼寧 沈陽110036)

由于大型工廠或社區面積大，在發生火災與煤氣泄漏時無法實現實時網絡化管理。為此，采用ZigBee技術與氣體煙霧傳感器、CO傳感器相結合的方法，設計了一種網絡化無線通信報警系統。利用IAR集成開發環境編譯器編寫無線通信報警系統中協調器節點、路由器節點和終端設備節點的程序，組成實時監測網絡。試驗結果驗證了該系統可以將監測獲得的數據無線傳輸至監控中心，分析后決定是否報警并準確定位響應，從而提高了反應機動性、減少了人力資源浪費。

煤氣泄漏火災報警系統ZigBee無線通信實時監控網絡化管理傳感器防災減災

Disaster prevention and mitigation

0　引言

目前，我國通用的煤氣泄漏與火災監控報警設備[1-2]存在成本高、分布過于分散、可靠性低、響應信息孤立等缺點，不能達到快速準確定位、實時監控的目的，已然無法滿足對大型建筑實時監控的要求。因此，實現監控設備網絡化、實時定位智能化是適應大型建筑實時智能網絡化監控要求的關鍵。

隨著物聯網技術[3]的發展，以ZigBee技術[4]為代表的無線低速網絡通信技術，越來越凸顯出其廣闊的市場前景。ZigBee技術是一種近距離、低功耗、低速率、低成本的無線通信技術，兼具經濟、可靠、易部署的優勢，已被廣泛應用于工業控制、環境控制、智能家居、醫療護理、安全預警、目標追蹤等領域[5-7]，給人們的生產生活帶來了極大的便利。

本文將ZigBee技術與PC機構成的監控平臺相結合，設計了一種網絡化分布終端監控節點、信息無線傳輸、管理結構化的煤氣泄漏與火災監控報警系統。通過搭建由終端監測節點、路由器節點、協調器節點組成的分層次、網絡化的實時數據網絡采集平臺，將傳感器分布于整個監測區域，并通過ZigBee協議棧，使監測數據無線傳輸至協調器。協調器對數據包進行處理，并決定是否響應報警；監控平臺中心實時獲取信息，以實現實時監控定位和網絡化管理，從而迅速響應突發情況，減少了人員與財產的損失。

1　ZigBee技術相關基礎知識

1.1ZigBee技術

ZigBee技術是一種近距離、低復雜度、低功耗、低速率、低成本、高可靠的雙向無線通信技術。其采用IEEE 802.15.4作為通信標準、工作在免注冊的無線電(industrial scientific medical，ISM)頻段，具有星狀、樹狀、網狀等多種網絡拓樸結構。

ZigBee定義了3種類型的設備：協調器、路由器和終端設備。其中：協調器是整個網絡的中心，主要負責建立、維持和管理網絡，分配網絡地址和接收數據等；路由器除了收發數據以外，還具有控制功能，發現、允許其他節點[8]通過它接入網絡；終端設備具備收發數據或控制功能。ZigBee網絡具有自調節結構、自我修復的功能，當網絡中的某些節點退出網絡時，無線網絡可以自動調整網絡結構，確保其他節點的正常通信[9]。

1.2CC2530射頻芯片

CC2530是用于2.4 GHz、IEEE 802.15.4和ZigBee技術應用的片上系統(system on a chip，SOC)解決方案。其共有4種不同的內置閃存版本分別具有 32 KB、64 KB、128 KB、256 KB的內置閃存。其中，CC2530F256結合了德州儀器(TI)業界領先的ZigBee協議棧Z-Stack[10]，提供了強大、完整的ZigBee解決方案。它具有低功耗、高靈敏度、速率可調、可從休眠模式快速蘇醒等諸多優點，能夠以非常低的材料總成本建立強大的網絡節點[11]。

1.3ZigBee協議棧

ZigBee協議分為兩部分，一是IEEE 802.15.4定義的物理層和介質訪問控制層(medium access control layer，MAC)；二是ZigBee聯盟定義的網絡層、安全層和應用層技術規范。ZigBee協議棧將各個層定義的協議都集合到一起，以函數的形式實現，并具有應用程序編程接口(application programming interface，API)可供用戶調用。各層之間通過服務接入點(service access point，SAP)進行通信。物理層與MAC層構成ZigBee協議底層的基礎，主要負責選擇信道和合法的個域網地址(persongal area network ID，PANID)。網絡層負責拓撲結構的建立和維護網絡連接。ZigBee應用層由應用支持子層(application support sub layer，APS)、ZigBee設備對象和ZigBee應用框架(application framework，AF)等組成。其中，APS通過應用支持子層數據服務訪問接口(APSDE-SAP)，實現了數據的發送與接收[12]。

2　報警系統的設計

本系統采用TI公司開發的ZigBee協議棧Z-Stack。所需軟件開發環境有：嵌入式IAR集成開發環境(IAR embeded workbench,IAR EW)、協議棧分析儀Packet Sniffer、燒寫工具Flash Programer等。IAR是一款完整、穩定且易于使用的專業嵌入式應用開發工具，包括嵌入式C/C++編譯器、匯編器、連接定位器等。在進行ZigBee無線通信技術開發之前，需先在PC機上安裝Z-Stack協議棧安裝包。

2.1系統總體組成

本系統主要由終端監測節點、路由節點、協調器、監控中心等組成。在啟動煤氣泄漏與火災實時監測過程中，利用ZigBee技術的自組網功能，將整個監測環境內的各種節點連接成無線網狀監測系統。由協調器負責建立網絡及網絡的相關配置，其他節點通過發送請求加入網絡，獲得互不重復的PANID。監控節點上連接的煙霧氣體傳感器MQ-2、CO傳感器MQ-7等傳感器進行實時環境監測，并將是否有煤氣泄漏或者火災發生的實時信號參數，通過路由器節點轉發或直接送至協調器。協調器對收到的數據作出處理，由連接的報警器發出報警，并將數據上傳到PC機構成的監控平臺進行定位分析提醒。

2.2報警系統的ZigBee節點硬件設計

系統中使用的ZigBee節點具有類似的基本結構，包含電源模塊、CC2530無線通信模塊、底板微處理器及傳感器等各種外部設備。協調器主要用于組建網狀的無線傳感器網絡和數據的收發處理。同時，外部通用輸入/輸出口(general purpose input/output，GPIO)P0.5連接著由繼電器與蜂鳴器組成的報警裝置，如圖1所示。

圖1　協調器節點硬件圖Fig.1　Hardware diagram of coordinator node

系統通過USB數據線，將數據上傳至由PC機構成的實時監控平臺，進行分析定位響應。在路由器或終端設備節點中，外圍連接GPIO口P0.6連接煙霧氣體傳感器MQ-2，P0.4連接CO傳感器MQ-7，如圖2所示。當發生煤氣泄漏或火災時，由于空氣中的可燃氣體、CO等有害氣體濃度高于傳感器的設定值，使傳感器的電導率隨之增大，傳感器模塊的數字接口輸出低電平0，終端設備P0.6、P0.4分別輸入低電平0；再經過底板微處理器完成對數據的打包處理后，將其通過CC2530射頻芯片發送出去。

圖2　路由器或終端設備節點硬件圖Fig.2　Hardware diagram of router or end device

2.3ZigBee 無線網絡的構建

本系統中，ZigBee無線網絡采用網狀網絡拓撲結構。協調器組網流程如圖3所示。

圖3　協調器組網流程圖Fig.3　Flowchart of coordinator networking

協調器上電后，按照預先指定的信道和PADID建立無線網絡。然后，終端監測節點設備與路由器節點設備通過檢測發現無線網絡，提出申請加入該無線網絡，并獲得唯一的地址編號，從而建立起一個網狀網絡拓撲結構。

路由器或終端設備流程圖如圖4所示。

圖4　路由器或終端設備流程圖Fig.4　Flowchart of router or terminal device

ZigBee無線網絡建立后，網絡內的各個終端監測節點把采集到的實時監測數據打包，并不間斷地重復通過鄰近的路由器轉發或者直接發送給協調器。同時，協調器還通過USB數據線與PC機構成的實時監控平臺連接，實現數據上傳分析與定位功能。

3　報警系統試驗結果與分析

3.1試驗前期準備

本試驗中，采用1個協調器節點、2個路由器節點和3終端傳感器節點共同組成網狀網絡。在對每個節點進行功能測試后，啟動IAR軟件,編寫程序并將其編譯成可執行文件，通過仿真器將程序燒錄至每一個節點。將協調器和PC機通過USB數據線連接起來，打開協調器的電源開關。按照協調器、路由器節點、終端監測傳感器節點的上電順序，依次給網絡節點上電。通過觀察協調器設備上的D3指示燈的狀態來判斷組網是否成功，協調器的D3指示燈熄滅，說明組網成功；路由器和終端設備上的D3指示燈熄滅，說明入網成功。當開發板上RX、TX指示燈開始閃爍時，表示數據成功傳輸，可開展試驗測試。通過觀察協調器上的D1、D2指示燈狀態和繼電器指示燈狀態、終端設備上D1、D2指示燈狀態及外接的MQ-2傳感器的DO輸出指示燈狀態和MQ-7傳感器的報警指示燈狀態，可以檢驗本系統的可靠性與通信質量。

3.2試驗結果與分析

當所監測的環境處于正常狀態時，外接的MQ-2傳感器的DO輸出指示燈和MQ-7傳感器的報警指示燈均為熄滅狀態，終端監測設備外圍連接的GPIO口P0.6與P0.4輸入高電平，終端監測設備上的D1、D2指示燈為長亮狀態。終端監測設備將監測數據打包后發出。實時監測的數據包通過無線網絡傳輸至協調器設備，協調器設備處理分析后作出不反應判斷，協調器設備上的D1、D2燈長滅，繼電器指示燈長滅，繼電器不閉合，蜂鳴器不報警。

當所監測的環境出現異常且氣體濃度達到傳感器設定的檢測值時，MQ-2傳感器的DO輸出指示燈和MQ-7傳感器的報警指示燈變為長亮狀態，終端監測設備外圍連接的GPIO口P0.6與P0.4輸入低電平，終端監測設備上的D1、D2燈變為熄滅狀態，終端監測設備將監測數據打包后發出。實時監測的數據包通過無線網絡傳輸至協調器設備，協調器設備處理分析后作出反應判斷，協調器設備上的D1、D2燈與繼電器指示燈均變為長亮狀態，繼電器閉合，蜂鳴器進行報警，提示監控室值班人員有突發狀況出現。經過多次試驗，終端監測設備可獲取監測環境信息，并通過無線網絡傳輸至協調器設備，記錄協調器設備成功分析并判斷是否報警的次數。試驗結果證明了本系統具有很強的穩定性和很好的通信質量。

4　結束語

本文提出了基于ZigBee技術與傳感器的網絡化無線通信報警系統。利用ZigBee技術，可將網絡化傳輸傳感器實時監測的環境信息至監控中心，達到了實時監控與數據分析快速報警定位的目的。該系統能網絡化地實時監控管理煤氣泄漏與火災等突發情況，并快速、有效地作出應對，具有良好的應用前景。

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Application of ZigBee Technology in Gas Leakage and Fire Alarm System

Because of the arear of factories and communities are large,the real-time networking management can't be redised when suffered by fire disaster and gas leakage a wireless network communication alarm system is designed using the method of combining ZigBee technology and gas-smoke sensor,CO sensor.The IAR integrated development environment complier is used to program the coordinator node,router node and terminal node of wireless communication alarm system,and to compose the real-time monitoring network.The experimental results verify that the system can wirelessly transfer the detected data to the monitoring center,and then analyze and determine whether alarm and response for accurate positioning or not,thus the response mobility has been improved,and the waste of human resource has been reduced.

Gas leakageFire Alarm systemZigBeeWireless communicationReal time monitoringNetwork managementSensor

周恩學(1992—)，男，現為遼寧大學電氣工程及其自動化專業在讀本科生；主要從事物聯網通信方向的研究。

TH3;TP277

ADOI:10.16086/j.cnki.issn 1000-0380.201610020

國家自然科學基金資助項目(編號：61304094)；

遼寧省教育廳科學研究基金資助項目(編號：L2015194)；

大學生創新創業訓練計劃基金資助項目(編號：X201410140103)。

修改稿收到日期：2016-02-04。