無線火災報警系統設計

毛杰寧，李梅，羅旌鈺（中國地質大學（北京）信息工程學院，北京100083）

無線火災報警系統設計

毛杰寧，李梅，羅旌鈺
（中國地質大學（北京）信息工程學院，北京100083）

火災災害給我們帶來了難以估量的損失，因而火災預防報警一直是國內外備受關注的課題之一。為解決傳統有線火災系統存在的問題，提出一種基于ZigBee無線技術的無線火災報警系統設計。系統采用星形拓撲結構的無線網絡結構，并分為中心處理端和探測端兩部分組成。中心處理端采用STM32F103ZET6芯片為核心，探測終端采用STC89C52RC芯片為核心，兩部分同時與基于Zig-Bee技術的無線射頻芯片CC2530相結合，實現了大范圍區域火災監控與報警的需要。經過研究與測試表明，該系統設計成本低、智能化高、工作性能穩定可靠。

無線；火災報警；智能化；ZigBee

目前，國內主要采用總線型火災自動報警系統，這種自動報警系統已采用微處理器控制，其線制一般有四線制、三線制、二線制，探測器和模塊均采用地址編碼形式，通過總線與控制器實現信號傳送[1]。雖然這種報警系統能有效減少火災帶來的損失，但其中仍存在不少問題，施工麻煩、性價比較低、靈活性差，同時難以保證其穩定工作和維修。而國外發達國家在建設和應用城市火災自動報警監控系統方面逐漸趨向成熟，他們將自動火災報警作為公共報警手段接入監控系統，并有效運行多年，使消防指揮中心能夠快速準確判斷火災地點、火災類型，并調度消防部隊迅速到達現場，自動報警監控系統在此起到了很大的作用[2]。

設計針對傳統火災自動報警的問題，系統采用基于ZigBee與嵌入式相關的技術，通過多個探測終端和中心處理端，自組成星形拓撲的網絡結構[3]，實現了對多個探測地點的管理與監控，為減少火災隱患提供了保證。同時本文設計在探測端使用溫度傳感器DS18B20和煙霧傳感器MQ-2，來獲取監控區域溫度和煙霧濃度的變化。

1 系統設計與框架架構

1.1 系統設計

系統分主要為中心處理端 （主控）和探測終端（從控）兩部分，同時它們組成以中心處理端為核心的星形拓撲結構。中心處理端主要處理和分析各探測端數據，并將工作情況顯示在TFT-LCD顯示屏上；而探測終端則承擔接收并處理傳感器數據的工作。兩者結合合適的無線傳輸協議來實現兩者之間的通信。系統設計框圖如圖1所示。

圖1 系統設計圖

為實現中心處理端和探測終端進行良好的通信工作，系統采用ZigBee無線傳輸協議。Zigbee[4]是基于IEEE802.15.4標準的低功耗個域網協議，根據這個協議規定的技術是一種短距離、低功耗的無線通信技術，并較于藍牙[5]、Wi-Fi[6]等無線協議，具有低復雜度、自組織、低功耗、低數據速率、低成本的優點，并非常適合用于自動控制和遠程控制領域，可以嵌入各種設備[7]。

1.2 系統工作模式設計

針對傳統自動火災報警系統適用范圍小、智能化程度低[8]和安裝維修困難的問題，本設計通過程序算法和通信協議的設計，使探測終端并及時將數據傳輸給中心處理端，中心處理端對數據進行分析，智能判斷出環境和設備的狀況，從而做出相應反應。

但為保證各個設備正常運行，并提高智能化程度，減輕維修難度，本文需要解決幾個關鍵問題：1）各個探測終端數據與中心端通信時的相互之間干擾2）設備的接入與管理3）設備異常的判斷。

圖2 訪問流程圖

1）為解決設備通信相互之間的干擾，整個系統需要設定一種合理工作機制，來確保各個探測終端與中心端通信時，不會受到其它設備的干擾。經考慮與分析，探測終端與主控傳遞的數據，主要是溫度和煙霧濃度的數值，以及檢測到環境的異常發出的警報。所以本文采取定時點名訪問的方式[9]來獲取各個探測端的數值，主控每隔1秒訪問一個探測終端，當主控訪問到某一個探測終端的時候，該探測終端就返回相關的數據，其余探測終端就不會回應主控的訪問。同時因為主控與一個探測終端的通信僅需極短的時間，不到整個訪問周期的5%，主控剩余的時間便可以接收其余探測端的警報或其它緊急信息。圖2為訪問流程圖，i為探測終端地址，n為累計值，max為訪問累計值上限；

2）而為實現設備的接入與管理，那么每個探測終端需要唯一的標識碼作為地址來區分。如果將標志碼直接寫入探測端，就會造成地址分配的諸多問題，同時考慮到探測終端主要是與主控進行通信，本文通過主控分配地址的方式來區分各個探測終端。當有新的探測終端接入系統中時，該探測終端就會向中心端發送地址請求，如果主控給他分配了地址時，就會顯示新設備接入，即表示成功，否則就是失敗。就這樣每一個探測終端都有了唯一的地址區分，就方便主控對各個探測終端的管理了。

3）每個探測終端是否正常工作是保證系統正常運行的前提。而設備異常又主要體現在兩個方面，一是無法進行正常通信，二是溫度傳感器DS18B20和煙霧傳感器MQ-2無法正常工作。針對第一個問題，本文設計主控某個探測終端無法得到回應時，在下一個訪問周期將會繼續訪問并做累計，累計過程如果得到回應即表示正常；當累計的值超過訪問上限就表示該探測端異常。而第二個問題，系統先通過平均濾波算法，保證數據的可靠性，同時又監控數據，當數據長時間維持某一值不動，又或者在很短的時間內變化劇烈，就會向中心端發送異常警報，提示使用者注意。

圖3為探測端工作圖，圖4為主控工作圖。

2 系統硬件組成設計

測試系統硬件主要分為探測終端電路和中心處理端電路，中心處理端由于處理的數據過多，選用STM32F103ZET6芯片作為處理芯片[10]；而探測終端處理的數據較少，選用STC89C52RC芯片作為處理芯片。圖5為中心處理端結構圖，圖6為探測端結構圖。警報部分主要通過蜂鳴器和不同顏色的指示燈進行報警工作。

通信芯片采用cc2530芯片[11]承擔主從設備之間的通信工作，cc2530芯片是TI公司推出最新一代ZigBee標準芯片，CC2530包括了極好性能的一流RF收發器，工業標準增強性8051 MCU，因此它特別適合在低功耗無線傳感器網絡應用。同時，cc2530通過串口與處理芯片進行通信[12]。

圖3 探測端工作圖

圖4 中心處理端工作圖

圖5 中心處理端結構圖

圖6 探測端結構圖

中心處理端顯示部分，使用TFT-LCD顯示屏實現人機交互，TFT-LCD顯示屏是液晶顯示器中的一類重要代表，具有體積小，功耗低，顯示品質優良等諸多優點，已成為當前桌面顯示的主流[13]。

探測終端傳感器主要包括溫度傳感器DS18B20和煙霧傳感器MQ-2，它們分別用來監控實際區域的溫度變化和煙霧濃度，將數據傳輸給探測終端芯片，探測終端收到數據后，為確保數據的可靠性，我們統計30次數據并求平均值，當這些指標超出預設值，探測端就會啟動報警。

溫度傳感器DS18B20是DALLAS公司生產的單總線器件，具有線路簡單、體積小的特點。通過一個端口即可實現通信，實際應用中不需要外部任何元器件即可實現測溫，測量溫度范圍在－55～+125℃之間，數字溫度計的分辨率用戶可以從9位到12位選擇[14]。

煙霧傳感器MQ-2對不同種類、不同濃度的氣體具有不同的電阻值，文中測試實驗中采用封裝好了FC-22模塊，通過ADC模塊將溫度的變化數值傳輸給單片機[15-17]。

3 測試效果

測試中我們模擬正常的使用，在同一系統接入3個探測終端設備，以監控3個區域的溫度和煙霧濃度變化。當設備接入系統中，在lCD顯示屏上看到成功標志，設備就開始正常工作，并且每隔3秒左右更新一次數據。

當我們人為給其中一個探測終端改變環境因素時，提升溫度或煙霧濃度達到異常值時，主控在極短的時間內就開始報警，并提示對應探測端溫度或煙霧濃度異常。

當我們給一個探測終端斷電或它的傳感器斷電時，幾秒過后，主控便開始報警，并提示對應探測終端工作異常或傳感器工作異常。

4 結 論

為減少火災帶來的損失，實現對火災隱患區的監控，文中提出一套的無線火災自動報警系統，并針對傳統火災自動報警系統安裝維修困難、智能化程度低、適用范圍小的問題，我們提出使用合理的工作管理機制、程序算法，并基于ZigBee無線傳輸的無線火災報警系統，從而使設備更加的系統化、人性化、合理化。測試結果也表明該系統體系行之有效，能及時反應監控設備和環境的狀態，從而達到了設計的要求。

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Design of wireless fire alarm system

MAO Jie-ning，LI Mei，LUO Jing-yu
（School of Information Engineering，University of Geosciences（Beijing），Beijing 100083，China）

Fire disaster brought us immeasurable loss，and thus prevent the fire alarm has been one of the topics of concern at home and abroad.To solve problemsofthe traditional wired fire system，the authors propose a designofwireless fire alarm system based on ZigBee wireless technologyin this paper. The system uses wireless network architecture star topology，and itis divided into a central processing end and probing ends of the two parts.The central processing end use STM32F103ZET6 as the core，the probe end use STC89C52RC as the core，andthey combined with radio frequency chip CC2530 ZigBeebased technology，to achieve the need ofa wide range of regional fire monitoring and alarms.After research and testing show that the system is designed for low cost，high intelligence，stable and reliable performance.

wireless；fire alarm；intelligent；ZigBee

TN709

A

1674－6236（2017）07-0115-04

2016-06-09稿件編號：201606075

國家自然科學基金面上項目（41374185）；大學生創新性實驗計劃項目（2015AB025）

毛杰寧（1995—），男，湖南婁底人。研究方向：電子信息處理。