基于ZigBee的煙霧檢測火災報警傳感節點設計研究

孫海莉

（西安鐵路職業技術學院 陜西 西安710014）

基于ZigBee的煙霧檢測火災報警傳感節點設計研究

孫海莉

（西安鐵路職業技術學院 陜西 西安710014）

火災不僅嚴重威脅著人們的生命財產安全，更影響著社會的穩定和發展，而在當前城市化進程不斷加快，城市人口密度不斷增大，建筑高度迅速增加的前提下，火災所造成的威脅更是難以估量。本文從控制和預防火災事故的目的出發，基于ZigBee技術，提出了一種煙霧檢測火災報警傳感節點的設計方案，同時結合相應的可靠性試驗，對方案的可行性和可靠性進行了論證，使得系統能夠自動采集煙霧信號，發送報警信息，從而及時對火災隱患進行排除，確保安全。

ZigBee；煙霧檢測；火災報警；傳感節點

在高層建筑中，一旦發生火災事故，所造成的危害可以說是毀滅性的，加上火災探測信號自身的多變性、復雜性以及傳統火災報警系統中存在的缺陷，誤報和漏報現象時有發生，使得人們“談火色變”。對此，相關技術人員加強了對于火災探測報警系統的研究，在很大程度上提升了系統的智能化水平，對于預防火災隱患，保障人們的生命財產安全有著重要意義。

1 ZigBee技術概述

ZigBee技術是一種雙向無線通訊技術，適用于自動控制以及遠程控制領域，可以嵌入到各種設備中[1]。ZigBee技術具有幾個非常顯著的特點，一是低功耗，與其他短距離無線通信技術相比，ZigBee技術的傳輸速率相對較低，其發射功率僅僅為1mW，結合休眠模式，使得相關設備的功耗極低，甚至僅僅依靠兩節普通的5號電池就能夠待機6個月到2年的時間；二是低成本，ZigBee模塊的成本僅僅為6美元左右，也就是不到40元，而且其協議免除了專利費，進一步降低了技術運用的成本；三是短時延，無論是通信時延又或者從休眠狀態激活的時延都非常短，以活動設備為例，其接入信道的時延僅僅為15 ms，因此適用于對于時延要求相對苛刻的無線控制應用，如工業控制、報警系統等[2]；四是高可靠，在技術中采用了免沖撞機制，而且為一些固定帶寬的業務預留出了專用時隙，從而有效避免了數據在發送過程中的競爭和沖突。結合完全確認的數據傳輸模式，每一個發送的數據包都需要由接收方確認后才能發出，在傳輸過程中如果出現了問題，也可以重新進行發送；五是安全性，在ZigBee技術中提供了一種基于循環冗余校驗的檢索功能，能夠對數據包的完整性進行檢查，結合高級加密標準的加密處理，能夠有效保證數據傳輸的安全[3]。

2 基于ZigBee技術的煙霧檢測火災報警系統

2.1 設計方案

煙霧檢測火災報警系統包括了兩個主要組成部分，一是煙霧檢測傳感節點，能夠實現對特定區域內煙霧信息的檢測，結合相應的分析模塊，對是否存在火情做出準確判斷，同時向網關發送相應的報警信息；二是家庭網關服務器，屬于一種智能化的信息處理系統，可以將接收到的報警信息利用無線網絡或者互聯網，自動轉發給小區物業、業主和消防部門，從而確保對火情的及時處理。

2.2 硬件設計

在該系統中，煙霧傳感器節點包括了3個基本模塊，分別是MQ-2煙霧傳感器模塊、MCU模塊以及無線通信模塊[4]。

煙霧傳感器模塊包括了MQ-2煙霧傳感器以及LM393電壓比較器，其中，MQ-2煙霧傳感器由微型Al2O3陶瓷管、SnO2敏感層、測量電極和加熱器等部件構成，測量電極與加熱器共同構成了敏感元件，固定在腔體內，通過加熱器的加熱，使得氣敏元件處于相對穩定的工作狀態。煙霧傳感器模塊的整體結構見圖1。

圖1 煙霧傳感器模塊

MQ-2煙霧傳感器的工作電壓為5 V直流電，依照煙霧濃度輸出對應的模擬電壓（0～5 V）。為了方便MCU模塊進行報警處理，以LM393電壓比較器對MQ-2輸出的模擬電壓與正常情況下其輸出的閾值電壓進行比較分析，同時輸出二值數字信號[5]。如果模擬電壓不超過閾值電壓，則LM393的輸出值為1，表示沒有火災發生，反之，LM393的輸出值為0，表示存在有火災事故。

為了對整個系統的設計進行簡化，確保系統運行的高可靠性和高安全性，選擇無線單片機CC2430構建相應的MCU模塊和無線通信模塊。無線單片機CC2430集成了一個小巧高效的工業級控制器，采用8位MCU、128位可編程閃存以及具備8個獨立通道的14位模數轉換器，同時設置有21個可編程I/O引腳和2個可編程UART，用于主/從SPI[6]。CC2430芯片符合了ZigBee技術標準，同時采用了2.4 GHz射頻系統，適合作為協調器節點、路由器節點以及終端設備的核心部件。在接收和發射模式下，電流損耗分別為27 mA和25 mA，功耗極低。

通過這樣的配置，單片機能夠通過盡可能少的外圍器件，實現數據的存儲和處理，構建多點對多點的無線傳感網絡[7]。

煙霧檢測傳感節點的硬件結構如圖2所示。

圖2 煙霧檢測傳感節點硬件結構

結合單片機CC2430內部MCU的通用IO引腳，可以對煙霧傳感器模塊發送的報警信號進行接收，然后通過單片機內部的射頻模塊，將接收到的報警信息發送給家庭網關。

2.3 軟件設計

在煙霧檢測火災報警傳感節點中，硬件設備提供了基本的系統構架，而軟件則關系著系統功能的實現，必須得到技術人員的高度重視。這里采用Z-stack協議進行軟件的開發和設計，該協議滿足ZigBee2006規范，能夠同時支持多種軟件開發平臺[8]，其中就包括了面向ZigBee的CC2430片上系統、基于CC2430收發器的新平臺以及TI的MSP43超低功耗 MCU，Z-stack協議的運行開發環境為 IAR Embedded Workbench 7.30B，這是一個嵌入式、高度靈活的集成開發環境，適用于8位、16位和32位微處理器和微控制器的軟件開發[9]。傳感器節點軟件設計流程如圖3所示。

圖3 傳感器節點軟件設計流程圖

在火災報警系統中，煙霧檢測傳感節點的軟件包括了數據采集模塊、火災報警模塊以及查詢模塊，其中，數據采集模塊的主要作用，是對系統管轄區域內的設置的煙霧傳感器模塊輸出的二值數字信號進行采集和整理，并將其存儲到內存中，為煙霧檢測以及火災判斷提供必要的數據支持[10]；火災報警模塊中需要預先設置相應的閾值，將接收到的二值數字信號與其進行對比分析，從而判斷是否存在火情，是否需要發出報警信息。如果檢測到火情，則火災報警模塊會立即調用ZigBee無線通信模塊，向家庭網關發送相應的火災報警信息，如果必要，也會同時向小區物業以及消防部門發送報警信息，并驅動蜂鳴器發出警報；如果檢測后發現信號正常，則會繼續對下一個接收到的二值數字信號進行對比、判斷和處理[11]；查詢模塊的主要作用，是方便人們對相應的信息進行查詢，相應家庭網關的查詢請求。在系統運行過程中，如果服務器發送數據查詢請求，則ZigBee無線接收模塊在接收到相應的請求信號后，會對其進行分析和處理，然后調用ZigBee無線發送模塊，將當前傳感節點的工作狀態信息發送給服務器[12]。

傳感器節點在設定好的采集周期內采集溫度數據，其余時間處于低能耗狀態，直到采集數據事件的觸發。在軟件設計環節，單片機對于DS18B20的訪問包括了初始化序列、ROM指令處理、操作存儲器命令發送、讀取溫度數據以及數據處理，需要設計人員結合傳感器節點的具體運行需求，對相關參數進行合理設置。

實際上，為了方便對系統的操作，在軟件設計中，還需要進行客戶端的設計。采用VB6.0編寫相應的圖形用戶界面，通過該界面，用戶可以實現對系統的管理和操作。例如，結合相應的監控界面，可以實時了解不同區域火災報警指示燈的狀態，當火情發生時，相應的指示燈迅速亮起，提醒用戶注意。而當協調器對相應的信息進行確認，判斷有火災發生時，會發出警報信息。為了便于操作，減少誤報問題，在界面上設置有遠程連接按鈕、串口設置欄、手動報警按鈕以及相應的報警解除按鈕[13]。

3 煙霧檢測火災報警系統可靠性驗證

想要對火災報警系統的可行性和可靠性進行檢驗，最為簡單同時也最為有效的辦法，就是進行相應的模擬實驗，結合實驗結果，對系統進行相應的評估和調整。

煙霧檢測火災報警系統實驗主要包括了煙霧檢測傳感節點以及家庭網關模擬器，而家庭網關模擬器則由液晶顯示器、鍵盤、蜂鳴器以及無線單片機CC2430共同組成。開展實驗的主要目標，是對報警系統的煙霧檢測功能、報警功能、信號傳輸功能以及查詢功能進行測試，看起是否存在故障和問題，是否具備良好的可靠性和穩定性[14]。

在實驗中，應該選擇空房間，模擬實際環境，并配備相應的滅火器，以確保實驗安全。具體來講，首先應該在煙霧檢測傳感節點附近，制造出煙霧，并逐步提升煙霧的濃度，對其報警情況進行觀察。當煙霧濃度達到了報警值后，判斷其是否屬于可控火情，如果此時火情較大，則應該適當降低報警值。然后，通過家庭網關模擬器，模擬家庭網關向煙霧檢測傳感節點發送相應的查詢請求，確保網關模擬器能夠及時準確地接收傳感節點的反饋信息[15]。

4 結束語

綜上所述，火災所造成的危害是非常嚴重的，做好火災預警工作，提前對火災進行應對和處理，是保障人們生命財產安全的關鍵。本文基于ZigBee技術，提出了一種面向智能家庭的煙霧檢測火災報警系統，對其傳感節點進行了設計，介紹了系統的硬件構成和軟件實現，并通過相應的試驗，對系統的可靠性進行了檢驗，具備良好的應用價值。

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Smoke detection based on ZigBee fire alarm sensor node design research

SUN Hai-li
（Xi'an Railway Vocational and Technical College，Xi'an 710014，China）

Fire is not only a serious threat to the safety of people's lives and property，but also affects the social stability and development，and accelerated constantly in the process of urbanization，urban population density increasing，under the precondition of building height increases rapidly，threat caused by fire is difficult to assess.The from the control and prevention of fire accidents of based on ZigBee technology proposed a smoke detection fire alarm sensor node design，combined with the corresponding reliability test，demonstrates the feasibility and reliability of the scheme，so that the system can automatically collect smoke signal and send alarm information，and timely on the fire hazard were excluded，to ensure safety.

ZigBee；smoke detection；fire alarm；sensor nodes

TN99

A

1674－6236（2017）10-0081-03

2016-04-27稿件編號：201604267

孫海莉（1980—），女，河南洛陽人，講師。研究方向：電子通信工程專業研究（鐵道車輛專業）。