分布式消防報警監(jiān)控系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

倪建云, 張 薦, 解樹枝, 李子豪

(天津理工大學 天津市復雜系統(tǒng)控制理論及應用重點實驗室，天津 300384)

0 引 言

火災是日常生活中最常見的自然災害，具有可預測性差、蔓延速度快等特點[1]。由于火災險情頻繁發(fā)生，無法保證人們的生命和財產安全，造成了極大的生命和財產損失。人們越來越來重視建筑物火災的防范，同時對火災預防報警與控制的技術水平要求也越來越高，火災監(jiān)控系統(tǒng)的需求量隨之也越來越大。火災報警系統(tǒng)可以分為傳統(tǒng)的布線式和新興的無線式火災報警系統(tǒng)兩大類。傳統(tǒng)火災報警系統(tǒng)火災監(jiān)控系統(tǒng)[2]利用煙霧、CO、溫度傳感器檢測建筑物內的環(huán)境狀況，從而感知火災的出現(xiàn)，并進行報警通知。雖然傳統(tǒng)報警系統(tǒng)在技術水平和實際應用上都已十分完善和成熟，但是其存在著所有布線式系統(tǒng)的通病，功能單一、結構復雜、維護困難、設備利用周期端、成本高、功耗大、抗干擾能力差等缺點，這極大的降低了控制火災的效率，很顯然這種系統(tǒng)已經不適合現(xiàn)代的建筑系統(tǒng)的消防報警與監(jiān)控。

現(xiàn)在，隨著嵌入式、無線通信、傳感器技術的發(fā)展，為遠程監(jiān)控設備的實現(xiàn)創(chuàng)造了條件[2-3]，使今后的監(jiān)控設備更加的智能化、網絡化，基于無線網絡的消防報警監(jiān)控系統(tǒng)的實現(xiàn)也成為可能。無線傳輸的方式解決了在實際應用中傳統(tǒng)火災報警系統(tǒng)所存在的錯綜復雜的線路設計、施工與檢修困難、高故障率和誤報率等問題。本文結合ZigBee 無線通信技術與組態(tài)技術對現(xiàn)有的消防報警系統(tǒng)進行了研究和改進，設計基于CC2530芯片的協(xié)調器與終端節(jié)點，并搭建ZigBee多節(jié)點無線星型通信網絡。實時的數據傳送和后臺完善的人機監(jiān)控界面大幅提高了火災報警監(jiān)控系統(tǒng)的火災的數據處理能力和智能滅火的能力，增強了系統(tǒng)的可靠性、安全性。此系統(tǒng)具有維護簡單方便、反應迅速靈敏等優(yōu)點，為現(xiàn)在的火災監(jiān)控提供了新思路。

1 火災報警監(jiān)控系統(tǒng)總體結構

本文所設計的基于ZigBee的無線消防報警監(jiān)控系統(tǒng)主要由組態(tài)監(jiān)測平臺、人機交互界面、協(xié)調器、多個終端節(jié)點和報警控制器組成。組態(tài)技術設計的組態(tài)監(jiān)測平臺主要包括火災報警界面、報警監(jiān)測主界面、數據報表、實時數據曲線以及連接DCS數據庫；實現(xiàn)現(xiàn)場實時數據的顯示、系統(tǒng)故障提示、遠程火災報警等。

協(xié)調器作為主控制器與終端節(jié)點的傳輸樞紐，與監(jiān)測界面平臺經過串口進行連接，主要任務是數據上傳與命令下達；終端節(jié)點通過控制器連接現(xiàn)場的報警裝置、檢測模塊、滅火裝置，通過已經搭建的無線通信網絡將現(xiàn)場的溫度、煙霧濃度、CO濃度等參數[4-6]傳送至協(xié)調器節(jié)點，并通過控制器控制現(xiàn)場的報警裝置，實現(xiàn)底層與上位操作界面結合的系統(tǒng)全面的火災報警監(jiān)控。基于 ZigBee無線消防報警監(jiān)控系統(tǒng)的總體結構如圖1所示。

圖1 消防報警監(jiān)控系統(tǒng)總體結構

2 系統(tǒng)硬件構成

系統(tǒng)硬件主要包括基于CC2530的協(xié)調器節(jié)點、終端節(jié)點硬件電路的設計與實現(xiàn)。協(xié)調器節(jié)點主要由 CC2530芯片設計的電路板外接LCD顯示屏、天線、電源等模塊組成。終端節(jié)點主要由CC2530 芯片設計的電路板外接的溫度、CO濃度、煙霧濃度等傳感器和天線、控制器、報警裝置、電源等模塊組成。其中CC2530與PL2303HX連接如圖2所示。

圖2 CC2530與PL2303HX連接圖

2.1 煙霧傳感器

本文采用表面離子式N型半導體二氧化錫氣體敏感性材料構成的MQ-2型煙霧傳感器，當周圍環(huán)境溫度達到200～300 ℃時，空氣中的氧分子便會被二氧化錫所吸附，從而造成氧負離子的吸附，導致半導體中的電子密度降低，使電阻值極度增大。

當與環(huán)境中煙氣、霧氣接觸時，煙霧會影響晶粒間隙處的勢壘，從而導致傳感器表面電導率變化。利用以上兩點即可準確的獲得空氣種煙霧的存在，并且煙霧濃度越大，輸出電阻越小，從而實現(xiàn)環(huán)境煙霧的檢測。MQ-2煙霧傳感器電路設計如圖3所示。

圖3 煙霧傳感器電路設計

2.2 溫濕度與CO傳感器

MQ-9型CO氣體傳感器主要用來監(jiān)測現(xiàn)場CO濃度，實現(xiàn)氣體與煙霧的雙重監(jiān)測，利用其良好的穩(wěn)定性和靈敏性，使得火災監(jiān)控更加準確高效。當空氣中的CO通過氣孔和透氣膜擴散到傳感器的工作電極表面上時，在電極的催化作用下，CO氣體在電極上發(fā)生氧化，通過一系列化學反應，電極上便會產生電位差，從而氣體傳感器就會產生出一定大小的電流，再利用參比電極來維持兩個電極間電流穩(wěn)定，其電流大小與氣體濃度成正比關系。

因此，再在氣體傳感器外接相應的轉換和輸出電路，通過測量傳感器輸出電流的大小從而檢測出空氣中的CO濃度，實現(xiàn)對CO濃度檢測。溫濕度的檢測則是利用DS18B20的穩(wěn)定性和精確性的特點，對現(xiàn)場的溫度、濕度進行實時檢測。MQ-9 CO濃度傳感器電路設計如圖4所示。

圖4 MQ-9電路設計

3 系統(tǒng)軟件設計

軟件設計包括基于ZigBee協(xié)議的多個終端節(jié)點與協(xié)調器的星型網絡拓撲結構的組網程序設計；采集環(huán)境信息的固件程序的編寫；利用IAR Embedded Workbench IDE開發(fā)軟件和SmartRF04EB仿真器進行程序設計與調試工作；基于組態(tài)技術的組態(tài)監(jiān)測界面、人機交互界面設計以及驅動程序的編寫。

3.1 ZigBee無線網絡協(xié)議與網絡拓撲結構

ZigBee協(xié)議雖然是基于IEEE802.15.4，但其不僅能處理IEEE能處理的MAC層和物理層協(xié)議，同時也對網絡層(NWK)和應用程序編程接口進行了標準化[7-8]。此外，ZigBee堆棧擁有IEEE所不具有堆棧層：應用層(APS)、安全套接層(SSL)等。

ZigBee所包含的網絡拓撲結構[9-10]主要有星形、網狀型、簇狀型3種網絡模型。在ZigBee無線網絡中，不同的網絡拓撲對應于不同的應用領域，對網絡節(jié)點的配置也不同。本系統(tǒng)采用的星形網絡結構是利用多個終端節(jié)點和一個協(xié)調器節(jié)點進行組合，形成類似發(fā)散型的網絡結構。網絡拓撲模型分類如圖5所示。

圖5 網絡拓撲模型

3.2 消防報警監(jiān)控系統(tǒng)主程序

在主程序中，首先進行的是終端節(jié)點上所集成的傳感器、報警、控制器等模塊的初始化；隨后進行無線網絡ZigBee協(xié)議初始化，并將系統(tǒng)中的所有終端節(jié)點和協(xié)調器加入到無線網絡中；通過查詢單個終端上的溫度和CO濃度，確定組網是否成功。查詢報文與響應報文組成如表1、2所示。

表1 查詢報文

表2 響應報文

成功組網后進入火災報警程序中，終端節(jié)點傳感器檢測CO濃度、溫度、煙霧濃度信息。根據傳感器所采集檢測到的信息，處理器進行判斷、分析是否有火災發(fā)生，若是數據異常，現(xiàn)場報警響起，主控制器并控制消防設備進行滅火；若是數據無異常則系統(tǒng)延時60 s后繼續(xù)進行監(jiān)測。主程序設計流程如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)主程序流程

3.3 程序設計

程序設計基于IAR Embedded Workbench IDE開發(fā)平臺，運用模塊化編程[11]的思想，分別是系統(tǒng)初始化、無線網絡組建、數據處理等功能模塊。系統(tǒng)數據通信結構如圖7所示。

(1) 系統(tǒng)初始化。主要是對終端節(jié)點和協(xié)調器節(jié)

圖7 數據通信結構

數成員如下所示：

osal_int_disable( )；//首先關閉所有的中斷。

HAL_BOARD_INIT()；//初始化底層的相關硬件。

zmain_ram_init()；//初始化棧內存。

InitBoard(OB_COLD)；//初始化 I/O。

HalDriverInit()；//初始化HAL層驅動。

osal_nv_init( NULL)；//初始化NV系統(tǒng)。

ZMacInit()；//初始化MAC層。

osal_init_system()；//初始化運行系統(tǒng)。 osal_int_enable(INTS_ALL)；//開啟中斷。

(2) 無線網絡組建。搭建多個終端節(jié)點與一個協(xié)調器節(jié)點的星型無線網絡模型[12]。該類主要函數成員如下所示：

Void SampleApp_Init(unit8 task_id)；//配置串口。

MT_UartInit()；//串口初始化。

MT_UartRegisterTaskID(task_id)；//注冊串口任務。

HalUARTWrite(0,”UartInit-OK ”,sizeof(“UartInit -OK ”))；//串口配置成功。

SampleApp_ProcessEvent()；//進程處理函數。

SampleApp_SendPeriodicMessage()；//信息發(fā)送函數。

SampleApp_MessageMSGCB(afIncomingMSGPacket_t *pkt)；//信息接收函數。

(3) 數據處理。組態(tài)監(jiān)測平臺通過決策算法對檢測數據進行評估.

DataFiltering()：//數據去燥處理函數。

GetDataFromCorN()：//評估算法的數據是從協(xié)調器器獲取，并將數據保存在WriteData。

SaveDataToTXT()：//數據保存，實現(xiàn)TXT文檔存儲。

4 系統(tǒng)的實現(xiàn)與運行

系統(tǒng)的實現(xiàn)主要包括協(xié)調器、終端節(jié)點的硬件連接，組態(tài)監(jiān)測界面的設計和人機操作界面的設計等。

4.1 協(xié)調器與終端節(jié)點設計

分析協(xié)調器與終端節(jié)點在系統(tǒng)中的作用，將各個模塊與利用CC2530所設計的節(jié)點進行連接，測試。各模塊的連接如圖8所示。

終端節(jié)點主要連接煙霧、溫度、CO傳感器等組成的檢測模塊[12-13]、控制器、報警裝置、外設天線等模塊；協(xié)調器節(jié)點作為傳輸紐帶主要連接LCD顯示屏和天線兩個模塊。硬件設計如圖9所示。

圖8 模塊連接圖示意圖

圖9 協(xié)調器與終端節(jié)點

4.2 組態(tài)監(jiān)測界面設計

組態(tài)設計軟件[14-16]的適應能力強、開放程度高、擴展方便、工程開發(fā)周期短等優(yōu)點，使其在上位機監(jiān)控界面的設計中應用非常廣泛。本文所設計的消防報警監(jiān)控系統(tǒng)可以劃分為底層檢測層、連接層、操作監(jiān)控層。其中連接層下連接檢測層，上連接監(jiān)控層，在系統(tǒng)中作為底檢測層與監(jiān)控層的通信紐帶，主要作用上傳檢測信息與命令下達。連接如圖10所示。

圖10 連接示意圖

通過對消防系統(tǒng)要求及實現(xiàn)功能的分析，尤其考慮三方面問題：界面簡單明了、數據呈現(xiàn)完整、動畫實時顯示。本文中的操作界面主要是基于組態(tài)王進行設計的，充分調用類似Windows的圖形界面的編輯功能，構成實時組態(tài)監(jiān)控界面，結合實時報警窗口、歷史趨勢曲線、生成實時和歷史報表等等，以動態(tài)的方式呈現(xiàn)控制設備的工作狀態(tài)、數據變化等。人機交互界面如圖11所示。

4.3 消防報警記錄界面

主要對現(xiàn)場的CO濃度、煙霧濃度和溫度進行監(jiān)測，設置溫度值、CO和煙濃度報警參數，并設計相應的狀態(tài)顯示燈，當這些參數超標時，顯示燈為紅色，正常時為綠色；經測試各個傳感器工作正常，數值誤差較小。具體報警結果記錄界面如圖12所示。

圖11 系統(tǒng)組態(tài)監(jiān)測界面設計

圖12 消防報警記錄界面

5 結 語

將CC2530單片機與組態(tài)技術相結合，對系統(tǒng)從底層到上位進行完整的設計，底層主要是利用檢測模塊、報警裝置等模塊與CC2530單片機結合，設計了底層檢測結構。基于ZigBee協(xié)議組建網絡，搭建多終端節(jié)點與單一協(xié)調器的星型網絡，實現(xiàn)數據的無線網絡通信。協(xié)調器與組態(tài)監(jiān)測界面平臺通過串口進行連接，實現(xiàn)檢測數據從底層到上位的傳輸。再利用組態(tài)技術設計組態(tài)監(jiān)測界面、人機操作界面、報警記錄界面等等，實現(xiàn)了整個系統(tǒng)底層與上位機的設計，實現(xiàn)了數據的傳送與報警功能。經試運行，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定，響應迅速，良好的人機交互界面，能很好的實現(xiàn)無線消防報警監(jiān)控系統(tǒng)的實時監(jiān)控與遠程監(jiān)控功能。

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