基于火災報警和被困人員定位功能的消防系統設計

方建博 張福文 劉旭 周野 李潔純 韓成浩

摘要：我國目前有線火突報警系統較成熟，但并不具備被困人員定位追蹤功能，無線報警系統正在興起。針對這一現狀，文章設計了一種具有火突報警和被困人員定位功能的消防系統。該系統包括參考節點、定位節點及網關，火災發生時，定位節點能與參考節點通過ZigBee進行無線通信，并計算出自身位置發送至網關，網關通過CAN總線將信息匯總到控制中心。從而實現了無線火突報警和被困人員定位，在實施救援時，能夠大大降低救援難度，縮短救援時間。

關鍵詞：火災報警系統；ZigBee；無線定位

隨著社會發展，高層建筑的不斷增多以及現代化城市經濟的發展，建筑物內人口的增加，電氣設備過載、過熱、短路和老化等不安全因素，均布局的擴大和具有火災隱患，重特大火災發生概率呈上升趨勢，消防問題越來越受到人們重視。

在我國基于有線的火災報警系統和消防聯動系統已經趨于成熟，然而有線通信方式擴展性能差，對管線的要求苛刻，投資大，布線繁瑣，影響美觀，維護困難。此外，傳統火災報警系統和消防聯動系統不具備對被困人員的定位及追蹤。近幾年，國外新興起新型的無線火災報警系統，我國在無線報警系統方面稍微滯后于國外，卻仍然可以看出無線報警系統廣闊的發展前景[1]。

基于以上國內外報警系統現狀，本文利用ZigBee技術設計一種具有無線火災報警和被困人員定位的新型系統。ZigBee技術具有低功耗，低成本，高可靠性，網絡容量大，安全等特點[2]。能夠有效地降低系統復雜度，提升可靠性和穩定性。

1 系統總體設計方案

系統的總體設計方案如圖1所示。圖中有以下4個模塊：（1）定位節點，是被困人員隨身攜帶的模塊，可以是胸針、腕帶等。（2）參考節點，一般布置在樓內的走廊和工作室內，坐標值已知，具有火災探測功能。（3）網關，需要每層設置一個或多個，在系統中起著承上啟下的作用。（4）控制中心，一般設置在一樓消防控制中心負責接受現場信息并解析，并發送命令及時處理[3]。

火災發生時，參考節點首先把自身位置信息提供給定位節點，定位節點根據參考節點提供的信息，即固定坐標值和接收到的信號強度（Received Signal Strength Indicator，RSSI）平均值，計算出自身的具體位置，并將相關信息傳送至所在樓層的網關上。該信息還包括各個定位節點標志號，以及被困人員的體溫和脈搏等生理特征。

網關接收到相關信息以后，通過控制器局域網絡（Controller Area Network，CAN）總線把這些數據，連同自身的ID號以及參考節點發送的環境溫度和煙霧濃度一同傳送至控制中心的服務器上。

控制中心根據網關提供的各項信息，就可以準確定位被困人員的位置，包括被困人員所處的樓層和具體房間的位置。定位節點的坐標值、標志號及網關的ID號，對被困人員的準確定位起到關鍵性的作用。

2 系統硬件設計

2.1 參考節點設計

參考節點選用CC2430芯片，是一個位于已知坐標位置的靜態節點，配備溫度傳感器及離子感煙器，具有火災探測功能。火災發生時，它能夠與定位節點進行通信，把一個信息包傳遞給定位節點，其中包含自己位置X、Y坐標和RSSI值。從理論上講，參考節點布置得越多，其定位精度越高。同時，參考點能夠將周圍的環境溫度和煙霧濃度轉發至網關節點[4-5]。

2.2 定位節點設計

定位節點選用CC2431芯片，具有定位引擎功能。定位節點結構還包括測量被困人員體溫的溫度傳感器，顯示相關數據的液晶顯示器，以及無線傳輸電路等。CC2431芯片是一款針對無線傳感器網絡ZigBee的片上系統，使用8051MCU，具有高性能、低功耗的優點，還具有極高的靈敏度和抗干擾性能。

定位節點可以通過參考節點的坐標來計算自身位置，它可以收集參考節點的X、Y坐標值和RSSI值，并將這些信息和輸入參數（A，N）相結合，計算本身的坐標位置信息。同時，定位節點將相關數據傳送至網關，包括被困人員的體溫和脈搏等生理特征信息。CC2431芯片定位的原理是根據信號隨著距離增加而衰減的原理。

2.3 網關設計

網關相當于ZigBee網絡中的協調器，負責整個網絡的管理、服務和協調。

每層至少設置一個網關。網關選用CC2530芯片。當兩個或兩個以上同時分布一個樓層時，可以分區放置網關。網關的主要功能是接收來自于ZigBee待定位節點的數據信息。每一個ZigBee定位節點與網關之間的數據通信鏈路是由ZigBee定位節點的安裝位置和建筑物內部結構特點確定，但數據信息的格式是固定不變的。網關結構如圖2所示。

3 結語

本文利用ZigBee無線網絡技術所開發的新型系統，具有無線火災自動報警及被困人員實時定位、疏導功能，可以提高系統的智能化程度和安全系數。系統在最短的時間內報警，并實時定位和跟蹤，大大提高了應急救援工作的效率，將損失降低到最低。同時，也解決了傳統的火災自動報警和消防聯動控制系統存在的工程龐大、系統復雜、施工難、維護困難、投資大等問題，節省了大量的管材和導線，提高了系統的性價比，目前在國內市場有很大擴展空間。

[參考文獻]

[1]顏學義.基于ZigBee的智能火突報警系統設計[D].長沙：國防科學技術大學，2008.

[2]朱琳.基于ZigBee技術的嵌入式火突報警系統的研究與設計[D].鎮江：江蘇大學，2013.

[3]譚秀華.ZigBee技術在遠程監控網絡中的應用研究[D].北京：華北電力大學，2011.

[4]宋慶恒.譚懿.基于CC2530的溫室智能移動監測系統的設計[J].中國農機化學報，2015（36）：114-117.

[5]董曉瑞.基于ZigBee定位系統設計與實現[D].哈爾濱：哈爾濱理工大學，2011.