基于JN5139的無線火災監測系統設計

肖廣兵 陳有超 孫寧 陳勇

摘要：對火災現場進行全方位、實時的環境因素監測，充分掌握火災現場環境信息，可以有效降低火災發生時的人員傷亡概率，減少經濟損失。研發以JN5139芯片為核心控制單元的火災監測系統，采用Zigbee無線傳輸技術將多個傳感節點組織為無線傳感網絡，可在家用供電電路損壞、密閉空間等極端環境中有效采集煙氣含量、濕度、溫度等數據，并由監測主節點將相關數據匯總至監測中心作進一步分析處理，從而實時顯示當前區域的火災態勢，指導火災救援作業。

關鍵詞：火災監測系統;JN5139模塊;Zigbee;無線傳感網絡;實時監測

DOI：10.11907/rjdk.191742

中圖分類號：TP319 文獻標識碼：A 文章編號：1672-7800（2019）012-0138-04

0引言

在火災現場等高危環境中，若缺乏對現場環境因素的評估而貿然采取救援行動，將引發嚴重的安全隱患。因此，在進行火災救援前，充分掌握現場環境狀況對保證相關人員人身安全具有重要意義。

傳統火災報警器功能較為單一，文獻[1]提出一種基于傳統火災報警器的預警方案，能在火災發生初期及時進行預警。但監測節點只是作為一個相對孤立的預警節點，沒有形成由點及面的監測網絡對整體火災態勢進行分析，因此在火災救援過程中難以很好地配合救援工作，且容易受到電路損壞等因素影響，監測穩定性不佳。

近年來，在電子技術與信息技術迅猛發展的大背景下，火災監測系統逐步形成了集信息采集、信息傳輸與信息分析功能三位一體的綜合性系統，相比傳統火災報警系統更加智能化、集成化與系統化。

在信息采集方面，主流技術包括針對林場等大范圍監測的紅外熱成像技術等，如文獻[2]研發了一種以紅外熱成像技術為核心的防火監控體系，該體系在大空間區域防火監控中具有明顯優勢，但對于局部災情，特別是室內等被建筑物遮擋的盲區監測效果不佳;在信息傳輸方面，對數據傳輸低延時、高保真的傳輸要求一直是待突破的難點，目前的Zigbee技術基本能保證傳輸要求，未來的5G通訊技術也會是另外一個突破點;在信息分析方面，如黃卓提出運用大數據分析方法，提高火災監測系統的輔助決策能力。

本文設計的無線火災監測系統，可在有線通訊線路損壞的情況下，以無線傳感網絡為通訊平臺，將各監測節點監測到的數據匯總至災情監控部門，災情監控部門通過監測系統對相關數據進行分析、處理，進而作出更合理的決策，為救援人員規劃最佳救援路線，以有效保障救援人員及受困人員安全。該系統成本低、實用性強，可實現動態災情監控，從而降低救災過程中的人員傷亡概率。

1系統設計與工作原理

如圖1所示，無線火災監測系統主要分為3個功能模塊：①監測子節點模塊，主要用于采集居民樓各區域的煙氣含量、溫度、濕度等數據，以及轉發其它監測子節點數據;②監測主節點模塊，其一方面具備長距離傳輸信息的條件，可將監測子節點中的數據匯總并上傳至監測中心，另一方面可實時監測樓棟各節點煙氣含量、溫度及濕度三大環境因素，達到系統預設的閾值時則觸發報警器;③監測中心模塊，主要功能是接收來自監測主節點的數據，并進行實時分析與處理，生成各節點溫度趨勢圖和火災現場整體環境質量圖，供決策人員參考。

火災發生初期，監測主節點模塊根據接收自監測子節點的信息觸發樓棟火災報警器，為居民爭取盡可能多的逃生時間，同時將數據上傳至消防部門監測中心。監測中心根據檢測到的數據實時生成火災態勢分析圖，消防部門依據火災態勢派遣消防人員及時到達火災現場。救援過程中，消防人員根據火災態勢分析實時圖制定相應救援方案，從而最大程度地降低人員傷亡。

2災情監測預警

相關研究表明，火災最佳逃生時間僅有90。所以在建筑物內外部建立一套全方位的實時災情監測系統進行實時監測與預警，才能為火災逃生盡可能多地爭取時間。火災中，煙氣、缺氧和熱量三大因素是造成人員傷亡的主要原因。其中煙氣危害最大，統計結果表明，火災中85%以上的遇難者是由于火災過程中吸入了煙塵及有毒氣體昏迷后而致死的;其次是缺氧給人體帶來的危害，當氧氣在空氣中的含量由21%的正常水平下降到15%時，人體的肌肉協調能力會明顯受到影響;熱量相比前兩者對人體造成的傷害較小。當有火災發生跡象時，即煙氣、缺氧和熱量檢測值達到系統預設閾值時，火災監測預警系統則會觸發報警器。然后監測中心會根據接收到環境數據，按照煙氣、缺氧、熱量三大因素對監測子節點環境進行評估，生成火災現場環境質量圖。救援人員依據火災現場環境質量圖選擇最佳的救援線路及救援方案，從而在有效節省救援時間的前提下盡可能提高救援質量。

3硬件電路設計

如圖2所示，監測子節點的硬件電路主要包括：供電模塊、傳感電路、JN5139模塊、電路防雷保護電路，以及串口電路和數據存儲電路。

3.1供電模塊設計

為預防火災發生時電路損壞對火災災情監測系統造成的影響，提高系統魯棒性，系統采用220V家用供電和蓄電池供電兩種供電方式。在使用220V家用供電時，接口采用電容濾波和U7LM1117穩壓管穩壓，將波動的家用電壓轉化為穩定的3.3V供電電壓。該電路具備防反接設計，通過D12二極管的單向導電性，保證只有在電源正接的前提下才能有效供電。蓄電池供電接口采用可充電式3.3V電池，同樣具備防反接設計。在保證蓄電池電量充足的前提下，供電模塊會優先選擇220V家用供電接口。當家用電路被火災破壞時，則自動選用蓄電池供電，以保證系統運行的穩定性。

3.2傳感電路設計

傳感電路負責采集環境信息并轉化為數據信號，是整個火災監測系統的基礎。因此，傳感電路設計與傳感器選型顯得尤為重要。本文在保證傳感電路性能的前提下，兼顧經濟因素。由于煙氣含量監測和氧含量監測在功能上具有重復性，所以本系統傳感電路僅采用煙霧監測傳感器實現該功能。另外采用一個集成的溫濕度傳感器實現溫度與濕度數據采集。

3.3JN5139模塊

JN5139模塊基于標準IEEE802.15.4.Zigbee PRO規范，是一種近距離的雙向無線通訊芯片，其功耗、復雜度、數據傳輸率與成本均較低，具有短距離、多點、多跳、自動組網的無線通訊特點。JN5139模塊通過D1012、D1013、D1014、D1015與傳感電路相連，經過一定處理后將數據轉發至下一節點。JN5139模塊最小系統如圖5所示。

4軟件設計

監測系統軟件設計主要包括監測子節點程序設計、監測主節點程序設計與監測中心軟件設計。

4.1監測節點程序設計

監測子節點程序設計的核心是通過向JN5139芯片寫入嵌入式代碼，實現網絡初始化、信號調理、無線數據收發等功能。監測主節點程序根據接收自監測子節點的信息判斷當前樓棟安全狀況，并將數據統一上傳至監測中心。

如圖6（a）所示，監測子節點接通電源時，主程序開始運行并初始化網絡。網絡初始化成功后，監測子節點即開始采集相關數據，同時轉發與主節點連接不良的子節點數據，然后統一上傳至監測主節點。在未接收到終止命令時，該過程會周而復始地進行，以達到實時采集數據的要求。如圖6（b）所示，監測主節點初始化流程與監測子節點一致。初始化成功后，開始接收來自監測子節點的數據并進行初步處理，判斷當前樓棟安全狀況是否正常。若情況正常，則直接將數據通過遠程網絡上傳至監測中心;若發現異常，則先觸發樓棟報警器，再將數據上傳至監測中心。數據上傳完成后，若沒有得到終止命令，則跳轉至“接收子節點數據”步驟進行下一輪循環。

4.2監測中心軟件設計

圖7為采用Visual Basic 6.0開發環境編寫的監測中心軟件。監測中心軟件根據接收自監測主節點的信息，實時生成各節點溫濕度趨勢圖與樓棟整體火災態勢分布圖，并根據需求進行展示。例如，當某一小區3號樓的2樓和3樓發生火災時，軟件會自動標記發生火災的區域，然后調出2樓的火災態勢分布圖查看當前火災現場狀況。根據軟件顯示結果，1號出口比2號更加安全，可選為救援或逃生路線。

5結語

本文創新性地將無線傳感網絡技術應用于火災態勢監控中，以實現對火災現場的動態監測。在對煙氣含量、溫度和濕度數據進行分析的基礎上，建立火災預警系統與火災態勢監測系統，可在火災發生前及時預警，在火災發生中可靠地傳輸并處理環境數據，供救援人員選擇最佳救援方案，從而有效提高救援質量，減少人員傷亡。

未來可對該火災監測系統作進一步優化與完善，如將監測節點集成至智能家居中，作為智能家居的一個附加功能，不僅有助于該技術的普及使用，還能節省安裝成本。另一方面，監測中心數據除配合現場救援外，還可用于大數據分析，形成基于大數據的輔助決策系統，以降低人員主觀評價帶來的偏差。