基于Zigbee 的無線消防預警系統下位機設計

陳若辰 錢晨 南京師范大學電氣與自動化工程學院

引言

基于Zigbee 通信技術，本文設計了一種無線化的消防預警系統，實現多節點控制，節點可動態增減；預警探測器多樣；滿足火災預警場景下的多種需求，方便維護與施工。

1 總體設計

所設計的消防預警系統，以TI 公司的ZigBee 片上系統CC2530 作為核心處理器，將多組不同的探測節點和協調器模塊通過ZigBee 網絡連接起來。以溫濕度探測模塊DHT11 為例，終端采集環境中的溫度和濕度數據后通過無線網絡發送給協調器，和火焰輻射數據、煙霧濃度數據一起由協調器打包送至上位機串口顯示。

總體結構如圖一所示。

圖1 總體結構設計

2 模塊選擇設計

系統中共有三類環境監測節點模塊，作為終端節點，起到采集實時數據、執行來自協調器的命令的功能。功能闡述分述如下：

2.1 溫濕度探測模塊

該模塊的監測終端為DHT11 數字溫濕度傳感器，它由一個電容式感濕元件和一個NTC 測溫元件構成，并與一個高性能8 位單片機相連。其濕度精度±5%RH，溫度精度±2°C，適用于溫度急劇升高條件下火災的預警。其具體功能為監測目標環境中的溫濕度數據并進行實時傳輸給協調器，再由協調器發送至串口顯示。當環境中溫度急速上升并超過預設溫度線，發出火災預警信號。

2.2 火焰輻射探測模塊

該模塊的火焰傳感器可以監測火焰或波長在760 納米至1100 納米范圍內的光源，對火焰光譜尤其靈敏，且靈敏度可調，滿足消防監測體系的需要，可以在環境內已經出現火災前期火苗時迅速發現并報警。其功能為當節點探測范圍內出現火焰時，向協調器發送數字開關量1 或者轉化為模擬電壓輸出，再由顯示端發出預警信號。

2.3 煙霧探測模塊

該模塊采用MQ 氣體傳感器，該傳感器使用清潔空氣中電導率較低的二氧化錫作為氣敏材料。當目標環境中出現可燃氣體時，電導率隨空氣中可燃氣體的濃度而增大。該探測模塊可監測甲烷、乙烷、丁烷等傳統火災誘因可燃性氣體，尤其適合天然氣泄漏等情境下的火災預警監測。

其功能為將可燃氣體或煙霧濃度轉化為電壓模擬量輸出，由協調器打包至上位機，顯示實時濃度。敏感元件的阻值R 與空氣中被測氣體的濃度C 成對數關系變化，其中，k1、k2 均為常數：

logR=k1logC+k2。

k1 與氣體檢測靈敏度有關，在測量環境溫度和激活劑選用的不同指標下選擇不同的數值。k2，即氣體分離率，代表了模塊傳感器靈敏度隨著監測氣體的濃度上升而不斷變化，對火災誘發條件下的可燃氣體而言，k2 值多介于1/2 至1/3 之間。

此外，當煙霧濃度連續20 秒超過預警閾值，則發出預警信號。

3 通信傳輸設計

本系統的通信傳輸環節采用基于RS-232 標準的串口通信模塊。串口通信，即串口按位發送和接收字節。該方式傳輸速度較慢，但使用數據線少，結構簡單，更適合大型環境下的遠距離通信，并可以節約通信成本。

在火災預警系統中，串口模塊作為協調器，接收不同類型和不同鋪設區域傳來的溫濕度、火焰輻射和可燃氣體煙霧濃度信號，并發送至上位機。綜合多方面考慮，為了達到成本和通信效率的統一，本系統采用CC2530芯片，其可用于ZigBee 應用，是真正合格的SoC 解決方案，能夠以簡潔的布局、較低的成本構建效率極高、收發性能良好的通信節點網絡。

4 結束語

本文設計了一套基于ZigBee 通信的消防預警系統網絡，可應對處理多種不同火災場景并及時預警，通過上位機軟件的后續研發，可以獲得更加復雜的控制預警效果。本系統造價成本較低，實現消防預警終端無線化，不僅便于安裝和維護。除此之外，加入的傳感器均圍繞火災前期環境信號的檢測，著眼于預警而非報警，防患于未然，具有更加可觀的現實意義。