基于ZigBee無線網絡的火災監(jiān)控系統(tǒng)設計

譚涵

【摘要】在本論文中，設計了一種低功耗、多參數的復合火災探測節(jié)點，該節(jié)點可以檢測溫度、煙霧濃度和CO氣體濃度，并結合無線傳感器網絡（WSN），建立了一套實時無線火災監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)應用于以古建筑為代表的特殊情況下的火災檢測。其中，系統(tǒng)的硬件和軟件實現基于2.4GHz無線通信芯片CC2430。系統(tǒng)中采用ZigBee協(xié)議，形成可靠的無線通信。實驗結果表明，傳感器節(jié)點之間能夠自動連接并形成網絡，系統(tǒng)在無線火災探測中能夠有效、穩(wěn)定地工作。

【關鍵詞】ZigBee;無線網絡;火災監(jiān)控系統(tǒng)? ? ? ? ? ?【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021.34.034

1、引言

是否發(fā)生火災通過機器去判別，就要了解火災發(fā)生的特點[1]。傳統(tǒng)的火災監(jiān)控系統(tǒng)需要在區(qū)域內布置線路，安裝過程繁瑣，且對環(huán)境造成破壞。無線網絡是一個伴隨新興技術發(fā)展而發(fā)展起來的重要項目的優(yōu)勢越來越明顯。因此，將火災探測技術與無線傳感器網絡相結合，逐漸成為探測火災發(fā)生的重要研究點。

ZigBee技術是一項無線通信技術，其主要的一些優(yōu)點有損耗低而且適合短距離強信號傳輸的設備，主要用于無線傳感網絡，自動控制和遠程控制區(qū)域。它通常被認為是一種最佳的無線方式通信協(xié)議，因為它完全滿足要求并具有較高的無線傳感器網絡應用性能可靠性、自組織網絡、自修復能力大型網絡卷[2]。

2、消防監(jiān)控系統(tǒng)結構

在火災監(jiān)測系統(tǒng)中，一般都會采用一些成本較低的傳感設備用于信息檢測和傳輸，用于檢測區(qū)域內的火災參數。組成ZigBee網絡需要三種節(jié)點：檢測節(jié)點、路由器和協(xié)調器。將傳感器節(jié)點配置為ZigBee網絡中的檢測節(jié)點，實現CO氣體濃度、煙霧濃度、溫度等火災參數信號的實時數據采集。協(xié)調員負責PAN（個人局域網）的形成，并從所有檢測節(jié)點收集數據。路由器主要負責數據的存儲和發(fā)送、發(fā)現與連接設備、路由表的維護、數據的轉發(fā)和網絡鏈路的維護，再通過rs485傳輸協(xié)議進行通信。該系統(tǒng)采用ZigBee雜波樹網絡拓撲結構，采用CSMA/CA原理，傳輸模塊具有更好的信息隱藏、抗干擾、自愈和覆蓋范圍大等優(yōu)點。在計算機中運行專門的火災監(jiān)控后臺軟件，接收協(xié)調器上傳的信息進行處理和顯示，實現監(jiān)控區(qū)域的快速狀態(tài)反映。

檢測節(jié)點不僅可以通過多跳路由自動配置網絡，還可以感知溫度、濕度和煙霧濃度。基站負責收集各檢測節(jié)點的數據，并將數據傳遞給計算機進行處理和顯示。

3、硬件設計

3.1 火災探測節(jié)點的結構

ZigBee的無線檢測主要的數據接收是CO的數據，另外還包括溫度和煙霧濃度等。數據處理單元控制節(jié)點對檢測數據進行處理。數據傳輸單元完成與路由器和協(xié)調器的交互。電源單元負責節(jié)點的能源[5]。

3.2 無線收發(fā)和處理模塊

本系統(tǒng)采用CC2430作為無線收發(fā)和處理模塊的核心，CC2430是本文所選取的實現火災報警的單片機設備。CC2430收發(fā)器的核心是一個高效能的8051控制器，有128 kb的 Flash，定時器為看門狗，其中的輸入輸出口有22個[3]。外圍電路包括晶體振蕩器時鐘電路、射頻輸入輸出匹配電路和微控制器接口電路。模塊采用高增益垂直天線，采用2.4G SMA專用接口。

由于芯片的功能非常強大，它只需要很少的外部組件就可以工作，大大簡化了設計。考慮到其集成度高、功耗低的特點，因此我們就選擇CC2430為信息處理部件。這樣既可以在很大程度上減少硬件投資，又能滿足工程的要求。

3.3 火災參數檢測模塊

火災剛起時，明火不大但能產生更多的CO氣體，而且溫度會升高。基于這些參數，我們設計了一個火災檢測模塊，包括煙霧檢測單元、一氧化碳氣體檢測單元和溫度檢測單元三部分。這三個部分共同實現了煙霧濃度、CO氣體濃度和溫度的檢測。

本文的光帶你探測電路，主要工作原理是煙顆粒會發(fā)出紅外光，紅外光會使二極管產生電信號。發(fā)射機晶體管的基極連接到CC2430的I/O管腳，輸出一個脈沖控制紅外發(fā)射二極管的開/關，產生的信號通過前置放大電路和后置放大電路進行調節(jié)放大。最后將信號發(fā)送到CC2430中的AD轉換器，脈沖引腳低電平關閉采用紅外發(fā)光二極管，以節(jié)省電源。

（1）系統(tǒng)采用低功耗數字溫度傳感器TMP102進行實時溫度檢測。TMP102是一種工業(yè)上所采用的比較靈敏的溫度傳感設備，可在一個微小的SOT563封裝，其能采集到的溫度值的精度達0.0625°C[4]。由于其具有低功耗和數字化的優(yōu)點，TMP102是火災監(jiān)控系統(tǒng)中理想的溫度測量工具。TMP102通過IIC總線與CC2430的I/O管腳相連。

（2）本系統(tǒng)采用選擇的采集一氧化碳有毒氣體的檢測設備為RAE_4CO-500。其檢測范圍可以達到0-500ppm，分辨率為1ppm，線性度非常好。4CO-500傳感器檢測CO氣體并輸出微弱電流信號，實現氣體濃度轉化為電流信號，電流信號由電流電壓轉化模塊轉成電壓信號，最后再通過電子元器件將模擬信號轉化為數字信號。經相關數據處理后，信號由射頻模塊發(fā)出。

4、軟件設計

4.1 軟體開發(fā)平臺

在系統(tǒng)通信程序設計中，經常使用IAR的嵌入式工作臺，它是目前世界上最完整、最簡單的嵌入式應用專業(yè)開發(fā)工具。

4.2? ZigBee技術

與Wi-Fi和藍牙技術類似，ZigBee也可以在ISM無線頻段運行，數據傳輸速率250kbps，ZigBee （IEEE 802.15.4）技術為低速率無線PAN指定了物理和介質訪問控制層，傳輸速率高達10米，16個通道定義在2.4 GHz頻段，但更窄的2 MHz頻段，也不重疊，因此，多達16個ZigBee網絡可以在同一區(qū)域同時共存。最新的ZigBee版本支持ZigBee Pro標準中的頻率跳頻，這允許ZigBee PAN在前一個頻道發(fā)生重載時從一個頻道移動到另一個頻道。該通信模型要求它將工作分配到多個不同的設備中，這些設備駐留在單獨的ZigBee節(jié)點中，這些節(jié)點又形成了一個網絡。ZigBee是一種低功耗、低成本的無線網狀網絡標準，為用戶提供網絡、安全和應用支持服務另外其還具有高容量的特性。ZigBee網絡可以構造成不同的類型，一個主節(jié)點可以管理254個節(jié)點，每個節(jié)點還可以擴展到更大的網絡。整個網絡理論上可以有65535個節(jié)點。

4.3 軟件流程

ZigBee無線傳感器網絡中的檢測節(jié)點部署在檢測區(qū)域，采集和傳輸信息，協(xié)同完成分配的任務。在每個節(jié)點上運行的程序可以完全相同，但ID是唯一的。為了達到低損耗，主要采用的是傳感器定時喚醒機制，降低信息碰撞的概率，延長網絡的壽命。協(xié)調器建立標識符，而且將短地址設置為零，主要實現節(jié)點與路由器的連接。當節(jié)點接收到信號后。

我們采用微軟的軟件設計平臺，選取VC++語言為編程語言，該軟件通過串口與協(xié)調器連接來獲取數據。通過處理和分析，顯示溫度、煙霧濃度、CO濃度信息，便于實驗觀察。利用神經網絡算法確定火災的發(fā)生，進一步降低了誤報的可能性。當火災被證實時，就發(fā)出警報。

5、實驗與統(tǒng)計分析

通過實驗驗證了我們所采用的硬件以及ZigBee協(xié)議的有效性。結果表明，檢測節(jié)點能在有效通信距離內自動形成網絡，單個節(jié)點故障不影響整個網絡的數據傳輸。

我們采用國標GB 4715 - 2005對點型起火點火災探測設備選取6檢測節(jié)點，節(jié)點1到節(jié)點6，分別安排在三米循環(huán)標準火災實驗室和標準的棉繩火是用于測試。此外，我們還安裝了標準的光學煙霧密度計來檢測煙霧數據，以供參考。變化趨勢相似，但節(jié)點1、3對煙度的響應時間小于有線光密度計。實驗結果表明，所設計的檢測節(jié)點具有較高的靈敏度。

結果表明，由于火災開始時存在陰燃階段，溫度變化較慢。由于節(jié)點與火源的距離不同，節(jié)點檢測到的溫度也不同，但上升趨勢是一致的。

實驗中使用多個檢測器同時檢測給定濃度的CO標準氣體，并根據采集的數據對每個檢測器進行重復分析和校準。并安排各檢測器檢測不同濃度的標準CO氣體，通過檢測數據分析其線性關系。CO的標準濃度分別為99ppm、203ppm、303ppm、50.3ppm、397ppm、502ppm。該檢測器響應時間極短，可檢測相應濃度的標準值。當濃度不變時，數據保持穩(wěn)定。該檢測器線性度好，靈敏度可達1ppm。實驗結果表明，該探測器線性度好，靈敏度高。因此，該探測器能在火災早期靈敏地檢測出CO氣體濃度的變化。

結論：

基于ZigBee構建的無線火災自動報警系統(tǒng)克服了有線報警系統(tǒng)的局限性，避免了其他無線通信技術的高功耗。與現有的無線傳感器網絡相比，具有成本低、網絡容量大、使用壽命長等優(yōu)點。該系統(tǒng)采用多探測節(jié)點協(xié)同工作，多參數精確識別火情。采用CO濃度作為火災參數，既可以快速檢測火災，又可以補償酒精火災等無煙火災的檢測。系統(tǒng)選用了低功耗芯片，設計了低功耗硬件電路。在不適合布置有線火災報警系統(tǒng)的特殊場所的消防安全和監(jiān)控方面，這種系統(tǒng)有其獨特的優(yōu)勢，具有廣闊的應用前景和重大意義。

參考文獻：

[1]劉世興，涂德峰，張永明.基于無線傳感器網絡的多參數火災探測，Proceedings 2009 IEEE International Conference on icis2009.11 vol .3，P203-206。

[2]張云洲，薛定宇，吳成東，等.一種無線傳感器網絡節(jié)點的設計與實現，P：1 - 4.DOI：1109 / WiCom.2008.906。

[3]王慶柱，劉榮昌，馬玉泉，等.基于ZigBee技術的礦井報警系統(tǒng)應用研究，P2537 2540。

[4]德州儀器

[5]Yue， REN， Ru-yue， et al. Soil Temperature and Humidity Monitoring System Design for Farm Land Based on ZigBee Communication Technology[C]// 2019.