基于ZigBee的自動阻燃報警系統(tǒng)

丁萬，馮渙婷，胡帥，楊鈺林

(江蘇信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇淮安，223000)

0 引言

消防安全尤其在大型的公共場所和重要的倉庫中已成為安全檢查的必要項，其中大部分應(yīng)用場景均是可見的或是開放性場所。在實(shí)際生活中，我們常常會發(fā)現(xiàn)在貨物運(yùn)輸過程中，時常有在運(yùn)輸途中因貨物自身原因或受外部因素影響（如天氣、溫度等）發(fā)生火情，尤其在運(yùn)輸易燃易爆武物品時。此類貨運(yùn)車廂是封閉的，駕駛?cè)藛T很難發(fā)現(xiàn)車廂內(nèi)部的情況，往往由于車輛的高速行駛，導(dǎo)致發(fā)現(xiàn)車廂著火已經(jīng)來不及撲滅，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)財產(chǎn)損失，并且在正常行駛過程中，駕駛?cè)藛T下車查看也可能會帶來人身安全威脅，同時也會引發(fā)交通隱患。當(dāng)火情發(fā)現(xiàn)時，自帶的車載小型滅火器又無法及時有效的撲滅火災(zāi)，如若打開貨廂門，大量空氣涌入車廂，助使火情蔓延，貨物會越燒越旺。駕駛?cè)藛T發(fā)現(xiàn)火情后，采取一定程度上的滅火措施，為時已晚，只能減少部分的貨物損失，由此可見滅火不及時則是造成財產(chǎn)損失的重要原因。

ZigBee作為一種介于無線標(biāo)記技術(shù)和藍(lán)牙之間的技術(shù)方案，可將數(shù)據(jù)從一個傳感器傳到另一個傳感器，具有短距離、低速率、低功耗、低成本、通信安全可靠等特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于消防安全領(lǐng)域的建筑物火災(zāi)報警系統(tǒng)中[1-5]。目前根據(jù)我們開展的相關(guān)調(diào)研以及市面查詢還未發(fā)現(xiàn)運(yùn)用于車廂自檢自動報警滅火的裝置，同樣也確實(shí)缺失類似產(chǎn)品在運(yùn)輸過程中，對貨物突發(fā)狀況下發(fā)生火災(zāi)的預(yù)警和處理。因此，為了在貨物運(yùn)輸過程中能夠及時預(yù)測和處理火情，本文采用ZigBee無線傳感技術(shù)，設(shè)計一種用于封閉空間的自動阻燃報警系統(tǒng)。

1 基于ZigBee技術(shù)的自動阻燃報警系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，該系統(tǒng)主要由子類傳感檢測端、主控收發(fā)端和屏幕顯示警報端三部分構(gòu)成。子類傳感檢測端采用煙霧傳感器、火焰?zhèn)鞲衅鞯榷喾N傳感器采集信息，傳感器分布于車廂頂部各個區(qū)域，通過Zigbee無線傳輸模塊將信息傳輸?shù)街骺貑卧Ｖ骺厥瞻l(fā)端接收來自子類傳感器檢測端的無線傳感網(wǎng)信號，通過主控系統(tǒng)綜合分析，并在此端進(jìn)行物理控制與連接，與主控收發(fā)端連接的電磁閥和CO2滅火器屬于外置裝置，在不占用車廂正常體積下，安裝于駕駛室與貨廂之間的留空區(qū)域。屏幕顯示警報端包括2.8inch的TFT顯示屏幕、蜂鳴器，便于駕乘人員及時發(fā)現(xiàn)了解火情。當(dāng)子端檢測端檢測到有火情爆發(fā)時，通過子端Zigbee無線傳輸模塊把信號傳輸?shù)街骺囟耍?dāng)信號到達(dá)主控主板時，主板控制電磁閥的運(yùn)作，釋放滅火氣瓶中二氧化碳?xì)怏w進(jìn)行滅火，并通過顯示端Zigbee無線傳輸模塊向駕駛室的駕駛員發(fā)出報警信號，通過屏幕直觀呈現(xiàn)火情發(fā)生位置。

圖1 封閉空間自動阻燃報警系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

1.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.2.1 子類傳感檢測端的硬件設(shè)計

子類傳感器檢測端硬件電路主要由LM393電壓比較器、STM32F103C8單片機(jī)、YS-17紅外接收模塊、MQ-2煙霧傳感模塊、ZigBee無線傳輸模塊、電源等組件構(gòu)成，其電路結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，實(shí)物圖如圖3所示。MQ-2煙霧傳感器與LM393電壓比較器通過2腳電壓與3腳連接進(jìn)行電壓檢測比較通過1角輸出比較結(jié)果，起到檢測煙霧濃度變化檢測，YS-17紅外接收模塊與MQ-2煙霧傳感器，類似連接方式。YS-17紅外接收模塊與MQ-2煙霧傳感器分別通過MQ-A和HY-A連接STM32F103C8單片機(jī)的P16、P17腳，MQ-D和HY-D連接STM32F103C8單片機(jī)的P332、P33腳實(shí)現(xiàn)實(shí)時火情監(jiān)控。ZigBee模塊的P14、P15腳連接STM32F103C8單片機(jī)的P12、P13腳實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)功能的收發(fā)。TP4056鋰電池管理模塊通過BAT+腳與與51K電阻和1K電阻進(jìn)行連接進(jìn)行增強(qiáng)電路的穩(wěn)定性，BAT ADC腳連接STM32F103C8單片機(jī)的P19腳連接實(shí)現(xiàn)電壓管理，保護(hù)電路功能。子端檢測模塊將安裝在密閉車廂頂端及中部頂端位置，內(nèi)置電源進(jìn)行供電工作。

圖2 子傳感器檢測端電路結(jié)構(gòu)圖

圖3 子傳感器檢測端實(shí)物圖

1.2.2 主控收發(fā)端的硬件設(shè)計

主控收發(fā)端裝置主要包括CH340G模塊、Zigbee無線傳感網(wǎng)模塊和SRD-05VDC-SL-C繼電器模塊等部件，其電路結(jié)構(gòu)圖如圖6所示，實(shí)物圖如圖5所示。CH340G是一個USB 總線的轉(zhuǎn)接芯片，實(shí)現(xiàn)USB 轉(zhuǎn)串口、USB 轉(zhuǎn)IrDA 紅外的功能。主控單片機(jī)根據(jù)火情信號控制繼電器模塊，繼電器輸出驅(qū)動電磁閥，從而控制滅火氣瓶的開啟與關(guān)閉。本文選用常閉型電磁閥，其實(shí)物圖如圖4所示，常閉型電磁閥通過導(dǎo)線連接在主控收發(fā)端的SRD-05VDC-SL-C繼電器模塊，優(yōu)點(diǎn)為：連接穩(wěn)定、無需外接電源、無延遲等。本設(shè)計選用CO2滅火氣，滅火氣瓶安裝在車廂與駕駛室之間，通過在移動貨箱內(nèi)邊角進(jìn)行布置充氣管，CO2可迅速充斥箱體并排除氧氣到達(dá)不二次損害貨物情況下滅火。

圖4 常閉型電磁閥

圖5 主控收發(fā)端實(shí)物圖

圖6 主控收發(fā)端電路結(jié)構(gòu)圖

1.2.3 屏幕顯示警報端的硬件設(shè)計

屏幕顯示警報端主要由Zigbee無線傳感網(wǎng)模塊、TFT顯示模塊EEPROM、霍爾傳感器、溫濕度傳感器、實(shí)時時鐘芯片、單路時基芯片等部件構(gòu)成，其電路結(jié)構(gòu)圖如圖8所示，實(shí)物圖如圖7所示。其中，本文采用TFT有源矩陣式液晶顯示器，選用DS3231型I2C實(shí)時時鐘。液晶顯示器放置于駕駛室，以便駕駛?cè)藛T可以第一時間了解車內(nèi)火情大概區(qū)域發(fā)生位置，并有機(jī)會撥打救援電話，以防出現(xiàn)其他問題。此外，各子檢測端及主控端均采用低功耗模塊，可以在駕駛室屏幕端采用掉線提醒、電量提醒等方式進(jìn)行預(yù)告。

圖7 屏幕顯示實(shí)物圖

圖8 屏幕顯示警報端電路結(jié)構(gòu)圖

1.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

該系統(tǒng)從功能上可以分為火情油監(jiān)測與報警、子端信號與電池監(jiān)測、主控電磁閥報警等幾部分，根據(jù)各部分功能將程序分為主程序、火情監(jiān)測報警程序、自動開啟電磁閥報警程序以及緊急情況下的中斷程序等子程序，其工作流程如圖9所示。本程序采用C語言編碼，實(shí)現(xiàn)自動檢測阻燃報警裝置功能。

圖9 工作流程

2 系統(tǒng)測試

為了驗(yàn)證環(huán)境的準(zhǔn)確性和火情信息采集的可靠性及系統(tǒng)響應(yīng)的實(shí)時性，以一個近似密閉空間作為實(shí)驗(yàn)原型，通過改變子端檢測個數(shù)和改變距離兩種方式進(jìn)行測試，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖表1所示，在大小兩個不同車廂內(nèi)安裝不同個數(shù)的子端檢測模塊，通過反復(fù)對比和多次重復(fù)的方法分別進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集和報警阻燃響應(yīng)測試。測試結(jié)果顯示在近距離由單個到四個子端檢測結(jié)果得出多個檢測端口可以快速的檢測出火情結(jié)果，在屏幕接收端和主控端的電磁閥開啟響應(yīng)也更及時，均可以在20s內(nèi)監(jiān)測并完成火情阻燃等效果，而在遠(yuǎn)距離單個到四個檢測端出現(xiàn)延時大，丟包率問題嚴(yán)重導(dǎo)致測試結(jié)果不穩(wěn)定，在消防系統(tǒng)中危害是致命的，相比于近距離更快速的撲滅火情來說對于火災(zāi)時間是非常寶貴的，雖然滅火時間都控制了在20s內(nèi)的效果。主要問題在于（1）采用MQ系列傳感器探測效果受環(huán)境因素影響，檢測效果一般。（2）ZigBee無線傳輸距離較短，測試過程中穿透力不夠，實(shí)驗(yàn)在理想環(huán)境中成功不能排除復(fù)雜環(huán)境的穿透力的探測。（3）對于YS系列火焰?zhèn)鞲衅鞣磻?yīng)時間較長，環(huán)境因素影響大，造成檢測效果一般。通過分析發(fā)現(xiàn)ZigBee有較強(qiáng)的通信自愈能力，即通信

表1 采集與響應(yīng)測試數(shù)據(jù)表

過程中可以進(jìn)行自組網(wǎng)，若在其中增加冗余路由節(jié)點(diǎn)，并通過算法的改進(jìn)可以很好的解決上述問題。

3 結(jié)論

本文針對封閉車廂運(yùn)輸貨物過程中，因貨物自身原因或受外部因素影響發(fā)生火情問題，提出火災(zāi)信號無線傳輸?shù)臋z測和自動阻燃報警方法，對于目前市面上熱門的檢測裝置進(jìn)行了對比，選擇了低成本、低功耗的ZigBee作為無線傳輸方式。并針對于基于ZigBee的無線傳輸技術(shù)的自動阻燃報警裝置進(jìn)行軟硬件設(shè)計，采用STM32F103C8為核心的單片機(jī)、Zigbee 無線藍(lán)牙傳輸模塊，將傳感器模塊、主控模塊和顯示模塊進(jìn)行通信連接，實(shí)現(xiàn)對煙霧、火焰進(jìn)行檢測和報警自動阻燃對于在交通運(yùn)輸行業(yè)貨運(yùn)消防安全這一痛點(diǎn)進(jìn)行了有效彌補(bǔ)，是一種更加高效、安全的交通運(yùn)輸滅火報警裝置。一種基于ZigBee的無線傳輸技術(shù)的自動阻燃報警裝置相比于傳統(tǒng)的只檢測不滅火的移動檢測設(shè)備，具有明顯的優(yōu)勢，體現(xiàn)了自動化滅火系統(tǒng)的便捷性、安全性、高效性、無線性的特點(diǎn)，具有較大的市場前景。