基于ZigBee技術的建筑火災低壓配電報警系統設計

劉 璐 翟大成 魏立明

（吉林建筑大學 電氣與計算機學院 長春 130118）

引言

本系統采用的控制芯片為CC2530芯片，復合型火災感應器檢測各種火災信號，并通過ZigBee無線網絡，將節點傳送到上位機服務器，顯示界面用的是LabView虛擬儀器。服務器負責系統的維護和管理，火災確認后，將采集的火警信息上傳到數據庫中，運行相關的聯動控制裝置，客戶端具有監測以及對火災歷史數據的查詢功能，并清楚的顯示操作以及報警信息。

1 系統整體方案設計

系統的整體結構框架圖如圖1所示[1]。復合式火災探測器檢測煙霧濃度、CO濃度以及溫度大小對火災進行一個初期的判斷，通過Zigbee無線通信將火災信號經路由節點轉發到協調節點，然后經協調節點組網到服務器，服務器對該信號進行分析，判斷是否發生火災，若是，則經過客戶端顯示出來，同時蜂鳴器立即報警最后由消防控制中心采取應對措施。若不是，則復合式火災探測器將繼續采集火災的信息[2]。

圖1 系統結構圖

整個系統設計完成后，可實現以下幾個功能。

1）數據采集功能。通過復合式火災探測器來檢測火災信號，對采集的火災信息進行分析，來初期判斷火災是否發生。

2）數據傳輸功能。利過Zigbee無線通訊技術對系統中的火災信息進行傳遞。

3）數據處理功能。處理分析接收到的火災信息，處理判斷的最終結果在服務器端顯示出來。

4）火災報警功能。一旦火災發生，無線傳感器啟動蜂鳴器報警，通知消防控制中心，采取滅火措施。

5）聯動控制功能。發生火災之后，控制相關硬件啟動。

2 復合式火災探測器電路結構設計

由于火災的發生過程非常復雜，為了能夠對收集到的火災信號更加精準的分析，需對收集到的這些火災信息進行全面的分析。其結構框圖的設計如圖2所示。從結構框圖中可以看到,對火災信號進行分析，當檢測到的數據達到了報警要求時,就將煙霧，溫度以及CO濃度信息傳遞給相應的節點。

圖2 火災探測器系統構圖

3 系統的硬件電路設計

3.1 報警電路設計

如圖3所示。蜂鳴器通過 PNP 型三極管進行動作，在低電平時有效[4]。當檢測的溫度，煙霧和CO 的數據達到報警的臨界數據時，芯片的I/O 口則置為低電平。發出報警信號。

圖3 報警器電路圖

3.2 溫度檢測電路設計

DS18B20數據溫度傳感器有著接線簡便的特點，在不同的包裝后可使用在不同的場所。關鍵是外觀可以依據應用程序的不同而對其進行修改。隨附的DS18B20可用于測量主機房溫度，測量蔬菜溫室溫度，等溫度高的場合。不易磨損，抗沖擊，體積小，方便使用，以多種形式封裝，可以用于在各種狹窄的室內測試空間機械設備數據和各種操縱行業。結合系統所需和DS18B20的優點特性，系統選用DS18B20傳感器進行設計[5]如圖4所示。

圖4 溫度檢測電路圖

3.3 CO檢測電路設計

MQ-7氣體濃度傳感器在室內空氣中檢測主要使用低導電率的氮氧化物和放射性氣體作為檢測材料[6]。隨著室內空氣中所含一氧化碳氣體濃度的進一步增，MQ-7傳感器的溫度和導電率進一步的增加。在室內高溫下被吸附的相對松弛的一氧化碳氣體，在室內低溫下被快速洗滌。CO檢測控制電路設計原理如圖5所示，發生火災時空氣中產生的大量一氧化碳有毒氣體可以利用MQ-7傳感器對電信號進行檢測和采集，當一氧化碳氣體濃度高時，輸出的電信號輸出值就會變高，從而可以判斷空氣中是否已經發生了火災。

圖5 CO檢測電路圖

3.4 煙霧檢測電路設計

采用了光電式的煙霧傳感器，在正常的工作時，通過發光器件二極管發出的一定的二極管發光量完全可以被受光器件準確地接收得到；而當空氣中有煙霧的時候，發光器件的二極管發射光會自然地被煙霧所遮擋，這樣就完全可以感覺到二極管發光量自然地減少，光電流的功率降低，探測器便可以準確地發出報警的信號。

3.5 聯動控制設備設計

本火災報警系統中繼電器采用的工作電壓是12 V，聯動電路控制的相關設備依靠繼電器進行驅動，如圖6所示，當繼電器火災未及時發生，報警未啟動時，二極管開關一直置于常開，接入如圖6所示，二極管起著安全保護和放大的作用。其P0_7引腳輸出為高電平時，控制與滅火相關的設備啟動，起著對報警和聯動控制的保護作用[7]。

圖6 繼電器電路設計

4 火災自動報警系統軟件設計

4.1 協調節點設計

每個新的無線網絡節點只有一個新的協調網絡節點，所以所有的網絡節點都必須在建立新的無線網絡之后，才能通過網絡請求新節點入網。在Zigbee無線網絡中除了一個完全固定的協調節點，其他的節點地址都自由的分配，固定的地址設置為0×0000。協調的節點收集和發送無線網絡命令的途徑和方式實際上有很多種，在這里我們采用的是廣播的形式，收集處理由路由節點發送來的數據。如圖7，我們通過串口調試助手對協調節點建立網絡進行測試，在圖中可以看到地址和波特率，我們的波特率設置為9 600 bps[8]。

圖7 協調節點建立網絡

4.2 路由節點設計

在此系統中，路由節點主要協助完成復合式命令，與其他協調式節點之間傳遞報警信息,以及接到報警命令后使其他聯動設備發生動作。先進行初始化,然后管理人員確認路由節點創建了一個無線網絡。如果用戶通過路由節點發送的信件向節點申請加入，節點管理人員可以在協調的階段節點回復感應器的。

申請加入網絡成功后，再綁定地址，傳送數據到無線監控中心，對數據進行處理。

4.3 聯動控制設備設計

發生火災時，服務器通過客戶端的Zigbee無線通訊向終端節點的各層發送報警信號，并通過終端節點控制道路調整終端節點，通過各層的通訊向路徑節點發送火災報警信號。

4.4 復合式火災探測器設計

在發生火災時，火災的信息通過設計的復合式火災探測器被及時的采集，并將采集的數據傳遞給路由節點[9]。采集到的煙霧濃度、CO濃度以及溫度的信號都是模擬信號，正常需要額外設計電路進行轉換。由于本系統采用的CC2530芯片自帶轉換的功能[10]。轉換后的火災信號與構成報警動作的臨界值直接進行比較，當超出報警的臨界值后，便通過ZigBee通信網絡傳遞給服務器，等待服務器回復命令。

4.5 上位機顯示界面設計

在火災事故自動報警設備中，主計算機軟件接收到推送來的監測數據后，必須對每個傳感器收集到的數據進行分析，分析數據是否超過了設置的閾值，然后判斷是否進行報警。主要是對溫度，一氧化碳濃度和煙氣濃度數據進行對比分析。其數據分析頁面如圖8所示。其中設置了溫度，CO濃度和一氧化碳煙霧的濃度三個數據的閾值。數據分析的重點是在數據采集中包括每個房間的信號、溫度、煙霧和一氧化碳的實時顯示信息位于數據的匹配部分。一旦設置了溫度，煙霧和相應一氧化碳煙霧數據的濃度超過了閾值，數據采集節點處的指示燈和相應的系統監督管理軟件警報的指示燈將會實時閃爍,并且每個數據采集節點和相應火災計算機警報系統軟件記錄的溫度變化的曲線將會實時存儲在上位火災計算機警報軟件和系統監督管理軟件中，提示用戶監督管理人員及時解決。

圖8 火災自動報警系統上位機

5 系統測試

5.1 數據采集測試

在投入使用前，對采集到的信號是否傳遞成功進行數據采集的測試。該測試利用串口調試助手觀察所收到集的煙霧、CO 和溫度等測試數據。并檢測在火災信號發生變化之后，信號是否可以正常的進行傳遞。系統采集數據如圖9所示。

圖9 數據接收

5.2 數據接收測試

需要對系統進行測試，以確定是否可以接收到下層網絡傳輸的數據。數據信息通過串口調試助手向服務器端發送。在客戶端，收集的火災報警信息將被發送至服務器端，隨后彈出如圖10所示的報警頁面。說明發送的火災信號能夠被服務器順利接收，說明火災數據的接收過程能夠正常運作。

圖10 報警窗口

6 結論

本文針對火災頻繁發生，但傳統火災報警系統的布線繁瑣、誤報警率高等問題進行了深入研究，將ZigBee無線傳感技術應用到火災報警控制系統中，硬件采用CC2530芯片，經濟且低功耗。軟件方面采用Labview對數據庫進行訪問，設計客戶端顯示界面。通過實驗測試測得該系統可以準確對火災進行分析和處理，為未來消防專業人士開發出更好的更全面的無線方式火災自動報警監控系統提供了參考與借鑒。