基于物聯網ZigBee 技術的家庭智能消防預警系統的設計與研究

◎董 萍

（三門峽職業技術學院信息傳媒學院，河南 三門峽 472000）

隨著時代的進步和高科技水平的迅猛發展，我國的經濟水平有了較大提高。高層建筑具有兼容性強、容納性高和占地面積小等特點，在一線城市深受青睞。火災隱患是危害高層建筑家庭智能系統安全的重要因素，是目前造成人員傷亡以及財產損失事故的主要來源之一。“智能家居”“智慧城市”“智慧消防”等字眼已深入到人們日常的生活中。家庭智能消防預警控制技術與物聯網技術相結合能極大地改變人們的生活方式。設計合理的家庭智能消防預警系統能有效感知火災信息，使消防救援人員及時做出正確的決策，控制火災事故的發生，盡量減少火災帶來的經濟損失和人員傷亡。

1 高層建筑火災隱患的特點

高層建筑具有火災隱患多、火勢蔓延速度快、人員疏散困難、救援難度大等特點，個別高層建筑存在消防車道寬度不足、設施維護保養不到位，安全疏散設施占用、堵塞、損壞，生命通道不暢通、建筑外墻采用易燃可燃外保溫材料、消防設施嚴重缺失、故障、損壞、停用現象嚴重，多數高層未設置雙電源，電纜井、管道井封堵不嚴、敷設雜物，火災蔓延風險較大。同時，消防車道未進行標識化管理，小區內私家車占用消防車道、樓道內堆放雜物，尤其是地下室內，火災荷載較大，隱患較多。絕大多數高層建筑未設置消防車登高作業場地，一旦發生險情，消防登高車將無法停靠開展救援；小區私家車停車位嚴重不足，住戶占用、堵塞消防車通道等弊端，一旦發生火災，波及范圍大，建筑物的內部管道、樓梯、電梯等火勢蔓延速度極快，人員疏散較為困難，后果非常嚴重，高層建筑家庭智能的消防安全隱患問題不容忽視。

傳統的消防預警系統存在安裝與檢修困難，不支持基于物聯網的統一管理與監控等弊端。加強火災預警系統的設施建設是目前防范火災事故的重點，將火災事故的發生控制在火災的萌芽階段是擺在每一名消防工作人員亟待解決的問題。具備安全可靠的消防預警系統對于保障城市的正常運行極為重要。

2 基本概念

2.1 ZigBee 技術

ZigBee 技術適用于距離范圍短的數據之間的傳輸，能夠支持多種網絡拓撲結構，組網靈活多樣，其協議棧總體架構分為物理層、網絡層和應用層三部分[1]。ZigBee 通信協議結構如圖1 所示。

圖1 ZigBee 通信協議結構圖

2.2 WiFi 技術

WiFi 技術具有價位低、傳輸速率高、抗干擾能 力 強 的 特 點， 具 有 Ad -hoc WiFi 和Infrastructure 兩種工作模式，已經廣泛應用于人們的工作、生活等各個領域。

2.3 NFC 技術

NFC 是一種應用于短距離通信的技術，具有有源和無源兩種設備[2]。前者主要應用于公交車的讀卡器、智能手機的支付和各類公司、企事業單位的打卡器。后者主要指NFC 標簽與其他微發射器。

2.4 物聯網技術

物聯網是物物相連的互聯網，具有全面感知、可靠傳送和智能處理三大特性，用來實現智能化識別，讓所有能夠被獨立尋址的普通物理對象實現互聯互通的網絡，具有泛在感知、可靠傳輸、智慧處理的智能服務系統[3][5]。

在日常生活中，設備和系統被安裝上低成本的傳感器和調節器，收集和分析各類獲取的數據信息，對數據信息進行監控、傳輸和檢索。物聯網包括連接設備、電源管理、安全系統、分析系統五大領域的核心技術，傳感器節點主要負責實時采集外部溫濕度數據。中瑞思創、九安醫療、東軟集團、天澤信息、順網科技、美的集團、格力電器等都是物聯網技術的上市公司[5-6]。

3 預警系統的總體設計

3.1 預警系統架構

基于物聯網ZigBee 技術的家庭智能消防預警系統能夠根據現場溫度和濕度環境，依據終端節點傳感器對各類數據進行數據采集，并通過ZigBee 協調器節點發送數據給終端控制器進行預警處理，促使消防火災預防的智能化和系統化。

消防預警系統分為應用、數據、網絡、感知四層。

其中，感知層主要是通過具有火災報警功能、自檢功能、消音功能、低電量報警功能、故障報警功能，防拆報警功能的煙感報警器實現，獨立式感煙探測器具有成本低、易安裝的特點，能夠實時檢測煙霧和遠程監控設備狀態，能通過語音電話、短信、App、平臺報警等多重方式通知報警信息，實現火災事故的早發現、早報警。數據層主要通過管理監控云平臺實現，云平臺能夠實現燃氣隱患上報和處理，能夠對相關的燃氣泄漏報警信息的時間、地點、頻次進行多緯度的數據展覽，并能夠還原泄漏點的位置、電話撥打記錄、聯系人確認情況等信息，為燃氣事故調查提供嚴謹的科學依據。同時平臺可以對網關，探測器的安裝地點、轉臺進行查詢、展示。預警系統框架如圖2 所示。

圖2 預警系統框架圖

數據庫對由感知層獲取的火警數據、設備報警等各類信息分析和處理，平臺通過電話自動語音、短信、App 推送及時將煙霧報警信息發送至小區消防負責人員和小區業主，設備維修工作人員通過手機App 客戶端接收設備的維修信息，消防救援支隊管理部門通過Web 對后臺數據庫進行統計分析確認工作。促使各個機構和部門的協同管理。

3.2 系統模塊功能分析

基于物聯網ZigBee 技術的家庭智能消防預警系統主要包括ZigBee 節點模塊、傳感器模塊、電源模塊、微控制中心模塊、網關模塊的設計。以照明系統為例，主要包括驅動電路模塊、終端模塊、協調器、控制中心、上位機部分，其主要功能如表1 所示。

表1 照明系統主要功能表

4 預警系統方案設計

預警系統的終端設備和網關之間通過Lora（Long Range）進行通信，并采用多入多出MIMO技術增強系統的可靠性和靈活性。為了降低終端設備的成本，系統采用星型網絡拓撲結構。

4.1 移動App 模塊設計

本模塊主要包括用于負責火災提醒的報警信息處理模塊、終端設備故障信息以及異常報告提示的設備維護模塊等。App 應用模塊的功能，如圖3 所示。

圖3 移動App 模塊圖

4.2 云平臺管理數據庫設計

云平臺管理模塊具有火警預測、故障預報、設備維修等功能，能夠對接上級消防救援支隊的消防指揮中心部門，該部門對消防報警的各類數據進行統計分析，制作報表供各級領導進行決策。基于Web 云平臺管理模塊如圖4 所示。

圖4 基于Web 云平臺管理模塊圖

5 預警系統硬件實現

5.1 系統硬件結構

基于物聯網ZigBee 技術的家庭智能消防預警系統主要包括節點模塊、傳感器模塊、煙霧傳感器模塊、溫濕度傳感器模塊、火焰傳感器模塊、電源模塊、控制中心MCU 及網關模塊的硬件設計。該系統選用性能高、功耗低、體積小、接口豐富的ARM 處理器作為本系統的嵌入式處理器。系統的主控處理器選用三星公司開發的S3C2401A 處理器，該處理器價格低廉，可靠性高，且具備MMU，可以支持嵌入式Linux 系統，資源較為豐富。家庭智能系統網關就是一個基于ARM 的嵌入式硬件開發平臺，主要包括S3C2401A 處理器、存儲器模塊、電源模塊、串口通信模塊、以太網模塊、GSM 擴展模塊。家庭智能系統網關硬件結構如圖5 所示。

圖5 基于物聯網ZigBee 技術的家庭智能消防預警系統圖

在ZigBee 節點模塊的設計過程中，采用組網功能強、包含不同可編程閃存的由T1 公司生產的具有低功耗的CC2530 芯片。在系統的設計過程中，具有一個對危險源感知的準確性和信息反饋的及時性的多功能傳感器網絡顯得尤為重要。系統采用MQ-2 氣敏煙霧傳感器檢測空氣中各種成分的濃度來實現火災的監測，電路圖如圖6 所示。

圖6 MQ- 2 煙霧傳感器電路圖

5.2 S3C2401A 處理器

S3C2401A 處理器不僅集成了16KB 指令的高速緩沖存儲器，而且集成了LCD 控制器、網卡控制器、DMA 控制器、多通道定時器、內嵌EMI接口、海量外部中斷，用于用戶交互設備和控制系統中，為用戶提供簡化的硬軟件設計，并提供了非常豐富的開發接口。S3C2401A 處理器支持虛擬存儲管理，支持大端和小端的存儲格式，有1GB 的尋址空間。S3C2401A 的時鐘與電源管理共有6 個專用寄存器，并且支持NAND Flash 啟動，被廣泛應用于各類電子產品中。

5.3 SDRAM 存儲器電路

SDRAM 存儲器具有較快的存取訪問速度，經常被應用到嵌入式系統中。S3C2401A 處理器集成了SDRAM 存儲器。S3C2410A 處理器的Bank6 和Bank7 支持SDRAM 存儲器，其中Bank6能夠作為SDRAM 存儲空間。

6 系統軟件實現

基于物聯網ZigBee 技術的家庭智能消防預警系統在軟件設計方面，主要是在Windows CE6.0 平臺上開發的，軟件總體架構包括OEM層、操作系統層、應用程序層。OEM 層主要實現家庭智能消防預警系統各種硬件設備的初始化和驅動功能，操作系統層是用來協調OEM 層和應用程序層，應用程序層主要存儲用戶接口的各種程序、家庭智能消防預警系統控制器的各種應用程序等。

6.1 軟件開發環境搭建

軟件開發環境采用的是交叉編譯器IAR，這是一款基于C 語言、支持多種微處理器開發、使用方便、代碼科學緊湊、能夠直接使用Z-Stack協議棧進行二次開發的交叉編譯器。

6.2 Z-Stack 協議棧

Z-Stack 協議棧的功能就是以函數的形式將各層協議提供給用戶在應用層直接調用。ZStack 協議棧本身就是一個操作系統，隨著定時器周而復始地計時，任務也不斷輪詢。

6.3 終端節點軟件設計

終端節點主要包括將收集的數據發送給協調器節點和接受來自協調器的指令這兩個功能。傳感器模塊和CC2530 芯片的終端節點啟動后，開始對設備進行初始化，然后掃描信道，加入ZigBee 網絡，獲取協調器的響應，并為協調器分配一個地址。終端節點工作原理如圖7 所示。

圖7 終端節點工作原理圖

7 預警系統的測試與分析

預警系統測試主要包含ZigBee 組網與通信、控制中心MCU 與網關、終端節點上傳、系統功能集成四個方面的測試。其中，ZigBee 組網測試是家庭智能消防預警系統正常運行的關鍵。下面以終端節點上傳測試為例進行介紹。

終端節點主要指ZigBee 傳感器模塊，包括煙霧、溫濕度、火焰傳感器三個模塊。當發生火災時，可以通過傳感器感受周圍的環境，對溫度和濕度進行測試。終端節點上傳測試如圖8 所示。

圖8 終端節點上傳測試結果圖

經過測試，終端節點可以完成數據收集、上傳、警示燈亮滅等功能，串口打印的數據比較準確，終端節點符合要求，系統安全可靠、穩定性強、功耗低、實驗效果良好，能夠滿足家庭智能消防預警的需求。同時，各項測試結果數據均表明各個模塊設計合理，系統符合實際需求。

8 結論

住宅智能化是家居環境的革新和未來居住模式發展的必然趨勢。論文設計的基于物聯網ZigBee 技術的家庭智能消防預警系統能夠極大地節省終端鏈路成本，縮短消防的響應時間和處理速度，降低火災經濟財產損失、人員傷亡，加強消防部門檢查，加強對家庭火災的智能防控能力，提高家庭消防的安全管理標準。