基于ZigBee技術的轎廂禁煙排煙報警系統設計

摘要：隨著城市建筑物高度不斷提升，直升梯運行時間逐漸增加，電梯運行期間轎門關閉，轎廂空間受限，電梯內如有個別乘客吸煙，會造成已經進入轎廂的其他乘客被動吸煙。由于個人乘梯習慣和身體狀況各不相同，且乘客在乘坐電梯時無法預知其他人是否會吸煙，尤其是孕婦、兒童或病人等特殊群體乘坐電梯時，對于轎廂內是否有人吸煙的情況需要有相關提示信息和解決方法。本文出于對電梯運行中的乘客實際需求，設計了基于ZigBee技術的轎廂禁煙排煙報警系統。該系統基于ZigBee無線傳輸通信技術，通過MQ-2傳感器模塊對轎廂內煙霧濃度進行監測，利用CC2530芯片實現對轎廂內禁煙的語音提示和轎頂排風扇排煙開啟、大廳候梯處亮燈報警進行無線控制，以提高乘客舒適度和安全性的乘梯體驗，具有實際應用意義。

關鍵詞：ZigBee技術；嵌入式；煙霧傳感器；CC2530

一、引言

河南省曾出現因轎廂內吸煙造成傷亡糾紛的案例。一年輕男子與吸煙老人發生爭執，最終老人心臟病復發猝死。雖然此次事件為偶發且存在一定的突發性，但是密閉空間內煙霧濃度急速升高，的確會造成電梯同乘人員身體和心理上的不適。現代電梯企業在電梯系統研發階段，一直致力于完善自身功能和升級用戶體驗，也越來越關注乘客的乘坐體驗和舒適度。采用人性化基準的電梯設計理念，可以提高電梯系統的實用性、藝術性和親和感[1]。直升梯現階段應用的電梯排風系統，大部分是基于空氣凈化或溫度調節的作用，且管理員或者物業擁有啟用的控制權限，乘客無權開啟或關閉。為解決密閉轎廂內的煙霧排煙問題，提高電梯設計上的人文主義關懷因素，本文設計了一款基于ZigBee無線傳感器網絡技術的轎廂禁煙排煙報警系統，在無法通過乘客自覺來杜絕吸煙現象時，通過轎廂的自動排煙系統快速凈化轎廂內空氣，同時減少轎廂內人員發生沖突的可能性。本文設計的防排煙系統獨立于電梯的排風和空調系統，制造成本低，轎廂上改造方便，占用空間小，方便量產[2]。

二、系統概述

帶有煙霧傳感器的無線傳輸模塊固定在轎廂內高于乘客頭頂位置的轎壁上，可根據轎廂尺寸確定模塊數量。轎頂及大廳候梯處設置三處CC2530無線控制接收模塊，分別控制轎頂排風扇、轎廂內語音提示器以及大廳顯示屏。當轎廂內有人吸煙時，煙霧傳感器檢測到煙霧濃度超過設定值，通過轎廂內無線傳輸模塊將信號傳輸至轎頂及大廳處的CC2530模塊，控制轎頂排風扇開啟，轎廂內語音提示“請勿在轎廂內吸煙”，大廳門楣處LED亮燈提示“轎廂內有人吸煙”。除了開啟自動排煙裝置，轎廂選層器及大廳呼梯盒處均設置手動開關按鈕，當轎廂內或大廳候梯特殊人群發現電梯內有人吸煙，或者轎廂內乘客對于較低濃度煙霧仍體驗不適時，可手動開啟轎廂排風扇，迅速凈化轎廂內空氣。

三、硬件設計

為驗證本轎廂禁煙排煙系統設計的可實現性和實用性，本系統簡化設計為實驗室可實施驗證的簡化回路。該實驗室系統回路可實現煙霧閾值檢測、煙霧濃度超閾值無線傳感器通傳、無線控制繼電器啟動、無線控制點燈、無線控制蜂鳴器報警等系統功能。

（一）煙霧傳感器

本系統采用的煙霧傳感器為MQ-2傳感器模塊。該型號煙霧傳感器可以用于家庭和工廠的氣體泄漏監測裝置，適宜于吸煙產生的煙霧探測，其靈敏度可根據數字電位器調節。MQ-2傳感器工作電壓為5V，要求使用前供電預熱2分鐘以上，工作時傳感器稍微發燙屬于正常現象。該煙霧傳感器具有廣泛的探測范圍，其特點為靈敏度高，快速響應恢復，穩定性強，以及超長壽命。

（二）無線控制系統模塊

系統ZigBee無線傳輸模塊選用的是TI（德州儀器）的CC2530。CC2530是德州儀器研發生產的第二代ZigBee/IEEE 802.15.4 兼容片上系統，具有優化的 8051 MCU 內核和適用于2.4 GHz 免許可 ISM/SRD 頻段無線電。該模塊內帶功放芯片CC2591，增加了無線通信距離，在標準200m以內的井道長度范圍可實現可靠無線信號通傳。

（三）其他硬件裝置

實驗用繼電器采用焊接在開發板上的一路繼電器模塊（光耦），低電平觸發，接線方式為VCC信號接電源正極，GND信號接電源負極，IN信號輸入端，接CC2530的P04引腳。

實驗室驗證回路語音播報使用有源蜂鳴器作為報警器，使用LED顯示燈表示排風扇的開閉。手動開關和LED指示燈為實驗用常規品。

為實現系統功能，編程需實驗用PC 機一臺，安裝WIN7、WIN8、WIN10等系統，同時注意安裝IAR 環境時要使用管理員權限，以免程序運行時報錯。

四、程序設計

（一）流程設計

綜合考慮本設計系統的用戶需求初衷，方便乘梯用戶操作，該系統流程詳細設計如下。

①在轎廂內安裝煙霧傳感器，檢測轎廂內煙霧濃度變化。

②在每個煙霧傳感器上連接無線傳輸裝置，轎廂內煙霧濃度高過設定值，無線傳輸裝置將信號傳遞至轎頂排風扇、轎廂內語音報警裝置及大廳呼梯盒處的無線接收裝置。

③轎頂處無線接收裝置接收到煙霧濃度過高信號，開啟排風裝置，轎廂內語音提示“轎廂內請勿吸煙”。

④大廳呼梯盒處無線接收裝置接收到煙霧濃度過高信號，門楣處文字提示“轎廂內有人吸煙”。

⑤轎廂內選層器及大廳呼梯盒設置手動開啟排煙裝置按鈕。

⑥按下手動排風按鈕，排風扇繼續開啟。

（二）程序開發平臺

該系統的程序運行需要基于IAR 開發環境進行程序編寫和運行。嵌入式 IAR Embedded Workbench IDE能夠提供一個任何可用的工具都可以完整地嵌入其中的框架，包括高度優化的IAR AVR C/C++編譯器，AVR IAR匯編器，通用 IAR XLINK Linker，IAR XAR庫創建器和IAR XLIB Librarian等。嵌入式 IAR Embedded Workbench適用于大量 8 位、16 位以及 32 位的微處理器和微控制器，使用戶在開發新的項目時也能在所熟悉的開發環境中進行。嵌入式 IAR Embedded Workbench能有效提高用戶的工作效率，為用戶節省大量時間，它為用戶提供一個易學和具有最大量代碼繼承能力的開發環境，以及對大多數和特殊目標的支持。程序運行須使用IAR8.10編寫程序代碼和進行程序運行，同時需要SmartRF Flash Programmer 和仿真器，實現電腦與CC2530無線傳感器模塊程序互傳。

（三）程序設計

1.無線傳感器監測空氣煙霧濃度功能

MQ-2傳感器模塊在無空間氣體影響或者氣體濃度未超過設定閾值時，數字接口DO口輸出高電平，模擬接口A0電壓基本為0v左右。傳感器模塊數字量輸出D0與CC2530電路板的P0_5直接相連，通過CC2530來檢測高低電平，由此來判斷環境氣體濃度是否超標。當環境煙霧濃度為0或低于設定值時，CC2530的P0_5保持高電平；當煙霧傳感器監測到環境煙霧濃度高于設定值時，模塊數字接口D0輸出低電平，CC2530的P0_5引腳收到低電平信號。

無線傳感器監測空氣煙霧濃度主程序如下：

配置 P0_5：

P0DIR amp;= ～0x20; //配置與 MQ-2 連接的 P0_5 為輸入口

#define DATA_PIN P0_5 //定義 P0_5 為傳感器的輸入端

主要程序示例：

#include lt;ioCC2530.hgt;

typedef unsigned char uchar;

typedef unsigned int uint;

#define LED1 P1_0 //定義 P1_0 口為 LED1 控制端

#define DATA_PIN P0_5 //定義 P0_5 口為傳感器的輸入端

2.CC2530控制排風扇及語音報警器

該系統采用CC2530芯片控制繼電器通、斷電，以實現控制轎頂風扇開、關和語音提示開、關功能。在實驗中將繼電器焊接在開發板J9支座上，使用ZigBee CC2530的 P0_4 口作為繼電器的信號輸入端，高電平繼電器常開觸點閉合；低電平繼電器常開觸點斷開。

主要程序示例下：

#include lt;ioCC2530.hgt;

typedef unsigned char uchar;

typedef unsigned int uint;

#define DATA_PIN P0_4 //定義 P0_4 定義為輸出口

3.CC2530控制大廳提示燈

此功能基于Q2530SB板和CC2530 BasicRF（無線點燈）實現，轎廂內設置的CC2530（終端 A）定義為發射模塊，大廳門楣處設置的 CC2530（終端 B）定義為接收模塊。

主要程序示例：

#define RF_CHANNEL 25// 2.4 GHz 射頻通道

// 基本射頻地址定義

#define PAN_ID" "0x2007

#define SWITCH_ADDR" "0x2520

#define LIGHT_ADDR" "0xBEEF

#define APP_PAYLOAD_LENGTH" "1

#define LIGHT_TOGGLE_CMD" "0

// 應用程序狀態

#define IDLE" "0

#define SEND_CMD" "1

// 應用程序角色

#define NONE" "0

#define SWITCH" "1

#define LIGHT" "2

#define APP_MODES" "2

4.手動開啟排風扇功能

系統設計將手動開關裝置在轎廂選層器的下部位置，方便老人小孩或者殘疾人操作。如自動運行的排風扇無法將轎廂內空氣更新到符合乘客要求，乘客可按下手動排風按鈕，排風扇繼續開啟。如冬季轎廂內因排風扇開啟造成溫度過低，也可手動關閉排風扇。此功能為系統追加功能，改造時需增加控制線纜。

5.實驗結果

在實驗室環境下，實驗回路測試結果基本符合驗證系統可行性的實驗設計。在MQ-2傳感器模塊附近燃燒香煙，監測附近煙霧濃度變化，煙霧濃度高過設定值，傳感器傳輸低電平至CC2530無線傳輸裝置（終端A），該裝置監測到輸入信號，觸發控制風扇和語音開關的繼電器，實驗環境中使用LED指示燈代替風扇、蜂鳴器代替語音裝置的開關狀態，同時將信號傳遞至CC2530（終端B），實現無線點燈。

五、結束語

本文設計的基于ZigBee技術的轎廂禁煙排煙報警系統回路簡單，改造內容少，標準功能無需電纜，不占空間，方便安裝，便于量產，能夠增強直升梯使用中的人文性設計情懷，在實際應用場景中具有極高的推廣價值。由于無線傳輸具有不穩定性，傳輸距離有限等局限性，該系統還存在一定的優化空間。下一階段，本系統的設計方向將與消防報警系統和維保系統相關聯[3]，擴大該系統的應用場景范圍。

作者單位：李丹 何旭中 李丹璐 牛明霞 胡健

沈陽工業大學人工智能學院

參" 考" 文" 獻

[1]李丹.基于人性化設計理念的綠色電梯系統設計[J].房地產導刊.2019（35）：221.

[2]許東輝，郭秀娟.基于ZigBee的室內溫濕度與煙霧信號監測系統[J].安徽電氣工程職業技術學院學報.2022，27（03）：108-113.

[3]李思宇，張竣淞，劉冬梅，等.基于ZigBee的高層建筑火災監控系統研究[J].華北科技學院學報，2022，19（01）：64-71.