基于ＺｉｇＢｅｅ技術(shù)的火災自動報警系統(tǒng)

洋文杰　王　楠　司軼芳

[摘要]提出ZigBee技術(shù)在火災自動報警系統(tǒng)的應用。以ZigBee的特點和優(yōu)勢為依據(jù),詳細介紹ZigBee技術(shù)在火災自動報警系統(tǒng)中的應用,論述該系統(tǒng)設(shè)計方案及硬件設(shè)計方案?？梢蕴岣呋馂膱缶目煽啃浴㈧`活性以及降低安裝、運行成本。

[關(guān)鍵詞]ZigBee火災自動報警系統(tǒng)

中圖分類號:TP2文獻標識碼:A文章編號:1671-7597(2009)0920030-02

一、引言

火災自動報警系統(tǒng)(FAS)是樓宇自控系統(tǒng)(BAS)的分系統(tǒng),服務于樓宇自控系統(tǒng),它可以及時發(fā)現(xiàn)和通報火情,并采取有效措施控制,提高建筑物的防災自救能力。

目前主要的火災自動報警系統(tǒng)大多采用有線方式構(gòu)建火災傳感器網(wǎng)絡(luò),這類方式耗材多、施工與維護復雜,擴展能力差,線路容易老化或腐蝕、磨損,故障發(fā)生率高線,并且不易排查修理。新興的無線傳感技術(shù),在傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建、維護方面都有著有線方式無可比擬的優(yōu)勢,成為火災報警系統(tǒng)的重要發(fā)展方向。

用于樓宇及建筑物內(nèi)的無線火災自動報警系統(tǒng)需采用的是低成本、低功耗、小體積、短距離通信。ZigBee技術(shù)的出現(xiàn)就解決了這些問題。ZigBee是一種低速短距離、雙向無線通信技術(shù),擴展性強、功耗極低、系統(tǒng)構(gòu)成簡單,組網(wǎng)方式靈活。將ZigBee傳感器網(wǎng)絡(luò)和人工智能結(jié)合,可大大提高火災報警的可靠性,與其他無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)比較,它更適合于組建大范圍、傳輸數(shù)據(jù)量小的無線火災報警網(wǎng)絡(luò)。

二、無線火災自動報警系統(tǒng)

(一)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

無線傳感器將探測到的火災信號通過Zigbee無線通信模塊發(fā)送至數(shù)據(jù)集中器,數(shù)據(jù)集中器將收集到得數(shù)據(jù)送至火災監(jiān)控中心,再由火災監(jiān)控中心對這些數(shù)據(jù)進行處理和統(tǒng)計評估,根據(jù)預先設(shè)定的有關(guān)規(guī)則,將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為適當?shù)膱缶瘎幼?相應的發(fā)出警報,例如:產(chǎn)生少量煙,但溫度急劇上升——發(fā)出警報I;產(chǎn)生少量煙、且溫升平緩——發(fā)出警報II。滅火系統(tǒng)采取相應的措施。

(二)Zigbee網(wǎng)絡(luò)

ZigBee在網(wǎng)絡(luò)層中,定義了3種功能的模塊:一是網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器,負責網(wǎng)絡(luò)的建立;二是路由器,負責查詢、建立和修復信息包的路由路徑并負責轉(zhuǎn)送;三是各類終端裝置,只能加入已形成的網(wǎng)絡(luò),可以收發(fā)信息,不能轉(zhuǎn)發(fā)信息,無路由功能。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器和路由器由全功能器件(FFD)實現(xiàn),終端裝置由簡化功能器件(RFD)實現(xiàn)。ZigBee網(wǎng)絡(luò)有多種拓撲結(jié)構(gòu),一般多采用星型拓撲結(jié)構(gòu),因為其結(jié)構(gòu)簡單,實現(xiàn)方便,不需要大量協(xié)調(diào)器節(jié)點,可降低成本。

建立基于ZigBee的火災自動報警系統(tǒng),首先要建立一個ZigBee無線骨干網(wǎng)絡(luò),見圖2。ZigBee無線骨干網(wǎng)絡(luò)中每個主節(jié)點根據(jù)防火監(jiān)控區(qū)域的分布進行合理設(shè)置,并通過調(diào)整位置或發(fā)射功率使它們之間可以進行相互通信。每個主節(jié)點不僅本身可以與傳感器連接直接進行數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控,還可以自動中轉(zhuǎn)其他網(wǎng)絡(luò)節(jié)點傳過來的數(shù)據(jù)。每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點間的距離可以根據(jù)實際測試情況進行調(diào)整,可以從10m左右到擴展后的幾百米。

子節(jié)點(傳感器節(jié)點)分布于需要檢測的區(qū)域,負責對數(shù)據(jù)的感知和處理,采用數(shù)據(jù)融合技術(shù)作出預報警判斷,將數(shù)據(jù)預報警判斷結(jié)果通過無線射頻信號發(fā)射出去,在接到執(zhí)行命令時完成相應的滅火工作;匯集節(jié)點接收所覆蓋的傳感器節(jié)點和路由節(jié)點發(fā)出的無線射頻信號,通過RS232送入監(jiān)控主機,同時將監(jiān)控主機的命令發(fā)送出去。

火災監(jiān)控中心是整個網(wǎng)絡(luò)的控制和管理中心,負責整個系統(tǒng)的控制和數(shù)據(jù)的處理及決策等。監(jiān)控主機通過串口接收無線網(wǎng)絡(luò)采集的數(shù)據(jù),實時顯示并存儲。同時支持對數(shù)據(jù)庫的有條件查詢、增加或刪除記錄等管理;在接到傳感器節(jié)點預報警時,根據(jù)預先設(shè)定的有關(guān)規(guī)則,作出火災報警的最終判決,在確認火災發(fā)生時啟動相應的聯(lián)動機制。

(三)系統(tǒng)工作原理

當傳感器感測到火災信號時,由火災監(jiān)控中心對這些數(shù)據(jù)進行計算處理和統(tǒng)計評估。根據(jù)預先設(shè)定的有關(guān)規(guī)則,將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為適當?shù)膱缶瘎幼髦笜?相應地啟動報警及滅火裝置,迅速滅火。此功能與原自動消防裝置并聯(lián)使用,起到雙重保險作用,確保消防滅火系統(tǒng)啟動。

由于ZigBee采用自組織(ad-hoc)方式組網(wǎng),允許隨時建立無線通信鏈路,協(xié)調(diào)器一直處于監(jiān)聽狀態(tài),當有新的RFD加入到網(wǎng)絡(luò)中時,會被附近的FFD發(fā)現(xiàn)并將其信息傳送給協(xié)調(diào)器,由協(xié)調(diào)器進行編址,計算其路由信息,更新數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)表和設(shè)備關(guān)聯(lián)表,確定其物理位置。可以實現(xiàn)該系統(tǒng)的定位功能,用于消防人員和救助人員的位置追蹤。消防隊員在進入火災區(qū)域前,帶上可移動的RFD裝置,則在進入ZigBee無線骨干網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)內(nèi),移動的RFD將自動加入到網(wǎng)絡(luò)中,根據(jù)與鄰近的FFD的通信情況,可以確定其具體位置,便于指揮中心準確指揮救援和滅火工

作,工作原理示意圖見圖3所示。

三、系統(tǒng)硬件設(shè)計方案

把ZigBee終端模塊的工作分為兩個過程:采集數(shù)據(jù)發(fā)送給ZigBee接入點(即數(shù)據(jù)發(fā)送過程),以及接收來自ZigBee接入點的命令(即數(shù)據(jù)接收過程)。

系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集端和數(shù)據(jù)接收端構(gòu)成。數(shù)據(jù)采集端由傳感器、MCU和Zigbee模塊組成。MCU與Zigbee模塊通過SPI總線連接。數(shù)據(jù)接收端使用相同的Zigbee模塊,并利用RS232異步串口與PC機通信。其功能相當于一個接入點,一方面將主機向數(shù)據(jù)采集端發(fā)送的控制信號以無線的方式發(fā)射出去,另一方面接收采集數(shù)據(jù)并上傳給主機。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

MCU選用STC89C51RC單片機,它超強抗干擾、高速、低功耗,指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051單片機,在系統(tǒng)可編程,無需編程器,無需仿真器。MCU通過兩個全雙工串口分別與現(xiàn)場設(shè)備和ZigBee模塊相連,主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀取、處理和傳送功能。微處理器與ZigBee模塊采用串行通信模式,實現(xiàn)微處理器對ZigBee模塊的初始化和與它之間的數(shù)據(jù)交換功能。

選用CC2420芯片作為射頻收發(fā)模塊,CC2420符合2.4GHz IEEE 802.15.4

標準的無線收發(fā)芯片?？纱_保短距離通信的有效性和可靠性。利用此芯片開發(fā)的無線通信設(shè)備支持數(shù)據(jù)傳輸率高達250kbps,可以實現(xiàn)多點對多點的快速組網(wǎng)。

四、結(jié)論

將ZigBee技術(shù)應用在火災自動報警系統(tǒng)中,將有利于改善防火系統(tǒng)的性能,大大降低現(xiàn)有的火災自動報警系統(tǒng)的安裝和運行成本。特別是其可移動性及可擴展性,大大方便了火災自動報警系統(tǒng)的調(diào)整、更新,提高了現(xiàn)有火災自動報警系統(tǒng)的靈活性。并增加了移動定位功能,也方便了火災救援和滅火工作。

參考文獻:

[1]楊艷華、張鳳登、馬進明,ZigBee技術(shù)在火災自動報警系統(tǒng)中的應用[J].上海電力學院學報,2008,24(4):393～396.

[2]劉靜、趙望達,基于ZigBee技術(shù)的火災報警系統(tǒng)設(shè)計[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應用,2007(1):56～59.

[3]肖昕宇,基于ZigBee技術(shù)的無線消防報警定位系統(tǒng)[D],湖南長沙:湖南大學,2007.

[4]王文君、胡國珍,基于IP-LINK1221模板的ZigBee應用系統(tǒng)[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應用[J].2007(12):63～70.

[5]顏學義、葉湘濱,基于Zigbee技術(shù)的火災報警傳感器節(jié)點設(shè)計[J].岳陽職業(yè)技術(shù)學院學報,2007,22(6):69～72.

作者簡介:

汪洋文杰(1981-),男,滿族,吉林人,北京中外建建筑設(shè)計有限公司西北分公司,助理工程師,從事建筑電氣設(shè)計工作。