基于ZigBee的無線智能消防報警系統(tǒng)設計

曹 健

（泰州師范高等專科學校，泰州 225300）

0 引言

火災作為一種發(fā)生頻率較高的災害，極易造成巨大的人員傷亡和財產(chǎn)損失。因此，消防報警系統(tǒng)已成為機關、賓館、學校等公共場所必備設施之一，并且隨著智能家居的興起，也日益成為住宅安全設施的重要組成部分。然而，目前市場普遍采用的有線制信號傳輸與編碼火災自動報警系統(tǒng)存在施工周期長、建筑物破壞面大、成本高、維護保養(yǎng)困難等問題，已經(jīng)滯后于社會和實際應用的發(fā)展需求。特別是在火災發(fā)生時，存在兩方面的不足。一方面，線路是系統(tǒng)中最易受損的環(huán)節(jié)，一旦損壞，則極易導致大范圍探測信號傳輸中斷，無法對火場進行有效監(jiān)控。另一方面，在某一撤離路徑遭到破壞的情況下，無法自動選擇其他路徑，迅速調(diào)整撤離標志指向而喪失最佳撤離時間。針對上述問題，本文設計了一個新型無線智能消防報警系統(tǒng)，將ZigBee無線組網(wǎng)技術、智能預測與撤離算法相結(jié)合，具有功耗低、安裝快捷、時延短和可靠性高等特點，可大幅度改善救災的時效性。

1 系統(tǒng)組成與工作原理

ZigBee是一種基于IEEE802.15.4 標準的短距離、低速率無線網(wǎng)絡通信技術。該技術主要解決了低成本、低功耗、低復雜度、低傳輸速率、近距離的設備聯(lián)網(wǎng)應用問題，主要用于無線傳感器網(wǎng)絡和測量控制方面[1]。ZigBee提供了網(wǎng)絡層(NMK: Network) 和應用層(APL: Application Layer)框架的設計[2]。在網(wǎng)絡層，ZigBee聯(lián)盟制訂了星型、樹型和網(wǎng)狀網(wǎng)三種拓補結(jié)構(gòu)[3]。根據(jù)設備在網(wǎng)絡中的角色，ZigBee三種邏輯設備類型：協(xié)調(diào)器、路由器和終端設備。每個ZigBee網(wǎng)絡理論上可支持64K個節(jié)點，是低速、低功耗無線網(wǎng)絡的首選解決方案。

本文設計的無線智能消防報警系統(tǒng)基于ZigBee無線組網(wǎng)技術，主要由監(jiān)控中心和傳感器網(wǎng)絡組成，其系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示：監(jiān)控中心由PC機、GPRS模塊、聲光報警器及無線消防報警信息管理系統(tǒng)組成。實現(xiàn)對傳感器探測信息的顯示、存儲、分析、處理與響應等功能。利用無線消防報警系統(tǒng)管理軟件，監(jiān)控人員可以通過界面直觀、清晰地看到火災位置與現(xiàn)場溫度、煙霧信息。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡由ZigBee協(xié)調(diào)器、探測節(jié)點和指示節(jié)點構(gòu)成，根據(jù)參考文獻[2]中對ZigBee網(wǎng)絡設備的劃分，探測節(jié)點屬于ZigBee網(wǎng)絡終端設備，指示節(jié)點屬于ZigBee網(wǎng)絡路由設備，同時具有信息顯示與路由功能，能自動完成網(wǎng)絡探測、加入與路徑選擇。

系統(tǒng)工作時，探測節(jié)點定時檢測監(jiān)控區(qū)域的煙霧和溫度，將數(shù)據(jù)通過ZigBee無線網(wǎng)絡發(fā)送至監(jiān)控中心PC機，系統(tǒng)管理軟件將檢測數(shù)據(jù)在界面相應位置顯示出來，并進行存儲與分析，若檢測數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后超過報警閥值，則驅(qū)動聲光報警模塊進行報警，提醒監(jiān)控工作人員進行相應處理，同時，系統(tǒng)對撤離路徑進行計算，向指示節(jié)點發(fā)出相應撤離路徑方向調(diào)整命令，引導火災現(xiàn)場人員進行疏散與撤離。若監(jiān)控中心工作人員超過規(guī)定時間未對系統(tǒng)報警進行響應，系統(tǒng)軟件將通過GPRS終端根據(jù)優(yōu)先次序向指定人員或119重復發(fā)出報警信息，直到接受到響應處理。

2 硬件設計

2.1 ZigBee節(jié)點設計

由圖1可知，系統(tǒng)中硬件部分由探測節(jié)點、指示節(jié)點和協(xié)調(diào)器三種ZigBee設備組成，由于三種設備的硬件構(gòu)成相似，所以采用模塊化結(jié)構(gòu)設計。探測節(jié)點、指示節(jié)點硬件構(gòu)成如圖2所示，都包含電源模塊、無線通信模塊、聲光報警模塊和主控制器模塊，圖2陰影部分表示除共有模塊外，探測節(jié)點還包含傳感器模塊，指示節(jié)點還包含LED點陣顯示模塊。協(xié)調(diào)器模塊結(jié)構(gòu)如圖3所示，通過串口電平變換芯片將無線通信模塊的串口引出即可。上述模塊中，主控制器模塊采用TI公司低功耗芯片MSP430F149實現(xiàn)，聲光報警模塊選用四塊16×16點陣屏、壓控陶瓷蜂鳴器完成信息顯示和聲音報警，接下來著重闡述傳感器模塊、無線通信模塊及電源系統(tǒng)的設計。

圖2 探測、指示節(jié)點結(jié)構(gòu)圖

圖3 協(xié)調(diào)器結(jié)構(gòu)圖

2.1.1 傳感器模塊

傳感器模塊包括煙霧和溫度檢測電路，完成監(jiān)控區(qū)域的環(huán)境溫度和煙量的采集，其電路如圖4所示，左側(cè)虛線框部分為溫度檢測電路，由高精度電阻R1和NTC型熱敏電阻R2構(gòu)成分壓電路，經(jīng)C1濾波后送MSP430的AD1端口采樣。其中，R2溫度測量范圍為-55℃-300℃，精度為1%。圖4右側(cè)為煙霧采集電路，選用日本NEMOTO公司生產(chǎn)的NIS-05A型離子煙霧傳感器，該傳感器設計有兩個電離室，其中一個電離室煙霧和空氣均易進入，稱為檢測電離室，另一個煙霧難入，空氣可入，稱為補償電離室。圖4中將煙霧傳感器的兩個電離室串接起來與電源相連[4]，隨著空氣中煙霧量的增加，進入檢測電離室的煙霧越來越多，阻擋和干擾了空氣中電離子的移動，從而導致檢測電離室的等效電阻增大，而補償電離室由于煙霧難以進入，其等效電阻保持不變，導致圖4中M點的電位升高，經(jīng)由T構(gòu)成的電壓跟隨電路緩沖后，送至MSP430的AD2端口，實現(xiàn)對煙霧量的采樣。

圖4 溫度、煙霧傳感器結(jié)構(gòu)圖

2.1.2 無線通信模塊

由于無線消防報警系統(tǒng)中三個設備均包含無線通信模塊，從簡化設計的角度，無線通信模塊的設計應具有可重復利用，接口簡單，控制方便的特點。因此，無線通信模塊采用TI公司CC2530F256芯片，參照參考文獻[5]中典型電路，基于TI公司的ZigBee 2007/PRO全功能協(xié)議棧實現(xiàn)。主處理器按照自定義的串行通信協(xié)議通過RS232接口完成通信參數(shù)設置、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?，屏蔽了復雜的ZigBee通信協(xié)議，無線通信模塊實現(xiàn)了串口透明傳輸與自組網(wǎng)的功能。串行通信協(xié)議格式包括幀頭、命令、參數(shù)號、數(shù)據(jù)、校驗和幀尾六個部分，命令分為數(shù)據(jù)傳輸、設置PAN ID、設置波特率、讀取模塊地址等。

2.2 電源模塊設計與低功耗實現(xiàn)

傳統(tǒng)消防報警系統(tǒng)通常采用工業(yè)或民用交流電供電，安裝不便，降低了系統(tǒng)的可靠性，本設計中盡量避免使用電源線供電方式，分別根據(jù)三種設備的功能設計了不同的電源方案。

1）協(xié)調(diào)器：是整個無線網(wǎng)絡的信息會聚點，需長時間保持，以保證各節(jié)點與監(jiān)控PC之間的數(shù)據(jù)傳遞，工作時電流小于60mA，利用PC機USB口向其供電。

2）指示節(jié)點：基于路由節(jié)點實現(xiàn)，需長時間保持，完成探測節(jié)點數(shù)據(jù)傳遞路徑選擇與中繼，平均工作時電流約50mA，如圖5中虛線部分所示，采用太陽能電池供電，同時提供220V交流電源接口，便于太陽能電池安裝不便的環(huán)境使用，定制3000mAh的鋰電池作為后備電源，保證在主電源失效的情況下鋰電池持續(xù)供電超過6小時。

3）探測節(jié)點：基于終端節(jié)點實現(xiàn)，定時進行檢測與數(shù)據(jù)發(fā)送，是無線通信網(wǎng)絡中數(shù)量最多的設備。該節(jié)點采用高容量2000mAh鋰電池供電，其結(jié)構(gòu)如圖5中虛線右側(cè)所示，鋰電池經(jīng)過穩(wěn)壓電路后直接給MCU供電，保證MCU始終處于工作狀態(tài)，MCU根據(jù)需要通過電子開關控制其余三個模塊的工作電源。

圖5 探測節(jié)點、顯示節(jié)點電源模塊結(jié)構(gòu)圖

由于探測節(jié)點采用電池供電，設計時主要采用兩方面措施降低節(jié)點功耗，一方面是周期工作的方式，探測節(jié)點在4秒周期內(nèi)，使用約100毫秒時間執(zhí)行一次檢測與數(shù)據(jù)上傳，其余時間進入低功耗休眠狀態(tài)。另一方面選用低功耗器件：穩(wěn)壓電路選用TOREX公司XC6206331芯片，其功耗電流僅1uA，MCU選用TI公司MSP430芯片，其休眠時電流低至uA級，運行時只有3mA，模塊電源控制開關選用高阻低漏的MOSFET管，溫度傳感器選用十千歐高精度NTC熱敏電阻，煙霧傳感器選用日本NEMOTO公司的NIS-05A離子煙霧傳感器，采用離子源煙敏傳感器的突出優(yōu)點是功耗極低[6]，工作電流在pA級。低功耗器件的選用使系統(tǒng)實現(xiàn)低功耗、延長電池壽命具有良好的硬件基礎。

3 軟件設計

3.1 系統(tǒng)管理軟件設計

圖6 系統(tǒng)管理軟件主界面圖

監(jiān)控中心PC機上工作的系統(tǒng)管理軟件在VB6.0環(huán)境下開發(fā)，利用Access 2003數(shù)據(jù)庫存儲溫度和煙霧信息，并對其分析、統(tǒng)計和管理。系統(tǒng)管理軟件主界面如圖6所示，實現(xiàn)了通信參數(shù)設置、報警參數(shù)設置、指示信息發(fā)送、數(shù)據(jù)統(tǒng)計與查詢和聲光報警控制等功能。通信參數(shù)設置功能包含PC機與ZigBee協(xié)調(diào)器、GPRS終端之間的串行通信模式設定。報警參數(shù)設置功能用于設置趨勢判斷、撤離路徑選擇計算的參數(shù)值。監(jiān)控人員可通過指示信息發(fā)送功能調(diào)整指示節(jié)點的箭頭指向或向受困人員發(fā)送救助的文本信息，通過采集數(shù)據(jù)統(tǒng)計與查詢可更好地掌握各個監(jiān)控區(qū)域的溫度、煙霧特點，對報警參數(shù)進行優(yōu)化，提高報警準確率。

3.2 探測節(jié)點軟件設計

圖7 探測節(jié)點程序流程圖

探測節(jié)點控制程序基于結(jié)構(gòu)化設計方法，采用C語言編制而成，其工作流程如圖7所示，探測節(jié)點在上電復位后, 首先完成MSP430芯片及其外圍功能模塊的初始化，其任務主要是：設置AD模塊用于溫度和煙霧的信息采集；設置TIMER定時模塊用于產(chǎn)生聲光報警驅(qū)動脈沖信號；設置串行通信接口以便與無線通信模塊連接；設置其他端口初始狀態(tài)及看門狗等。初始化完成后接著打開傳感器模塊工作電源，采集溫度和煙霧數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)采集后關閉傳感器模塊電源，若采集值經(jīng)計算后提示有火災危險則打開聲光報警模塊電源驅(qū)動其發(fā)出警報。接著給無線通信模塊上電，進行網(wǎng)絡快速恢復，將采集數(shù)據(jù)上傳后關閉無線模塊。最后，程序完成定時器設置并進入低功耗休眠狀態(tài)，一個工作周期結(jié)束。

4 系統(tǒng)測試與分析

4.1 探測節(jié)點功耗測試

通過編制專用的探測節(jié)點功耗測試程序，并利用電流表監(jiān)測節(jié)點各模塊的工作電流，進行200次的數(shù)據(jù)采集與發(fā)送實驗，取其平均值，獲得系統(tǒng)單周期功耗情況如圖8所示，探測節(jié)點數(shù)據(jù)采集時工作電流約為4.5mA，持續(xù)約15mS, 數(shù)據(jù)傳輸期由無線模塊激活和發(fā)送兩個部分組成，激活時工作電流約為6mA，持續(xù)約85mS, 發(fā)送時工作電流約為38mA，持續(xù)約3mS；休眠期間功耗主要由穩(wěn)壓電路、MCU、電子開關產(chǎn)生，電流小于50uA，休眠時間約3897mS，單周期節(jié)點平均每秒消耗電流As計算如下：

圖8 探測節(jié)點周期功耗圖

接下來將2000mAh鋰電池容量換算為7200000mAS，每天工作24小時，由此可計算出持續(xù)工作天數(shù)Ho:

實際應用中一般將采集周期設為8s，則使用1000mAh容量電池支持系統(tǒng)工作一年以上，從而減小電池體積，便于安裝。

4.2 數(shù)據(jù)采集與響應測試

圖9 近距離實驗測試環(huán)境實物局部圖

表1 采集與響應測試數(shù)據(jù)表

為了驗證環(huán)境溫度和煙霧信息采集的可靠性及系統(tǒng)響應的實時性，以典型的高校學生公寓為原型，搭建了遠距離和近距離兩種實驗環(huán)境。近距離實驗環(huán)境如圖9所示，采用探測節(jié)點6只，以及滿足單選路由（表1中用D表示）的指示節(jié)點3只或雙倍冗余路由（表1中用S表示）的指示節(jié)點6只。遠距離實驗環(huán)境如圖1所示，在學生公寓安裝探測節(jié)點16只，以及滿足單選路由的指示節(jié)點10只或雙倍冗余路由的指示節(jié)點14只，采用反復對比和多次重復的方法分別進行數(shù)據(jù)采集和報警響應測試，測試結(jié)果如表1所示。測試結(jié)果顯示，近距測試環(huán)境數(shù)據(jù)采集與響應及時穩(wěn)定，而遠距測試環(huán)境存在丟包的問題，導致數(shù)據(jù)采集和響應失敗，這對消防報警系統(tǒng)是難以接受的。產(chǎn)生問題的原因在于ZigBee采用2.4GHZ的高頻通信，極易受到障礙物干擾，特別是穿越鋼筋混凝土墻壁能力較差，在測試過程發(fā)現(xiàn)，同一房間不同的安裝位置對信號質(zhì)量都有直接的影響，加之實際應用中干擾因素的隨機性強，單路由模式通信的穩(wěn)定性有所欠缺。通過分析發(fā)現(xiàn)，ZigBee作為一個低功耗的無線數(shù)據(jù)傳輸標準，擁有極強的自愈能力，即通信過程中能根據(jù)鏈路信號質(zhì)量進行自組網(wǎng)，測試時通過布置冗余路由節(jié)點，有效地減少了干擾所造成的信號盲區(qū)，很好地解決了上述問題。

5 結(jié)束語

本文基于ZigBee技術設計了一種無線智能消防報警系統(tǒng)。該系統(tǒng)選用低功耗器件及周期觸發(fā)式工作方式實現(xiàn)了低功耗探測節(jié)點，安裝簡便；在ZigBee自組網(wǎng)技術的基礎上采用安裝冗余路由的方法實現(xiàn)了采集數(shù)據(jù)的穩(wěn)定傳輸，性價比高；通過開發(fā)系統(tǒng)管理軟件對采集數(shù)據(jù)進行智能分析與處理，及時通過指示節(jié)點調(diào)整撤離路徑，或發(fā)送救助信息，救災響應更加科學、高效。智能消防報警系統(tǒng)相對目前應用的有線系統(tǒng)，具有明顯的優(yōu)勢，體現(xiàn)了無線消防報警系統(tǒng)智能化、數(shù)字化、無線化的特點，應用前景廣闊。

[1] 陳積明, 林瑞中, 孫優(yōu)賢. 無線傳感器網(wǎng)絡通信體系研究[J]. 傳感技術學報, 2006, 08: 1290-1295.

[2] 李皓. 基于ZigBee的無線網(wǎng)絡技術的應用[J]. 信息技術,2008(1): 12-14.

[3] Li Pengfei, Li Jiakun, Nie Luhua, et al. Research and Application of ZigBee Protocol Stack[C]. International Conference on Measuring Technology and Mechatronics Automation. 2010: 1031-1031.

[4] 張立立, 徐勇, 孫開宇. 基于Zigbee技術的無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研制[J]. 實驗技術與管理, 2012, (5): 139-142.

[5] TI. CC2530 Datasheet. www. ti. com. 2009.

[6] 張專成, 趙懷勛. 數(shù)字化離子感煙探測器的設計及應用[J].傳感器技術, 1997, (4): 29-31.