一種新型的組網(wǎng)式無線火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究

摘 要 現(xiàn)有無線煙霧報(bào)警器大多數(shù)只能提供聲光報(bào)警，本文探討了一種全新的組網(wǎng)式煙霧報(bào)警器的設(shè)計(jì)思路及具體實(shí)現(xiàn)。

關(guān)鍵詞 無線煙霧報(bào)警器；CC2530芯片

中圖分類號 X924 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1673-9671-（2012）112-0183-01

隨著經(jīng)濟(jì)和城市建設(shè)的快速發(fā)展，城市高層建筑以及地下設(shè)施的不斷增多，火災(zāi)的隱患也大大增加，火災(zāi)的數(shù)量及造成的經(jīng)濟(jì)損失也呈逐年上升的趨勢。無論是在工業(yè)建筑、住宅、賓館，還是圖書館、商場等公共場所，火災(zāi)煙霧報(bào)警器都已經(jīng)成為了不可或缺的裝置。設(shè)置火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)已經(jīng)成為了現(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)時(shí)所必須考慮的重要部分，是建筑防火安全的哨站。然而現(xiàn)有傳統(tǒng)煙霧報(bào)警器只能簡單的提供簡單的聲光報(bào)警，即在感受到煙霧或者火災(zāi)信號時(shí)發(fā)出刺耳的蜂鳴聲以及燈光的閃爍信號。這種裝置的缺點(diǎn)是當(dāng)建筑物內(nèi)沒有人員時(shí)，如夜晚或工廠停工期間，火災(zāi)信號不能被及時(shí)發(fā)現(xiàn)，致使火情蔓延，造成生命財(cái)產(chǎn)損失。因此，急需一種新型的火災(zāi)煙霧報(bào)警系統(tǒng)來彌補(bǔ)現(xiàn)有報(bào)警器的缺陷與不足。

據(jù)此，我們根據(jù)火災(zāi)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)開發(fā)出了一套基于Zigbee協(xié)議，短距離、低功耗的防火報(bào)警系統(tǒng)，解決了有線火災(zāi)報(bào)警器不能解決的問題，實(shí)現(xiàn)了消防中心對全樓防火消防狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)控，對保護(hù)人身安全和財(cái)產(chǎn)安全有著現(xiàn)實(shí)的意義。組網(wǎng)式無線火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)由總臺和若干節(jié)點(diǎn)組成，下面分別介紹其實(shí)現(xiàn)原理及具體組成。

1 節(jié)點(diǎn)

作為系統(tǒng)的最小單元，節(jié)點(diǎn)分布式部署在每個(gè)房間內(nèi)部，節(jié)點(diǎn)的作用是探測每個(gè)房間內(nèi)部的溫度，煙霧濃度等一手?jǐn)?shù)據(jù)，定時(shí)向總臺匯報(bào)經(jīng)過加密調(diào)制的信息，并在必要的時(shí)候發(fā)出警報(bào)。對比市面上的眾多單片機(jī)解決方案后，我們決定采用TI（德州儀器）的成型芯片CC2530來做節(jié)點(diǎn)的總控芯片，CC2530具有價(jià)格低廉，耗能低又不失穩(wěn)定的特點(diǎn)。最重要的是其已經(jīng)內(nèi)置TI業(yè)界領(lǐng)先的開源ZigBee協(xié)議棧（Z-StackTM），能夠較為方便的開發(fā)出一套適合組網(wǎng)式無線煙霧報(bào)警系統(tǒng)的程序，降低了開發(fā)成本。在節(jié)點(diǎn)的傳感器配置上，新型的報(bào)警系統(tǒng)打破了傳統(tǒng)火災(zāi)報(bào)警器只能探測煙霧的局限性，根據(jù)建筑物或?qū)嵉貓鏊囊螅煌墓?jié)點(diǎn)上安裝不同類型的火災(zāi)探測器如迷宮式煙霧探測器，溫度探測器等。

對與存放某些特種材料的庫房，材料燃燒時(shí)并沒有濃煙產(chǎn)生，房間內(nèi)應(yīng)該安裝帶有溫度探測器的節(jié)點(diǎn)，獲得的溫度數(shù)據(jù)作為判別屋內(nèi)有無發(fā)生火災(zāi)的標(biāo)準(zhǔn)。目前市場上成型的溫度探測器有DS18B20數(shù)字溫度傳感器，測量溫度范圍為-55℃至+125℃，提供9至12位數(shù)字串行信號輸出，無論是在溫度范圍還是在精度上，完全可以適應(yīng)各種火災(zāi)現(xiàn)場的溫度探測任務(wù)。

而對于其他普通場所，如辦公室、商場等，可燃物體如紙張、紡織品等燃燒會(huì)生成大量煙霧時(shí)，則可以選用煙霧探測器。值得一提的是，對于某些材料，自燃時(shí)并不產(chǎn)生明火，但大多數(shù)會(huì)產(chǎn)生濃煙，對此可調(diào)整煙霧探測器的靈敏度，以免當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)探測器靜默，貽誤火情。然而對于非禁煙的公共場合，靈敏度不宜調(diào)整的過高。經(jīng)實(shí)驗(yàn)，MQ-2型煙霧探測器在報(bào)警閾值設(shè)置為最大濃度電壓的65%時(shí)為最佳值，此時(shí)即不會(huì)遺漏真實(shí)的火災(zāi)煙霧，也不會(huì)對吸煙者造成的干擾進(jìn)行誤判。

由于對于煙霧濃度沒有一個(gè)明確的定義，市面上的煙霧傳感器種類繁多，大致可分為迷宮式和離子式。迷宮式煙霧探測器是由紅外射線發(fā)射管和接受器組成，他的工作原理類似于自動(dòng)門機(jī)構(gòu)。當(dāng)光信號被煙霧阻隔時(shí)，控制芯片隨即向節(jié)點(diǎn)單片機(jī)CC2530輸出告警信號，經(jīng)過處理后匯報(bào)給總臺。而離子式探測器則是由兩個(gè)電離室構(gòu)成，通過探得由放射性粒子與粉塵碰撞所導(dǎo)致的電流該變量來判定空氣中的煙霧濃度，精度比較高，但是使用壽命較短。

由于系統(tǒng)設(shè)計(jì)的初衷就是使火災(zāi)報(bào)警器擺脫線纜的束縛，因此對于節(jié)點(diǎn)的供電我們選擇了JCN-133x82型太陽能組件以及三節(jié)5號鋰蓄電池。經(jīng)查閱相關(guān)資料，該太陽能組件在普通的屋內(nèi)日光環(huán)境下能提供5 V，0.3 A的平穩(wěn)輸出，折合功率1.5 W。而節(jié)點(diǎn)其余電子元件總能耗約不到0.2 W，剩余能量完全可供鋰電池蓄電使用。而鋰電池充滿電則可為節(jié)點(diǎn)供電50小時(shí)以上，完全可以滿足節(jié)點(diǎn)夜晚工作?？紤]到有時(shí)連續(xù)的陰天的特殊情況，可以臨時(shí)替換成普通堿性5號電池。太陽能電池板提供電壓達(dá)到節(jié)點(diǎn)工作下門限時(shí)，節(jié)點(diǎn)開始工作并夠自動(dòng)配置，完成搜索組網(wǎng)工作并開始匯報(bào)節(jié)點(diǎn)情況。

2 總臺

報(bào)警系統(tǒng)總臺部署在建筑物的消防總控室內(nèi)，由一臺無線收發(fā)調(diào)節(jié)器及一臺計(jì)算機(jī)組成。無線收發(fā)調(diào)節(jié)器負(fù)責(zé)與建筑物內(nèi)的眾多節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通訊，將匯總的信息匯報(bào)給計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。當(dāng)數(shù)據(jù)通過串口傳輸進(jìn)計(jì)算機(jī)后，計(jì)算機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行翻譯解碼，獲取房間內(nèi)的溫度，煙霧濃度等信息，通過與設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行比對，判斷房間內(nèi)的火災(zāi)情況，并在必要的時(shí)候發(fā)出告警（如傳統(tǒng)聲光信號或者撥打當(dāng)?shù)鼗鹁娫捦ㄖ啦块T）。由于成型系統(tǒng)最終面向的是終端用戶，而用戶一般對這系統(tǒng)的技術(shù)細(xì)節(jié)并不了解，也無需了解。用戶直接接觸到的是軟件的的UI（用戶界面），因此往往通過界面的簡潔與否，操作的復(fù)雜程度，能否滿足不同用戶的要求來判斷系統(tǒng)的完善程度。為此，在軟件設(shè)計(jì)上我們實(shí)現(xiàn)了以下功能：

1）在界面中我們能夠看到網(wǎng)內(nèi)已連接節(jié)點(diǎn)的名稱（即樓宇房間號），可以在界面上清楚的看到每個(gè)節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行狀況，例如房間溫度、煙霧濃度等，最后一次回報(bào)時(shí)間等數(shù)據(jù)，加以人為判斷。

2）當(dāng)有節(jié)點(diǎn)發(fā)出告警信號時(shí)，計(jì)算機(jī)將對告警信號進(jìn)行分析，根據(jù)相鄰節(jié)點(diǎn)情況迅速判定告警信號是否為真。程序?qū)τ诨馂?zāi)等級也進(jìn)行了劃分，將單個(gè)房間告警，相鄰多個(gè)房間告警和整層告警進(jìn)行分級，以便采取最有效的措施。

3）對于節(jié)點(diǎn)匯總的信號，軟件分析完畢后可在后臺靜默寫入MySQL數(shù)據(jù)庫，并提供基于Apache和PHP遠(yuǎn)程圖形操作界面，可供操作人員在不在場的情況下快速獲知并處理火情。

對于節(jié)點(diǎn)和總臺的通信內(nèi)容，我們作出了規(guī)定：數(shù)據(jù)內(nèi)容為10位十六位數(shù)據(jù)0x 00 00 00 00 00，分別代表著節(jié)點(diǎn)的不同信息。

前兩位信息為信號發(fā)送的目的地，可設(shè)置為總臺，以免被其余節(jié)點(diǎn)錯(cuò)誤截留。第三四位數(shù)據(jù)代表了節(jié)點(diǎn)的精確到個(gè)位的十六位溫度值，可作為日常屋內(nèi)溫度監(jiān)控。由于火災(zāi)的特性，過度精確的溫度值并沒有具體意義。如果節(jié)點(diǎn)采用的是單一煙霧傳感器，則第三四位值為00。第五六位的值為煙霧濃度值，對于不同的煙霧傳感器，煙霧濃度的值有著不同規(guī)定。當(dāng)采用單一溫度傳感器時(shí)，第五六位的值為00。第七八位信息代表了節(jié)點(diǎn)所在房間的唯一ID，總臺根據(jù)接收到的ID進(jìn)行定位。確保了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，同時(shí)也可以對區(qū)域數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，判斷火情等級。

對于總臺，由于是固定安排在某房間內(nèi)部，因此不用考慮供電問題。但是隨之而來的是安全問題，如何判定總臺接受到的某個(gè)告警信號是由合法的樓內(nèi)節(jié)點(diǎn)發(fā)出而不是偽造的信號。有鑒于此，數(shù)據(jù)的七八位是預(yù)留的校驗(yàn)位，通過CC2530內(nèi)置AES加密模塊對前八位數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，取前兩位加密后信息寫入數(shù)據(jù)的后兩位。經(jīng)總臺驗(yàn)證后，即可判別數(shù)據(jù)的真?zhèn)?，起到了保護(hù)網(wǎng)絡(luò)安全的作用。

無線火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)為用戶提供了一套使用方便，擴(kuò)展性強(qiáng)的解決方案，可以說解決了傳統(tǒng)報(bào)警器所存在的問題。當(dāng)然，整套系統(tǒng)目前還存在著很多缺陷，我們只有在實(shí)踐中不斷完善提高，才能讓人民群眾更好的遠(yuǎn)離火災(zāi)！

參考文獻(xiàn)

[1]全國民用建筑工程設(shè)計(jì)技術(shù)措施-電氣[M].建筑出版社，2003.

[2]高層民用建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范[M].GB50045-95.