對組網式無線火災報警器的設計與改進

彭浩

摘 要：針對現有無線煙霧報警器大多數只能提供聲光報警的缺陷，本文探討了一種全新的組網式煙霧報警器的設計思路及具體實現。

關鍵詞：無線煙霧報警器；CC2530芯片

隨著經濟和城市建設的快速發(fā)展，城市高層建筑以及地下設施的不斷增多，設置火災報警系統(tǒng)已經成為了現代建筑設計時所必須考慮的重要部分。然而現有傳統(tǒng)煙霧報警器只能簡單的提供簡單的聲光報警，火災信號不能被及時發(fā)現，因此，急需一種新型的火災煙霧報警系統(tǒng)來彌補現有報警器的缺陷與不足。據此，根據火災的特點設計開發(fā)出了一套基于Zigbee協議，短距離、低功耗的防火報警系統(tǒng)，解決了有線火災報警器不能解決的問題，實現了消防中心對全樓防火消防狀況的實時監(jiān)控，保護了人身和財產安全。組網式無線火災報警系統(tǒng)由總臺和若干節(jié)點組成，下面為其工作原理。

1 節(jié)點

作為系統(tǒng)的最小單元，節(jié)點分布式部署在每個房間內部，節(jié)點的作用是探測每個房間內部的溫度，煙霧濃度等一手數據，定時向總臺匯報經過加密調制的信息，并在必要的時候發(fā)出警報。對比市面上的眾多單片機解決方案后，決定采用TI的成型芯片CC2530來做節(jié)點的總控芯片，CC2530具有價格低廉，耗能低又不失穩(wěn)定的特點。最重要的是其已經內置TI業(yè)界領先的開源ZigBee協議棧（Z-Stack?），能夠較為方便的開發(fā)出一套適合組網式無線煙霧報警系統(tǒng)的程序，降低了開發(fā)成本。在節(jié)點的傳感器配置上，新型的報警系統(tǒng)打破了傳統(tǒng)火災報警器只能探測煙霧的局限性，根據建筑物或實地場所的要求，不同的節(jié)點上安裝不同類型的火災探測器如迷宮式煙霧探測器，溫度探測器等。

對于存放某些特殊材料的庫房，材料燃燒并沒有濃煙產生，則起火的判斷以溫度傳感器為主。目前市場上成型的溫度探測器有DS18B20數字溫度傳感器，測量溫度范圍為-55°C至+125°C，9至12位數字信號輸出，無論是在溫度范圍還是在精度上均可適應各種火災現場的溫度探測任務。

由于系統(tǒng)設計的初衷就是使火災報警器擺脫線纜的束縛，因此對于節(jié)點的供電選擇了JCN-133x82型太陽能組件以及三節(jié)5號鋰蓄電池。經查閱，該太陽能組件在普通的屋內日光環(huán)境下能提供5V，0.3A的平穩(wěn)輸出，折合功率1.5W。而節(jié)點其余電子元件總能耗約不到0.2W，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)點供電50小時以上，完全可以滿足節(jié)點夜晚工作。

2 總臺

處于消防控制室的總臺由一臺無線收發(fā)調節(jié)器及一臺計算機組成。無線收發(fā)調節(jié)器負責與建筑物內的眾多節(jié)點進行通訊，將匯總的信息匯報給計算機進行處理。當數據通過串口傳輸進計算機后，計算機對數據進行翻譯解碼，獲取房間內的溫度，煙霧濃度等信息，通過與設定的參數進行比對，判斷房間內的火災情況，并在必要的時候發(fā)出告警。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)的技術細節(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，在軟件設計上實現了以下功能：

⑴在界面中我們能夠看到網內已連接節(jié)點的名稱（即樓宇房間號），可以在界面上清楚的看到每個節(jié)點的運行狀況。

⑵當有節(jié)點發(fā)出告警信號時，計算機將對告警信號進行分析，根據相鄰節(jié)點情況迅速判定告警信號是否為真。程序對于火災等級也進行了劃分，將單個房間告警，相鄰多個房間告警和整層告警進行分級，以便采取最有效的措施。

⑶對于節(jié)點匯總的信號，軟件分析完畢后可在后臺靜默寫入MySQL數據庫，并提供基于Apache和PHP遠程圖形操作界面，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)點和總臺的通信內容作出了規(guī)定：數據內容為10位十六位數據0x 00 00 00 00 00，分別代表著節(jié)點的不同信息。

前兩位信息為信號發(fā)送的目的地，可設置為總臺，以免被其余節(jié)點錯誤截留。第三四位數據代表了節(jié)點的精確到個位的十六位溫度值，可作為日常屋內溫度監(jiān)控。由于火災的特性，過度精確的溫度值并沒有具體意義。如果節(jié)點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。當采用單一溫度傳感器時，第五六位的值為00。第七八位信息代表了節(jié)點所在房間的唯一ID，總臺根據接收到的ID進行定位。確保了數據的準確性，同時也可以對區(qū)域數據進行統(tǒng)計，判斷火情等級。

對于總臺，由于是固定安排在某房間內部，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告警信號是由合法的樓內節(jié)點發(fā)出而不是偽造的信號。有鑒于此，數據的七八位是預留的校驗位，通過CC2530內置AES加密模塊對前八位數據進行加密，取前兩位加密后信息寫入數據的后兩位。經總臺驗證后，即可判別數據的真?zhèn)危鸬搅吮Ｗo網絡安全的作用。

無線火災報警系統(tǒng)的設計為用戶提供了一套使用方便，擴展性強的解決方案，可以說解決了傳統(tǒng)報警器所存在的問題。當然，整套系統(tǒng)目前還存在著很多缺陷，我們只有在實踐中不斷完善提高，才能讓人民群眾更好的遠離火災！

[參考文獻]

[1]全國民用建筑工程設計技術措施-電氣[M].建筑出版社.2003.

[2]高層民用建筑設計防火規(guī)范GB50045-95.

[3]王雪文，張智勇.傳感器原理及應用[M].北京：北京航天大學出版社.2004.

[4]成佩青.數字信號處理教程[M].北京：清華大學出版社.2006.

[7]周惠潮.常用電子元件及典型應用[M].北京：電子工業(yè)出版社.2005.