基于ZigBee與LabVIEW的火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計

吳龍亮，薛 楠，權(quán)祎魁，朝魯門，劉婉玉，楊 兵

（哈爾濱理工大學 電氣與電子工程學院，黑龍江 哈爾濱150080）

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展和生活水平的提高，由于各種火災(zāi)引發(fā)的社會經(jīng)濟損失也越來越巨大。最大限度地降低火災(zāi)危害的方法就是盡早發(fā)現(xiàn)火警，在火勢蔓延之前將其撲滅。火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)是作為早期探測火災(zāi)并將火災(zāi)遏制在萌芽狀態(tài)的重要系統(tǒng)。

新興的ZigBee技術(shù)恰好能滿足火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)的各種要求[1]，基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)具有以下特點：ZigBee無線傳感器系統(tǒng)降低了系統(tǒng)的整體安裝成本；ZigBee具有自組織功能，使網(wǎng)絡(luò)無需人工干涉，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點能夠感知其他節(jié)點的存在，并根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計要求確定網(wǎng)絡(luò)的拓撲關(guān)系；系統(tǒng)的各個模塊具有集成度高、可靠性高、功耗低、成本低、體積小等優(yōu)點，維護保養(yǎng)方便[2]。

本文采用ZigBee技術(shù)和LabVIEW虛擬儀器技術(shù)相結(jié)合對火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)中多個傳感器的信號進行實時采集，將采集到的數(shù)據(jù)通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳送到ZigBee中心節(jié)點，通過中心節(jié)點與PC機串口進行通信，傳送給監(jiān)控中心來處理傳感器提供的火警信息。在LabVIEW環(huán)境下實現(xiàn)對火警地區(qū)的監(jiān)測、顯示、查詢數(shù)據(jù)等功能，既充分利用了LabVIEW強大的虛擬儀器技術(shù)，又可以提高整個系統(tǒng)的智能性，從而實現(xiàn)火災(zāi)的早期預(yù)警。

1 火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計

無線火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)由以下3部分構(gòu)成：

(1)傳感器節(jié)點。ZigBee模塊與傳感器模塊構(gòu)成無線傳感網(wǎng)絡(luò)的終端節(jié)點，對火警地區(qū)的溫濕度、煙霧濃度等信息進行實時采集。大量的傳感器節(jié)點負責將采集到的數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到中心節(jié)點。

(2)中心節(jié)點。起到數(shù)據(jù)上傳下送的中繼作用，負責啟動、配置、協(xié)調(diào)整個ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)，并把采集到的數(shù)據(jù)通過有線或無線的方式發(fā)送至監(jiān)控中心。

(3)監(jiān)控中心。具有建立、管理整個網(wǎng)絡(luò)的功能，對整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進行監(jiān)測，顯示和存儲中心節(jié)點上傳的數(shù)據(jù)，并對接收的數(shù)據(jù)進行綜合分析以進行火災(zāi)預(yù)警。也可設(shè)置定期或隨機向數(shù)據(jù)采集器發(fā)送數(shù)據(jù)采集命令，接收數(shù)據(jù)并存儲。

系統(tǒng)運行過程中，監(jiān)控中心不僅要對監(jiān)測的數(shù)據(jù)實時記錄，而且需要計算監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化趨勢，如果未發(fā)生火警，則監(jiān)測數(shù)據(jù)應(yīng)處于事先預(yù)設(shè)的合理的波動范圍內(nèi)，而一旦監(jiān)測數(shù)據(jù)超出預(yù)設(shè)范圍且發(fā)生異常波動，表明此時可能有火警出現(xiàn)，則立刻進行系統(tǒng)預(yù)警，同時出現(xiàn)異常的傳感器節(jié)點在系統(tǒng)上位機界面上將予以顯示警告，由此監(jiān)控中心可以直觀觀測到出現(xiàn)異常情況的火警范圍。

2 系統(tǒng)傳感器節(jié)點硬件設(shè)計

傳感器節(jié)點的硬件電路結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 傳感器節(jié)點結(jié)構(gòu)示意圖

2.1 溫濕度傳感器電路

SHT11溫濕度傳感器是瑞士Sensirion公司生產(chǎn)的一款具有I2C總線接口的單片全校準數(shù)字式相對溫濕度傳感器，具有極高的安全性、可靠性和長期穩(wěn)定性。SHT11供電電壓為2.4 V～5.5 V，溫度測量范圍為-40℃～123.8℃，濕度測量范圍為 0%RH～100%RH[3]。CC2430使用兩根線與SHT11的DATA和SCK引腳相連，并在DATA端口接入一只上拉電阻，用于將信號提拉為高電平，同時在VDD及GND端口接入一只去耦電容。傳感器模塊的接口電路如圖2所示。

圖2 溫濕度傳感器電路

2.2 煙霧傳感器電路

MQ-2煙霧氣敏傳感器在周圍環(huán)境中存在可燃氣體時，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中可燃氣體濃度的增加而增大[4]。氣體傳感器和跟隨器LM324連接的電路如圖4所示，跟隨器的作用主要是增大輸入電阻。由于MQ-2輸出的是模擬電壓信號，需要CC2430自帶的AD進行模數(shù)轉(zhuǎn)換。CC2430的P0口是內(nèi)部具有ADC8通道輸入口，因此本系統(tǒng)直接將信號的輸出連接至CC2430的P0.7口，如圖3所示。

3 火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)監(jiān)控的設(shè)計

圖3 煙霧傳感器電路

監(jiān)控中心實現(xiàn)整個系統(tǒng)的人機交互，實時對傳感器節(jié)點進行監(jiān)測和存儲歷史數(shù)據(jù)，對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行綜合分析判斷，進行預(yù)警提示，并在界面中用報警燈直觀顯示出現(xiàn)異常的傳感器節(jié)點，本系統(tǒng)上位機軟件采用NI公司的LabVIEW進行編寫。

3.1 火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)監(jiān)測界面

與常規(guī)的LabVIEW界面設(shè)計有所區(qū)別，本火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)監(jiān)測界面采用兩層設(shè)計，頂層為登錄預(yù)警界面，實現(xiàn)系統(tǒng)總體監(jiān)測，底層為傳感器節(jié)點監(jiān)測界面，實現(xiàn)對節(jié)點數(shù)據(jù)進行顯示查詢等功能。

(1)頂層登錄預(yù)警界面主要分為3個獨立區(qū)域，分別為用戶登錄區(qū)、節(jié)點選擇區(qū)和節(jié)點工作狀態(tài)顯示區(qū)。用戶登錄成功后，可以點擊節(jié)點選擇區(qū)中相應(yīng)的節(jié)點按鈕進入底層的傳感器節(jié)點監(jiān)測界面，用來觀察每個傳感器節(jié)點的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)。節(jié)點工作狀態(tài)顯示區(qū)能夠直觀顯示節(jié)點的工作狀態(tài)，指示燈為綠色時節(jié)點處于正常的工作范圍，指示燈為灰色時，節(jié)點報警，管理人員可以直接通過節(jié)點工作狀態(tài)顯示區(qū)觀測到預(yù)警節(jié)點。系統(tǒng)頂層界面如圖4所示。

圖4 頂層登錄報警界面

(2)底層傳感器節(jié)點監(jiān)測界面如圖5所示，界面中實時顯示溫濕度、煙霧濃度數(shù)值及其變化曲線，并能夠同時完成傳感器參數(shù)超限報警功能，作為底層界面，能夠完成傳感器節(jié)點數(shù)據(jù)的顯示、分析處理、歷史數(shù)據(jù)查詢等功能。

圖5 底層傳感器節(jié)點監(jiān)測界面

3.2 LabVIEW串口通信程序的設(shè)計

火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)中心節(jié)點可以直接通過串口與上位機進行通信。數(shù)據(jù)與上位機進行串口通信前，要對串口進行配置，使得計算機串口的參數(shù)設(shè)置與儀器設(shè)備保持一致，以確保通信的正確進行。程序中設(shè)定波特率為38 400，數(shù)據(jù)位為8，停止位為 1，校驗位 none。程序運行時，計算機通過串口將數(shù)據(jù)存儲在VISA Flush I/O Buffer中，利用VISA Read將采集的反饋信息讀取出來，經(jīng)過分析處理后，將數(shù)值傳送到顯示面板進行顯示，并實時將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫中，同時對每一個節(jié)點的數(shù)據(jù)值進行監(jiān)控，將其和預(yù)警值進行比較，如果數(shù)次超過預(yù)警值，則在頂層界面上進行預(yù)警提示。操作人員亦可隨時啟動本系統(tǒng)繼續(xù)進行數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控。

3.3 LabVIEW數(shù)據(jù)處理

LabVIEW可以實現(xiàn)對測量數(shù)據(jù)的比較、分析、存儲、查詢等多種功能，特別是數(shù)據(jù)的動態(tài)存儲與動態(tài)查詢。由于火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)需要存儲大量的數(shù)據(jù)，因此需要通過讀寫數(shù)據(jù)庫來實現(xiàn)。LabVIEW通過ADO控件來連接數(shù)據(jù)庫，ADO控件已適用于Windows操作系統(tǒng)中，ADO控件與ODBC連接能訪問任何支持ODBC的數(shù)據(jù)庫。本系統(tǒng)中采用Access數(shù)據(jù)庫與LabVIEW進行數(shù)據(jù)的讀寫與查詢。采集數(shù)據(jù)時，LabVIEW將通過LabSQL訪問包將數(shù)據(jù)實時存入Access數(shù)據(jù)庫中，并且將超過預(yù)警值的數(shù)據(jù)進行記錄，方便操作人員的查詢與調(diào)用。

本文將無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)引入火災(zāi)的監(jiān)測中，構(gòu)建了基于ZigBee和LabVIEW的火災(zāi)監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，給出了系統(tǒng)主要模塊的硬件設(shè)計和上位機界面的設(shè)計，實現(xiàn)了對日?；馂?zāi)的監(jiān)測以及預(yù)警的功能。經(jīng)實驗表明，本設(shè)計是一種高效、實時的火災(zāi)監(jiān)測預(yù)警方案，有助于提供準確的火災(zāi)預(yù)警，為實現(xiàn)火災(zāi)監(jiān)測的自動化與智能化提供了一種新的嘗試。

[1]王小強.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計與實現(xiàn)[M].北京：化學工業(yè)出版社，2012.

[2]李文仲，段朝玉.ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)入門與實踐[M].北京：北京航空航天大學出版社，2007.

[3]欒學德.基于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的智能溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[D].青島：中國海洋大學，2012.

[4]許馳.基于ZigBee的多傳感器火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)[J].西華大學學報，2012，11(6)：73-76.