無線火災(zāi)報警系統(tǒng)設(shè)計

毛杰寧，李梅，羅旌鈺（中國地質(zhì)大學(xué)（北京）信息工程學(xué)院，北京100083）

無線火災(zāi)報警系統(tǒng)設(shè)計

毛杰寧，李梅，羅旌鈺
（中國地質(zhì)大學(xué)（北京）信息工程學(xué)院，北京100083）

火災(zāi)災(zāi)害給我們帶來了難以估量的損失，因而火災(zāi)預(yù)防報警一直是國內(nèi)外備受關(guān)注的課題之一。為解決傳統(tǒng)有線火災(zāi)系統(tǒng)存在的問題，提出一種基于ZigBee無線技術(shù)的無線火災(zāi)報警系統(tǒng)設(shè)計。系統(tǒng)采用星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并分為中心處理端和探測端兩部分組成。中心處理端采用STM32F103ZET6芯片為核心，探測終端采用STC89C52RC芯片為核心，兩部分同時與基于Zig-Bee技術(shù)的無線射頻芯片CC2530相結(jié)合，實現(xiàn)了大范圍區(qū)域火災(zāi)監(jiān)控與報警的需要。經(jīng)過研究與測試表明，該系統(tǒng)設(shè)計成本低、智能化高、工作性能穩(wěn)定可靠。

無線；火災(zāi)報警；智能化；ZigBee

目前，國內(nèi)主要采用總線型火災(zāi)自動報警系統(tǒng)，這種自動報警系統(tǒng)已采用微處理器控制，其線制一般有四線制、三線制、二線制，探測器和模塊均采用地址編碼形式，通過總線與控制器實現(xiàn)信號傳送[1]。雖然這種報警系統(tǒng)能有效減少火災(zāi)帶來的損失，但其中仍存在不少問題，施工麻煩、性價比較低、靈活性差，同時難以保證其穩(wěn)定工作和維修。而國外發(fā)達(dá)國家在建設(shè)和應(yīng)用城市火災(zāi)自動報警監(jiān)控系統(tǒng)方面逐漸趨向成熟，他們將自動火災(zāi)報警作為公共報警手段接入監(jiān)控系統(tǒng)，并有效運(yùn)行多年，使消防指揮中心能夠快速準(zhǔn)確判斷火災(zāi)地點(diǎn)、火災(zāi)類型，并調(diào)度消防部隊迅速到達(dá)現(xiàn)場，自動報警監(jiān)控系統(tǒng)在此起到了很大的作用[2]。

設(shè)計針對傳統(tǒng)火災(zāi)自動報警的問題，系統(tǒng)采用基于ZigBee與嵌入式相關(guān)的技術(shù)，通過多個探測終端和中心處理端，自組成星形拓?fù)涞木W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[3]，實現(xiàn)了對多個探測地點(diǎn)的管理與監(jiān)控，為減少火災(zāi)隱患提供了保證。同時本文設(shè)計在探測端使用溫度傳感器DS18B20和煙霧傳感器MQ-2，來獲取監(jiān)控區(qū)域溫度和煙霧濃度的變化。

1 系統(tǒng)設(shè)計與框架架構(gòu)

1.1 系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)分主要為中心處理端 （主控）和探測終端（從控）兩部分，同時它們組成以中心處理端為核心的星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。中心處理端主要處理和分析各探測端數(shù)據(jù)，并將工作情況顯示在TFT-LCD顯示屏上；而探測終端則承擔(dān)接收并處理傳感器數(shù)據(jù)的工作。兩者結(jié)合合適的無線傳輸協(xié)議來實現(xiàn)兩者之間的通信。系統(tǒng)設(shè)計框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計圖

為實現(xiàn)中心處理端和探測終端進(jìn)行良好的通信工作，系統(tǒng)采用ZigBee無線傳輸協(xié)議。Zigbee[4]是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗個域網(wǎng)協(xié)議，根據(jù)這個協(xié)議規(guī)定的技術(shù)是一種短距離、低功耗的無線通信技術(shù)，并較于藍(lán)牙[5]、Wi-Fi[6]等無線協(xié)議，具有低復(fù)雜度、自組織、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的優(yōu)點(diǎn)，并非常適合用于自動控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備[7]。

1.2 系統(tǒng)工作模式設(shè)計

針對傳統(tǒng)自動火災(zāi)報警系統(tǒng)適用范圍小、智能化程度低[8]和安裝維修困難的問題，本設(shè)計通過程序算法和通信協(xié)議的設(shè)計，使探測終端并及時將數(shù)據(jù)傳輸給中心處理端，中心處理端對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，智能判斷出環(huán)境和設(shè)備的狀況，從而做出相應(yīng)反應(yīng)。

但為保證各個設(shè)備正常運(yùn)行，并提高智能化程度，減輕維修難度，本文需要解決幾個關(guān)鍵問題：1）各個探測終端數(shù)據(jù)與中心端通信時的相互之間干擾2）設(shè)備的接入與管理3）設(shè)備異常的判斷。

圖2 訪問流程圖

1）為解決設(shè)備通信相互之間的干擾，整個系統(tǒng)需要設(shè)定一種合理工作機(jī)制，來確保各個探測終端與中心端通信時，不會受到其它設(shè)備的干擾。經(jīng)考慮與分析，探測終端與主控傳遞的數(shù)據(jù)，主要是溫度和煙霧濃度的數(shù)值，以及檢測到環(huán)境的異常發(fā)出的警報。所以本文采取定時點(diǎn)名訪問的方式[9]來獲取各個探測端的數(shù)值，主控每隔1秒訪問一個探測終端，當(dāng)主控訪問到某一個探測終端的時候，該探測終端就返回相關(guān)的數(shù)據(jù)，其余探測終端就不會回應(yīng)主控的訪問。同時因為主控與一個探測終端的通信僅需極短的時間，不到整個訪問周期的5%，主控剩余的時間便可以接收其余探測端的警報或其它緊急信息。圖2為訪問流程圖，i為探測終端地址，n為累計值，max為訪問累計值上限；

2）而為實現(xiàn)設(shè)備的接入與管理，那么每個探測終端需要唯一的標(biāo)識碼作為地址來區(qū)分。如果將標(biāo)志碼直接寫入探測端，就會造成地址分配的諸多問題，同時考慮到探測終端主要是與主控進(jìn)行通信，本文通過主控分配地址的方式來區(qū)分各個探測終端。當(dāng)有新的探測終端接入系統(tǒng)中時，該探測終端就會向中心端發(fā)送地址請求，如果主控給他分配了地址時，就會顯示新設(shè)備接入，即表示成功，否則就是失敗。就這樣每一個探測終端都有了唯一的地址區(qū)分，就方便主控對各個探測終端的管理了。

3）每個探測終端是否正常工作是保證系統(tǒng)正常運(yùn)行的前提。而設(shè)備異常又主要體現(xiàn)在兩個方面，一是無法進(jìn)行正常通信，二是溫度傳感器DS18B20和煙霧傳感器MQ-2無法正常工作。針對第一個問題，本文設(shè)計主控某個探測終端無法得到回應(yīng)時，在下一個訪問周期將會繼續(xù)訪問并做累計，累計過程如果得到回應(yīng)即表示正常；當(dāng)累計的值超過訪問上限就表示該探測端異常。而第二個問題，系統(tǒng)先通過平均濾波算法，保證數(shù)據(jù)的可靠性，同時又監(jiān)控數(shù)據(jù)，當(dāng)數(shù)據(jù)長時間維持某一值不動，又或者在很短的時間內(nèi)變化劇烈，就會向中心端發(fā)送異常警報，提示使用者注意。

圖3為探測端工作圖，圖4為主控工作圖。

2 系統(tǒng)硬件組成設(shè)計

測試系統(tǒng)硬件主要分為探測終端電路和中心處理端電路，中心處理端由于處理的數(shù)據(jù)過多，選用STM32F103ZET6芯片作為處理芯片[10]；而探測終端處理的數(shù)據(jù)較少，選用STC89C52RC芯片作為處理芯片。圖5為中心處理端結(jié)構(gòu)圖，圖6為探測端結(jié)構(gòu)圖。警報部分主要通過蜂鳴器和不同顏色的指示燈進(jìn)行報警工作。

通信芯片采用cc2530芯片[11]承擔(dān)主從設(shè)備之間的通信工作，cc2530芯片是TI公司推出最新一代ZigBee標(biāo)準(zhǔn)芯片，CC2530包括了極好性能的一流RF收發(fā)器，工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)增強(qiáng)性8051 MCU，因此它特別適合在低功耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。同時，cc2530通過串口與處理芯片進(jìn)行通信[12]。

圖3 探測端工作圖

圖4 中心處理端工作圖

圖5 中心處理端結(jié)構(gòu)圖

圖6 探測端結(jié)構(gòu)圖

中心處理端顯示部分，使用TFT-LCD顯示屏實現(xiàn)人機(jī)交互，TFT-LCD顯示屏是液晶顯示器中的一類重要代表，具有體積小，功耗低，顯示品質(zhì)優(yōu)良等諸多優(yōu)點(diǎn)，已成為當(dāng)前桌面顯示的主流[13]。

探測終端傳感器主要包括溫度傳感器DS18B20和煙霧傳感器MQ-2，它們分別用來監(jiān)控實際區(qū)域的溫度變化和煙霧濃度，將數(shù)據(jù)傳輸給探測終端芯片，探測終端收到數(shù)據(jù)后，為確保數(shù)據(jù)的可靠性，我們統(tǒng)計30次數(shù)據(jù)并求平均值，當(dāng)這些指標(biāo)超出預(yù)設(shè)值，探測端就會啟動報警。

溫度傳感器DS18B20是DALLAS公司生產(chǎn)的單總線器件，具有線路簡單、體積小的特點(diǎn)。通過一個端口即可實現(xiàn)通信，實際應(yīng)用中不需要外部任何元器件即可實現(xiàn)測溫，測量溫度范圍在－55～+125℃之間，數(shù)字溫度計的分辨率用戶可以從9位到12位選擇[14]。

煙霧傳感器MQ-2對不同種類、不同濃度的氣體具有不同的電阻值，文中測試實驗中采用封裝好了FC-22模塊，通過ADC模塊將溫度的變化數(shù)值傳輸給單片機(jī)[15-17]。

3 測試效果

測試中我們模擬正常的使用，在同一系統(tǒng)接入3個探測終端設(shè)備，以監(jiān)控3個區(qū)域的溫度和煙霧濃度變化。當(dāng)設(shè)備接入系統(tǒng)中，在lCD顯示屏上看到成功標(biāo)志，設(shè)備就開始正常工作，并且每隔3秒左右更新一次數(shù)據(jù)。

當(dāng)我們?nèi)藶榻o其中一個探測終端改變環(huán)境因素時，提升溫度或煙霧濃度達(dá)到異常值時，主控在極短的時間內(nèi)就開始報警，并提示對應(yīng)探測端溫度或煙霧濃度異常。

當(dāng)我們給一個探測終端斷電或它的傳感器斷電時，幾秒過后，主控便開始報警，并提示對應(yīng)探測終端工作異?；騻鞲衅鞴ぷ鳟惓?。

4 結(jié) 論

為減少火災(zāi)帶來的損失，實現(xiàn)對火災(zāi)隱患區(qū)的監(jiān)控，文中提出一套的無線火災(zāi)自動報警系統(tǒng)，并針對傳統(tǒng)火災(zāi)自動報警系統(tǒng)安裝維修困難、智能化程度低、適用范圍小的問題，我們提出使用合理的工作管理機(jī)制、程序算法，并基于ZigBee無線傳輸?shù)臒o線火災(zāi)報警系統(tǒng)，從而使設(shè)備更加的系統(tǒng)化、人性化、合理化。測試結(jié)果也表明該系統(tǒng)體系行之有效，能及時反應(yīng)監(jiān)控設(shè)備和環(huán)境的狀態(tài)，從而達(dá)到了設(shè)計的要求。

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Design of wireless fire alarm system

MAO Jie-ning，LI Mei，LUO Jing-yu
（School of Information Engineering，University of Geosciences（Beijing），Beijing 100083，China）

Fire disaster brought us immeasurable loss，and thus prevent the fire alarm has been one of the topics of concern at home and abroad.To solve problemsofthe traditional wired fire system，the authors propose a designofwireless fire alarm system based on ZigBee wireless technologyin this paper. The system uses wireless network architecture star topology，and itis divided into a central processing end and probing ends of the two parts.The central processing end use STM32F103ZET6 as the core，the probe end use STC89C52RC as the core，andthey combined with radio frequency chip CC2530 ZigBeebased technology，to achieve the need ofa wide range of regional fire monitoring and alarms.After research and testing show that the system is designed for low cost，high intelligence，stable and reliable performance.

wireless；fire alarm；intelligent；ZigBee

TN709

A

1674－6236（2017）07-0115-04

2016-06-09稿件編號：201606075

國家自然科學(xué)基金面上項目（41374185）；大學(xué)生創(chuàng)新性實驗計劃項目（2015AB025）

毛杰寧（1995—），男，湖南婁底人。研究方向：電子信息處理。