基于Zigbee的無(wú)線(xiàn)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)

杜 哲，張立臣，耿 蕊，孫 潔,賈 鵬

（1.華北理工大學(xué)電氣工程學(xué)院，河北唐山 063000；2.華北理工大學(xué)以升創(chuàng)新教育基地，河北唐山 063000；3.唐山市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)所，河北唐山 063000）

0 引言

火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)[1]在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中備受關(guān)注，到目前為止，火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的采集方式大部分應(yīng)用CAN（Controller Area Network,控制器局域網(wǎng)絡(luò)）總線(xiàn)制[2]，通過(guò)有線(xiàn)方式傳輸檢測(cè)模塊與報(bào)警模塊信號(hào)，這種采集方式存在很多缺陷，例如布線(xiàn)復(fù)雜、火災(zāi)發(fā)生時(shí)容易導(dǎo)致連接線(xiàn)損壞。此外，大部分報(bào)警系統(tǒng)使用單一傳感器獲取住戶(hù)居住的環(huán)境信息，對(duì)于火災(zāi)不能提供及時(shí)響應(yīng)，從而造成誤報(bào)和漏報(bào)。對(duì)此，提出應(yīng)用多傳感器獲取住戶(hù)居住的環(huán)境信息，并將信息通過(guò)無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)輸出，進(jìn)一步完善火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)技術(shù)，使其報(bào)警性能在傳統(tǒng)的基礎(chǔ)上有所提高。除了傳統(tǒng)的傳感器信息采集模塊和報(bào)警電路外，還加入了Zigbee無(wú)線(xiàn)自組網(wǎng)，可將信息通過(guò)無(wú)線(xiàn)形式傳送到小區(qū)物業(yè)中心，減少住戶(hù)的財(cái)產(chǎn)損失[3]。

1 總體設(shè)計(jì)方案

無(wú)線(xiàn)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)主要分為兩部分：第一部分以STC89C52單片機(jī)為核心,外接MQ-2離子式煙霧傳感器、DS18B20數(shù)字溫度傳感器2個(gè)傳感器模塊和CC2530芯片無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸模塊；第二部分同樣用STC89C52單片機(jī)作為控制核心，不同的是外接聲光報(bào)警電路和CC2530芯片無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)接收模塊[4]。當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，傳感器會(huì)把檢測(cè)到的火災(zāi)信號(hào)通過(guò)無(wú)線(xiàn)方式傳遞出去，1號(hào)和2號(hào)報(bào)警電路都發(fā)出警報(bào)，分別通知家庭住戶(hù)和物業(yè)管理中心。收到信息后，聲光電路發(fā)出報(bào)警信號(hào)通知物業(yè)人員及時(shí)處理，防止災(zāi)害進(jìn)一步擴(kuò)大。雙重報(bào)警提高安全系數(shù)。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)

選擇STC89C52作為系統(tǒng)處理核心。STC89C52是8位內(nèi)部自帶振蕩器且具有128字節(jié)內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的單片機(jī),它有豐富的接口資源，功能強(qiáng)大，片內(nèi)自帶64 k字節(jié)的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和程序存儲(chǔ)器。由石英晶體振蕩器Y1、微調(diào)電容C2和C3組成的時(shí)鐘電路和由開(kāi)關(guān)S1、微調(diào)電容C1和電阻組成的復(fù)位電路，共同組成單片機(jī)的最小系統(tǒng)。其中Y1是一個(gè)為單片機(jī)提供12 MHz時(shí)鐘的石英振蕩器，C2和C3是推薦值為22 pF的微調(diào)電容。

2.2 單片機(jī)與傳感器連接電路

2.2.1 DS18B20溫度傳感器

系統(tǒng)采用比較通用的溫度傳感器DS18B20。DS18B20無(wú)需外部電源，可以通過(guò)單數(shù)據(jù)總線(xiàn)獲得讀寫(xiě)數(shù)據(jù)和溫度轉(zhuǎn)換需要的電源。DS18B20的溫度輸出信號(hào)是數(shù)字信號(hào)，無(wú)需模數(shù)轉(zhuǎn)換電路信號(hào)，可直接被單片機(jī)識(shí)別。通常在（-55～+125）℃的測(cè)溫范圍內(nèi)，DS18B20的分辨力可達(dá)到0.5℃。DS18B20傳感器的編程可以分為9到12位，通過(guò)實(shí)際RAM對(duì)不同系統(tǒng)的需要進(jìn)行不同分辨率之間的運(yùn)用，有利于實(shí)際測(cè)量溫度。

微處理器在控制DS18B20完成溫度轉(zhuǎn)換時(shí)，必須經(jīng)過(guò)3個(gè)步驟：①每次測(cè)溫之前必須進(jìn)行清零操作；②清零操作成功后向單片機(jī)發(fā)送一條ROM（Read Only Memory image，只讀內(nèi)存鏡像）指令；③發(fā)送RAM（Random Access Memory，隨機(jī)存儲(chǔ)器）指令。

2.2.2 MQ-2煙霧傳感器

火災(zāi)的發(fā)展一般分為4個(gè)階段：無(wú)可見(jiàn)煙階段、可見(jiàn)煙階段、燃燒階段和劇烈燃燒階段。在無(wú)可見(jiàn)煙階段，當(dāng)外部提供一定熱量時(shí)，可燃物本身發(fā)熱產(chǎn)生緩慢的分解作用，產(chǎn)生可燃?xì)怏w（CO，H2等）。此階段沒(méi)有可見(jiàn)煙和火焰，并伴隨著少量熱量。進(jìn)入可見(jiàn)煙階段時(shí)，隨著物質(zhì)進(jìn)一步發(fā)熱，熱解作用更為劇烈，釋放出氣體、直徑為（0.01～10）μm的液體或固體顆粒形成煙霧。

以往應(yīng)用的氣體傳感器氣敏電阻型占絕大多數(shù)，離子型煙霧探測(cè)器這種微電流變化裝置通過(guò)電離室引起的電壓變化感知煙霧粒子，性能類(lèi)似于煙敏電阻。如果有煙霧粒子進(jìn)入電離室，電離室空氣的電離狀態(tài)就會(huì)發(fā)生改變，電離室兩端的電壓，受到電離室等效電阻增加的影響而增大，由此確定空氣中的煙霧狀況。氣敏式傳感器工作原理是檢測(cè)空氣中是否存在大量可燃?xì)怏w，相比離子傳感器，性能存在不足，探測(cè)火災(zāi)時(shí)，離子式傳感器更加可靠。

MQ-2煙霧傳感器是比較常用的離子型煙霧探測(cè)器，使用二氧化錫作為氣敏材料,二氧化錫的電導(dǎo)率與可燃?xì)怏w成正比，在未出現(xiàn)可燃?xì)怏w時(shí)，二氧化錫的電導(dǎo)率很低，而在可燃?xì)怏w濃度很高時(shí)，電導(dǎo)率升高，因此系統(tǒng)電路就能檢測(cè)出目標(biāo)氣體，輸出信號(hào)后系統(tǒng)報(bào)警。由于MQ-2煙霧傳感器輸出的是模擬信號(hào)，所以需要增加模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊。這里的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊采用芯片ADC0832。

2.2.3 聲光報(bào)警電路

聲光報(bào)警電路主要由LED（Light-Emitting Diode，發(fā)光二極管）燈、蜂鳴器和三極管組成。蜂鳴器在低電平時(shí)發(fā)出聲音。當(dāng)煙霧濃度或者溫度達(dá)到限定值時(shí)，引腳P3.6變?yōu)榈碗娖?，三極管導(dǎo)通，LED燈發(fā)光，蜂鳴器發(fā)聲，直到煙霧濃度或者溫度低于閾值或者手動(dòng)解除警報(bào)。2.3 Zigbee無(wú)線(xiàn)模塊

Zigbee技術(shù)是一種新型的、基于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的短距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，以其低數(shù)據(jù)速率、功耗低、傳輸距離短的優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用，在傳輸家電和小型電子設(shè)備的無(wú)線(xiàn)指令中尤為適用。其典型的傳輸數(shù)據(jù)類(lèi)型有以傳感器為代表的周期性數(shù)據(jù)傳輸，以照明控制為代表的間歇性數(shù)據(jù)傳輸和以鼠標(biāo)為代表重復(fù)低反映時(shí)間數(shù)據(jù)傳輸。其目標(biāo)功能是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。它采用跳頻技術(shù)，選擇有效覆蓋范圍（10～275）m的免執(zhí)照頻段。在美國(guó)是 915 MHz，歐洲是 868 MHz，ISM（Institute for Supply Management，美國(guó)供應(yīng)管理協(xié)會(huì)）是2.4 GHz。為了增加數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，可將傳輸范圍擴(kuò)大到334 m應(yīng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)速率＜28 kb/s的情況。

CC2530無(wú)線(xiàn)片是比較常用的Zigbee芯片，以較低成本建立可靠的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。CC2530擁有良好的RF（Radio Frequency，射頻）收發(fā)性能，在2.4 GHz頻率下工作。它屬于增強(qiáng)型8051單片機(jī)，8 kb的RAM擁有編程等多種強(qiáng)大的功能。新一代的CC2530芯片提高原有的可操作性，而且具有更強(qiáng)的抗干擾性，可以進(jìn)行更遠(yuǎn)距離的無(wú)線(xiàn)信號(hào)傳輸，是新一代家電遙控的首選。CC2530的P2.0口與單片機(jī)的P2.1口連接。

3 軟件設(shè)計(jì)部分

3.1 Kendall-τ趨勢(shì)算法

火災(zāi)發(fā)生時(shí)，警報(bào)器對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的溫度、煙霧濃度等信息進(jìn)行收集并判斷是否報(bào)警，收集到的數(shù)據(jù)滿(mǎn)足2個(gè)特性：①幅值有明顯上升或者下降的趨勢(shì)，是趨勢(shì)算法判斷火災(zāi)的依據(jù)。②信號(hào)呈現(xiàn)相對(duì)持續(xù)性變化，以此判斷火災(zāi)信號(hào)瞬時(shí)脈沖的上升或者下降是否為干擾信號(hào)。將計(jì)算得出的相對(duì)趨勢(shì)值τ與預(yù)先確定的閾值比較，得出是否發(fā)生火災(zāi)的結(jié)論。

3.2 火災(zāi)信號(hào)發(fā)送部分

STC89C52單片機(jī)使用前先進(jìn)行初始化，然后設(shè)置溫度和煙霧閾值。之后數(shù)字溫度傳感器DS18B20開(kāi)始采集溫度數(shù)據(jù)，離子式煙霧傳感器MQ-2采集煙霧信號(hào)并經(jīng)過(guò)A/D電路轉(zhuǎn)換被單片機(jī)識(shí)別。然后重復(fù)上次采集數(shù)據(jù)的操作，兩次數(shù)據(jù)均超過(guò)閾值，說(shuō)明發(fā)生火災(zāi)，單片機(jī)將通過(guò)CC2530芯片發(fā)出火災(zāi)信號(hào)。

3.3 火災(zāi)信號(hào)接收部分

報(bào)警部分由CC2530芯片不間斷按時(shí)掃描，收到無(wú)線(xiàn)信號(hào)，經(jīng)STC89C52單片機(jī)處理后，控制聲光報(bào)警電路發(fā)出報(bào)警信息。

4 結(jié)語(yǔ)

相對(duì)于傳統(tǒng)的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用溫度和煙霧傳感器結(jié)合進(jìn)行火災(zāi)報(bào)警，大大減小了誤報(bào)警的概率。系統(tǒng)采用Zigbee無(wú)線(xiàn)傳輸方式，沒(méi)有傳統(tǒng)布線(xiàn)的繁瑣與線(xiàn)路損耗，火災(zāi)信息更加快捷精準(zhǔn)地傳遞給室內(nèi)人員和小區(qū)物業(yè)人員，保障用戶(hù)的生命財(cái)產(chǎn)安全。