基于ZigBee技術(shù)的高層火災(zāi)自救指引系統(tǒng)設(shè)計

肖雄亮

摘 要：本課題應(yīng)用ZigBee技術(shù)在住戶、樓道、樓棟中分別設(shè)置傳感模塊、路由模塊、協(xié)調(diào)器網(wǎng)關(guān)，將火災(zāi)信息實時通過以太網(wǎng)傳到小區(qū)監(jiān)控中心，再以短信形式發(fā)送到小區(qū)住戶手機(jī)，及時指引住戶采取必要措施進(jìn)行自救避險。通過實驗仿真可知，該設(shè)計能及時準(zhǔn)確地發(fā)出報警信息，能較好地實現(xiàn)功能要求。

關(guān)鍵詞：ZigBee;多傳感器數(shù)據(jù)融合;火災(zāi)自救;高層

Abstract： In this project， ZigBee technology was applied to set up sensor module， routing module and coordinator gateway in the household， corridor and building respectively. The fire information is transmitted to the monitoring center of the community through Ethernet in real time， and then sent to the cell phone of the community residents in the form of SMS to guide the residents to take necessary measures to save themselves. It can be seen from the simulation that the design can send out the alarm information timely and accurately， and can better achieve the functional requirements.

Keywords： ZigBee;multisensor data fusion;fire self rescue;high level

傳統(tǒng)火災(zāi)自動報警系統(tǒng)的功能少、性能差、誤報警率高，不能滿足發(fā)展需要;同時，目前的火災(zāi)報警設(shè)備的主要功能為報警，缺乏對火場內(nèi)人員的自救指引。因此，設(shè)計一套及時、準(zhǔn)確無誤地發(fā)送火災(zāi)險情、指引人員準(zhǔn)確采取必要措施進(jìn)行自救的系統(tǒng)十分必要。本文就該系統(tǒng)的硬件部分進(jìn)行設(shè)計和開發(fā)，通過實驗達(dá)到預(yù)定要求。

1 系統(tǒng)總體方案

本文設(shè)計的家庭火災(zāi)報警系統(tǒng)以低功耗、低成本和高可靠性為目標(biāo)。ZigBee技術(shù)是一種有自愈、自組網(wǎng)、低功耗的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，具有高容量的特點，一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)可以包含65 000個模塊[1]，可以同時滿足65 000個模塊之間的互聯(lián)，也正好滿足高層住戶多的特點。

1.1 網(wǎng)狀拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

ZigBee網(wǎng)絡(luò)目前有星型、樹型和網(wǎng)狀網(wǎng)三種構(gòu)架。其中，星型網(wǎng)絡(luò)有一個中心節(jié)點，所有消息都經(jīng)它傳輸。樹型路由把網(wǎng)絡(luò)看成是以協(xié)調(diào)器為根的一棵樹，雖然不需要構(gòu)建路由表，但是不夠靈活[2]。網(wǎng)狀網(wǎng)路由是無線自組網(wǎng)按需平面距離矢量路由協(xié)議（Ad hoc On-Demand Distance Vector Routing，AODV）路由算法的一個簡化版本。在AODV中，一個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點要建立連接時才廣播一個連接建立的請求，其他的AODV節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)這個請求消息，并記錄源節(jié)點和回到源節(jié)點的臨時路由。其可以用于較大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)，需要節(jié)點維護(hù)一個路由表，耗費一定的存儲資源，但往往能達(dá)到最優(yōu)的路由效率，而且使用靈活?？紤]到高層建筑住戶多、距離長、阻隔多，為保障信號傳輸?shù)臏?zhǔn)確性，本系統(tǒng)采用無線網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

1.2 整體設(shè)計思路

系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。從圖1可知，在用戶端和不同樓層樓道設(shè)置終端傳感器節(jié)點，即“傳感模塊”，在同一層樓設(shè)置路由器節(jié)點，即“路由模塊”，每一棟樓設(shè)置協(xié)調(diào)器網(wǎng)關(guān)節(jié)點，即協(xié)調(diào)器網(wǎng)關(guān)，小區(qū)物業(yè)設(shè)置監(jiān)控模塊四級傳輸網(wǎng)絡(luò)，通過這種方式管理眾多的樓層。每個終端傳感器節(jié)點帶有火焰?zhèn)鞲衅?、煙霧傳感器、溫度傳感器，接收路由器節(jié)點的喚醒信號后，采集環(huán)境數(shù)據(jù)發(fā)送至路由器節(jié)點，一個路由器節(jié)點管理一層樓的傳感模塊，各個路由器節(jié)點可互相通信，可由任意一個路由器節(jié)點把所有信息發(fā)送至協(xié)調(diào)器網(wǎng)關(guān)節(jié)點。最終所有信息匯總到協(xié)調(diào)器網(wǎng)關(guān)節(jié)點模塊。協(xié)調(diào)器網(wǎng)關(guān)節(jié)點通過以太網(wǎng)與控制中心監(jiān)控模塊聯(lián)系。監(jiān)控模塊由火災(zāi)報警管理平臺系統(tǒng)和短信硬件模塊組成。前者負(fù)責(zé)管理數(shù)據(jù)和信息，后者負(fù)責(zé)具體發(fā)送。

2 硬件設(shè)計

2.1 路由模塊與傳感模塊設(shè)計

路由模塊與傳感模塊在硬件結(jié)構(gòu)上基本一樣。路由器節(jié)點主要放在各樓層的公共樓道中，監(jiān)測樓道中火災(zāi)情況的同時，將傳感模塊的火災(zāi)上傳給協(xié)調(diào)器。傳感模塊位于各住戶家庭中，監(jiān)測各住戶家中的火災(zāi)情況，并通過數(shù)據(jù)融合技術(shù)進(jìn)行火災(zāi)判斷。通過數(shù)據(jù)融合技術(shù)，可以減少硬件，并降低火災(zāi)誤判。傳感模塊主要包括火焰?zhèn)鞲衅?、煙霧傳感器、溫度傳感器、電源模塊、Zigbee通信模塊、報警模塊。火焰?zhèn)鞲衅?、煙霧傳感器、溫度傳感器三類傳感器檢測環(huán)境的火災(zāi)信息[3]，分別接CC2530的P1-3、P1-2、P1-5端口，并利用由電池組組成的電源模塊進(jìn)行供電。通過使用多傳感器和加權(quán)算法可以有效減少探測器的誤報警。傳感模塊結(jié)構(gòu)如圖2所示。

煙霧傳感器MQ_9對CO氣體、煤氣、液化石油氣體、天然氣具有較高的靈敏度和良好的選擇性?？諝庵袩熿F的濃度越高，煙霧傳感器MQ_9輸出的電壓值也越高。煙霧傳感器MQ_9的表面電阻[Rs]是通過與其串聯(lián)的負(fù)載電阻[RL]上的有效電壓信號[VRL]輸出而獲得的。煙霧傳感器MQ_9的電路原理如圖3所示，關(guān)系式如式（1）所示。MQ-9型氣敏元件的敏感層是用非常穩(wěn)定的二氧化錫制成的，具有優(yōu)秀的長期穩(wěn)定性，在正常使用條件下，其使用壽命可達(dá)5年。

火焰?zhèn)鞲衅骺梢詸z測波長在760～1 100nm內(nèi)的光源?；鹧?zhèn)鞲衅鬟x用帶有溫度補(bǔ)償型紅外線傳感器SPS532CA，其是專門為火災(zāi)探測和氣體分析開發(fā)的熱釋電紅外線傳感器。該傳感器為真空密封，并且內(nèi)部充滿了惰性氣體，非?？煽?，且當(dāng)特制的紅外線接收管接收到火焰信號時，就把火焰的亮度轉(zhuǎn)化為電壓信號?；鹧娴牧炼仍酱?，其輸出的電壓值越大。

溫度傳感器使用的是DS18B20數(shù)字溫度傳感器[4]，其輸出的是數(shù)字信號，溫度轉(zhuǎn)換時的延時時間由2 s減為750 ms。其具有高精度、高可靠性的優(yōu)點，并且感測的溫度以單線數(shù)字方式輸出，體積小，抗干擾能力強(qiáng)，適用于火災(zāi)探測系統(tǒng)。

ZigBee模塊選用TI公司的RF收發(fā)器芯片CC2530。CC2530結(jié)合了領(lǐng)先的RF收發(fā)器的優(yōu)良性能，業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型8051 CPU，系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存，8 kB RAM和許多其他強(qiáng)大的功能[3]。CC2530具有多種工作模式，能夠在短時間內(nèi)從休眠模式切換到主動工作模式，這保證了系統(tǒng)的超低功耗。其還自帶模數(shù)轉(zhuǎn)換功能，傳感器無須再外接模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，簡化了電路。每一個節(jié)點都有一個獨一無二的設(shè)備號用于與其他傳感模塊相區(qū)別，各節(jié)點安裝在不同的特定位置，實現(xiàn)定位功能。

2.2 協(xié)調(diào)器網(wǎng)關(guān)設(shè)計

協(xié)調(diào)器網(wǎng)關(guān)一方面要負(fù)責(zé)調(diào)度各路由器和傳感器模塊工作及信息采集;另一方面，要將火災(zāi)信息通過以太網(wǎng)發(fā)送給監(jiān)控模塊。由于CC2530受處理器速度與內(nèi)存的限制，無法運行TCP/IP協(xié)議。要實現(xiàn)ZigBee網(wǎng)絡(luò)與以太網(wǎng)絡(luò)連接，必須依靠其他網(wǎng)絡(luò)芯片。本設(shè)計在CC2530協(xié)調(diào)器上外接RTL8019AS以太網(wǎng)模塊以實現(xiàn)以上功能。臺灣RETLTEK公司的網(wǎng)卡芯片RTL8019AS具有價格低、接口簡單、無須外加轉(zhuǎn)換芯片、兼容性強(qiáng)、ISA總線高度集成的優(yōu)勢。CC2530與RTL8019AS連接結(jié)構(gòu)如圖4所示。

2.3 監(jiān)控模塊

PC主機(jī)通過串口與短信模塊連接組成。系統(tǒng)選用的短消息收發(fā)模塊是深圳百億科技公司生產(chǎn)的GPRS MODEM，而GPRS MODEM的核心是SIMENS的MC35i模塊。MC35i是新一代GSM/GPRS雙頻模塊，其實質(zhì)上是一塊可以二次開發(fā)的無線調(diào)制解調(diào)器，可以快速、安全、可靠地實現(xiàn)數(shù)據(jù)和語音傳輸、短消息服務(wù)。

3 軟件簡述

內(nèi)網(wǎng)系統(tǒng)中協(xié)調(diào)器和終端程序設(shè)計都通過在IAR Embedded Workbench for 8051開發(fā)環(huán)境下修改Z-Stack-CC230-2.5.1的SampleApp例程來完成。糾錯采用了經(jīng)典推理技術(shù)中的Neyman-Pearson準(zhǔn)則進(jìn)行三類傳感器信息融合，進(jìn)行加權(quán)計算。住戶手機(jī)數(shù)據(jù)存儲采用SQLite數(shù)據(jù)庫搭建。監(jiān)控模塊火災(zāi)報警管理平臺系統(tǒng)采用JSP技術(shù)開發(fā)，分為接口與后臺管理層、業(yè)務(wù)層、數(shù)據(jù)層、短信模塊4層。

4 結(jié)語

本文設(shè)計了一款基于ZigBee技術(shù)的高層火災(zāi)自救指引系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過ZigBee技術(shù)檢測和傳輸高層住宅火災(zāi)情況，并把火災(zāi)情況通過短信形式發(fā)送給住戶，以便住戶及時了解火災(zāi)發(fā)生情況，并指引其采取自救措施，降低損失。

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