基于物聯(lián)網(wǎng)ZigBee 技術(shù)的家庭智能消防預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計與研究

◎董 萍

（三門峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息傳媒學(xué)院，河南 三門峽 472000）

隨著時代的進步和高科技水平的迅猛發(fā)展，我國的經(jīng)濟水平有了較大提高。高層建筑具有兼容性強、容納性高和占地面積小等特點，在一線城市深受青睞?；馂?zāi)隱患是危害高層建筑家庭智能系統(tǒng)安全的重要因素，是目前造成人員傷亡以及財產(chǎn)損失事故的主要來源之一?！爸悄芗揖印薄爸腔鄢鞘小薄爸腔巯馈钡茸盅垡焉钊氲饺藗?nèi)粘５纳钪?。家庭智能消防預(yù)警控制技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合能極大地改變?nèi)藗兊纳罘绞?。設(shè)計合理的家庭智能消防預(yù)警系統(tǒng)能有效感知火災(zāi)信息，使消防救援人員及時做出正確的決策，控制火災(zāi)事故的發(fā)生，盡量減少火災(zāi)帶來的經(jīng)濟損失和人員傷亡。

1 高層建筑火災(zāi)隱患的特點

高層建筑具有火災(zāi)隱患多、火勢蔓延速度快、人員疏散困難、救援難度大等特點，個別高層建筑存在消防車道寬度不足、設(shè)施維護保養(yǎng)不到位，安全疏散設(shè)施占用、堵塞、損壞，生命通道不暢通、建筑外墻采用易燃可燃外保溫材料、消防設(shè)施嚴(yán)重缺失、故障、損壞、停用現(xiàn)象嚴(yán)重，多數(shù)高層未設(shè)置雙電源，電纜井、管道井封堵不嚴(yán)、敷設(shè)雜物，火災(zāi)蔓延風(fēng)險較大。同時，消防車道未進行標(biāo)識化管理，小區(qū)內(nèi)私家車占用消防車道、樓道內(nèi)堆放雜物，尤其是地下室內(nèi)，火災(zāi)荷載較大，隱患較多。絕大多數(shù)高層建筑未設(shè)置消防車登高作業(yè)場地，一旦發(fā)生險情，消防登高車將無法停靠開展救援；小區(qū)私家車停車位嚴(yán)重不足，住戶占用、堵塞消防車通道等弊端，一旦發(fā)生火災(zāi)，波及范圍大，建筑物的內(nèi)部管道、樓梯、電梯等火勢蔓延速度極快，人員疏散較為困難，后果非常嚴(yán)重，高層建筑家庭智能的消防安全隱患問題不容忽視。

傳統(tǒng)的消防預(yù)警系統(tǒng)存在安裝與檢修困難，不支持基于物聯(lián)網(wǎng)的統(tǒng)一管理與監(jiān)控等弊端。加強火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)施建設(shè)是目前防范火災(zāi)事故的重點，將火災(zāi)事故的發(fā)生控制在火災(zāi)的萌芽階段是擺在每一名消防工作人員亟待解決的問題。具備安全可靠的消防預(yù)警系統(tǒng)對于保障城市的正常運行極為重要。

2 基本概念

2.1 ZigBee 技術(shù)

ZigBee 技術(shù)適用于距離范圍短的數(shù)據(jù)之間的傳輸，能夠支持多種網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，組網(wǎng)靈活多樣，其協(xié)議?？傮w架構(gòu)分為物理層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層三部分[1]。ZigBee 通信協(xié)議結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 ZigBee 通信協(xié)議結(jié)構(gòu)圖

2.2 WiFi 技術(shù)

WiFi 技術(shù)具有價位低、傳輸速率高、抗干擾能 力 強 的 特 點， 具 有 Ad -hoc WiFi 和Infrastructure 兩種工作模式，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于人們的工作、生活等各個領(lǐng)域。

2.3 NFC 技術(shù)

NFC 是一種應(yīng)用于短距離通信的技術(shù)，具有有源和無源兩種設(shè)備[2]。前者主要應(yīng)用于公交車的讀卡器、智能手機的支付和各類公司、企事業(yè)單位的打卡器。后者主要指NFC 標(biāo)簽與其他微發(fā)射器。

2.4 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)是物物相連的互聯(lián)網(wǎng)，具有全面感知、可靠傳送和智能處理三大特性，用來實現(xiàn)智能化識別，讓所有能夠被獨立尋址的普通物理對象實現(xiàn)互聯(lián)互通的網(wǎng)絡(luò)，具有泛在感知、可靠傳輸、智慧處理的智能服務(wù)系統(tǒng)[3][5]。

在日常生活中，設(shè)備和系統(tǒng)被安裝上低成本的傳感器和調(diào)節(jié)器，收集和分析各類獲取的數(shù)據(jù)信息，對數(shù)據(jù)信息進行監(jiān)控、傳輸和檢索。物聯(lián)網(wǎng)包括連接設(shè)備、電源管理、安全系統(tǒng)、分析系統(tǒng)五大領(lǐng)域的核心技術(shù)，傳感器節(jié)點主要負責(zé)實時采集外部溫濕度數(shù)據(jù)。中瑞思創(chuàng)、九安醫(yī)療、東軟集團、天澤信息、順網(wǎng)科技、美的集團、格力電器等都是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的上市公司[5-6]。

3 預(yù)警系統(tǒng)的總體設(shè)計

3.1 預(yù)警系統(tǒng)架構(gòu)

基于物聯(lián)網(wǎng)ZigBee 技術(shù)的家庭智能消防預(yù)警系統(tǒng)能夠根據(jù)現(xiàn)場溫度和濕度環(huán)境，依據(jù)終端節(jié)點傳感器對各類數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)采集，并通過ZigBee 協(xié)調(diào)器節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)給終端控制器進行預(yù)警處理，促使消防火災(zāi)預(yù)防的智能化和系統(tǒng)化。

消防預(yù)警系統(tǒng)分為應(yīng)用、數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)、感知四層。

其中，感知層主要是通過具有火災(zāi)報警功能、自檢功能、消音功能、低電量報警功能、故障報警功能，防拆報警功能的煙感報警器實現(xiàn)，獨立式感煙探測器具有成本低、易安裝的特點，能夠?qū)崟r檢測煙霧和遠程監(jiān)控設(shè)備狀態(tài)，能通過語音電話、短信、App、平臺報警等多重方式通知報警信息，實現(xiàn)火災(zāi)事故的早發(fā)現(xiàn)、早報警。數(shù)據(jù)層主要通過管理監(jiān)控云平臺實現(xiàn)，云平臺能夠?qū)崿F(xiàn)燃氣隱患上報和處理，能夠?qū)ο嚓P(guān)的燃氣泄漏報警信息的時間、地點、頻次進行多緯度的數(shù)據(jù)展覽，并能夠還原泄漏點的位置、電話撥打記錄、聯(lián)系人確認情況等信息，為燃氣事故調(diào)查提供嚴(yán)謹?shù)目茖W(xué)依據(jù)。同時平臺可以對網(wǎng)關(guān)，探測器的安裝地點、轉(zhuǎn)臺進行查詢、展示。預(yù)警系統(tǒng)框架如圖2 所示。

圖2 預(yù)警系統(tǒng)框架圖

數(shù)據(jù)庫對由感知層獲取的火警數(shù)據(jù)、設(shè)備報警等各類信息分析和處理，平臺通過電話自動語音、短信、App 推送及時將煙霧報警信息發(fā)送至小區(qū)消防負責(zé)人員和小區(qū)業(yè)主，設(shè)備維修工作人員通過手機App 客戶端接收設(shè)備的維修信息，消防救援支隊管理部門通過Web 對后臺數(shù)據(jù)庫進行統(tǒng)計分析確認工作。促使各個機構(gòu)和部門的協(xié)同管理。

3.2 系統(tǒng)模塊功能分析

基于物聯(lián)網(wǎng)ZigBee 技術(shù)的家庭智能消防預(yù)警系統(tǒng)主要包括ZigBee 節(jié)點模塊、傳感器模塊、電源模塊、微控制中心模塊、網(wǎng)關(guān)模塊的設(shè)計。以照明系統(tǒng)為例，主要包括驅(qū)動電路模塊、終端模塊、協(xié)調(diào)器、控制中心、上位機部分，其主要功能如表1 所示。

表1 照明系統(tǒng)主要功能表

4 預(yù)警系統(tǒng)方案設(shè)計

預(yù)警系統(tǒng)的終端設(shè)備和網(wǎng)關(guān)之間通過Lora（Long Range）進行通信，并采用多入多出MIMO技術(shù)增強系統(tǒng)的可靠性和靈活性。為了降低終端設(shè)備的成本，系統(tǒng)采用星型網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。

4.1 移動App 模塊設(shè)計

本模塊主要包括用于負責(zé)火災(zāi)提醒的報警信息處理模塊、終端設(shè)備故障信息以及異常報告提示的設(shè)備維護模塊等。App 應(yīng)用模塊的功能，如圖3 所示。

圖3 移動App 模塊圖

4.2 云平臺管理數(shù)據(jù)庫設(shè)計

云平臺管理模塊具有火警預(yù)測、故障預(yù)報、設(shè)備維修等功能，能夠?qū)由霞壪谰仍ш牭南乐笓]中心部門，該部門對消防報警的各類數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，制作報表供各級領(lǐng)導(dǎo)進行決策。基于Web 云平臺管理模塊如圖4 所示。

圖4 基于Web 云平臺管理模塊圖

5 預(yù)警系統(tǒng)硬件實現(xiàn)

5.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

基于物聯(lián)網(wǎng)ZigBee 技術(shù)的家庭智能消防預(yù)警系統(tǒng)主要包括節(jié)點模塊、傳感器模塊、煙霧傳感器模塊、溫濕度傳感器模塊、火焰?zhèn)鞲衅髂K、電源模塊、控制中心MCU 及網(wǎng)關(guān)模塊的硬件設(shè)計。該系統(tǒng)選用性能高、功耗低、體積小、接口豐富的ARM 處理器作為本系統(tǒng)的嵌入式處理器。系統(tǒng)的主控處理器選用三星公司開發(fā)的S3C2401A 處理器，該處理器價格低廉，可靠性高，且具備MMU，可以支持嵌入式Linux 系統(tǒng)，資源較為豐富。家庭智能系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)就是一個基于ARM 的嵌入式硬件開發(fā)平臺，主要包括S3C2401A 處理器、存儲器模塊、電源模塊、串口通信模塊、以太網(wǎng)模塊、GSM 擴展模塊。家庭智能系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)硬件結(jié)構(gòu)如圖5 所示。

圖5 基于物聯(lián)網(wǎng)ZigBee 技術(shù)的家庭智能消防預(yù)警系統(tǒng)圖

在ZigBee 節(jié)點模塊的設(shè)計過程中，采用組網(wǎng)功能強、包含不同可編程閃存的由T1 公司生產(chǎn)的具有低功耗的CC2530 芯片。在系統(tǒng)的設(shè)計過程中，具有一個對危險源感知的準(zhǔn)確性和信息反饋的及時性的多功能傳感器網(wǎng)絡(luò)顯得尤為重要。系統(tǒng)采用MQ-2 氣敏煙霧傳感器檢測空氣中各種成分的濃度來實現(xiàn)火災(zāi)的監(jiān)測，電路圖如圖6 所示。

圖6 MQ- 2 煙霧傳感器電路圖

5.2 S3C2401A 處理器

S3C2401A 處理器不僅集成了16KB 指令的高速緩沖存儲器，而且集成了LCD 控制器、網(wǎng)卡控制器、DMA 控制器、多通道定時器、內(nèi)嵌EMI接口、海量外部中斷，用于用戶交互設(shè)備和控制系統(tǒng)中，為用戶提供簡化的硬軟件設(shè)計，并提供了非常豐富的開發(fā)接口。S3C2401A 處理器支持虛擬存儲管理，支持大端和小端的存儲格式，有1GB 的尋址空間。S3C2401A 的時鐘與電源管理共有6 個專用寄存器，并且支持NAND Flash 啟動，被廣泛應(yīng)用于各類電子產(chǎn)品中。

5.3 SDRAM 存儲器電路

SDRAM 存儲器具有較快的存取訪問速度，經(jīng)常被應(yīng)用到嵌入式系統(tǒng)中。S3C2401A 處理器集成了SDRAM 存儲器。S3C2410A 處理器的Bank6 和Bank7 支持SDRAM 存儲器，其中Bank6能夠作為SDRAM 存儲空間。

6 系統(tǒng)軟件實現(xiàn)

基于物聯(lián)網(wǎng)ZigBee 技術(shù)的家庭智能消防預(yù)警系統(tǒng)在軟件設(shè)計方面，主要是在Windows CE6.0 平臺上開發(fā)的，軟件總體架構(gòu)包括OEM層、操作系統(tǒng)層、應(yīng)用程序?qū)?。OEM 層主要實現(xiàn)家庭智能消防預(yù)警系統(tǒng)各種硬件設(shè)備的初始化和驅(qū)動功能，操作系統(tǒng)層是用來協(xié)調(diào)OEM 層和應(yīng)用程序?qū)樱瑧?yīng)用程序?qū)又饕鎯τ脩艚涌诘母鞣N程序、家庭智能消防預(yù)警系統(tǒng)控制器的各種應(yīng)用程序等。

6.1 軟件開發(fā)環(huán)境搭建

軟件開發(fā)環(huán)境采用的是交叉編譯器IAR，這是一款基于C 語言、支持多種微處理器開發(fā)、使用方便、代碼科學(xué)緊湊、能夠直接使用Z-Stack協(xié)議棧進行二次開發(fā)的交叉編譯器。

6.2 Z-Stack 協(xié)議棧

Z-Stack 協(xié)議棧的功能就是以函數(shù)的形式將各層協(xié)議提供給用戶在應(yīng)用層直接調(diào)用。ZStack 協(xié)議棧本身就是一個操作系統(tǒng)，隨著定時器周而復(fù)始地計時，任務(wù)也不斷輪詢。

6.3 終端節(jié)點軟件設(shè)計

終端節(jié)點主要包括將收集的數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器節(jié)點和接受來自協(xié)調(diào)器的指令這兩個功能。傳感器模塊和CC2530 芯片的終端節(jié)點啟動后，開始對設(shè)備進行初始化，然后掃描信道，加入ZigBee 網(wǎng)絡(luò)，獲取協(xié)調(diào)器的響應(yīng)，并為協(xié)調(diào)器分配一個地址。終端節(jié)點工作原理如圖7 所示。

圖7 終端節(jié)點工作原理圖

7 預(yù)警系統(tǒng)的測試與分析

預(yù)警系統(tǒng)測試主要包含ZigBee 組網(wǎng)與通信、控制中心MCU 與網(wǎng)關(guān)、終端節(jié)點上傳、系統(tǒng)功能集成四個方面的測試。其中，ZigBee 組網(wǎng)測試是家庭智能消防預(yù)警系統(tǒng)正常運行的關(guān)鍵。下面以終端節(jié)點上傳測試為例進行介紹。

終端節(jié)點主要指ZigBee 傳感器模塊，包括煙霧、溫濕度、火焰?zhèn)鞲衅魅齻€模塊。當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時，可以通過傳感器感受周圍的環(huán)境，對溫度和濕度進行測試。終端節(jié)點上傳測試如圖8 所示。

圖8 終端節(jié)點上傳測試結(jié)果圖

經(jīng)過測試，終端節(jié)點可以完成數(shù)據(jù)收集、上傳、警示燈亮滅等功能，串口打印的數(shù)據(jù)比較準(zhǔn)確，終端節(jié)點符合要求，系統(tǒng)安全可靠、穩(wěn)定性強、功耗低、實驗效果良好，能夠滿足家庭智能消防預(yù)警的需求。同時，各項測試結(jié)果數(shù)據(jù)均表明各個模塊設(shè)計合理，系統(tǒng)符合實際需求。

8 結(jié)論

住宅智能化是家居環(huán)境的革新和未來居住模式發(fā)展的必然趨勢。論文設(shè)計的基于物聯(lián)網(wǎng)ZigBee 技術(shù)的家庭智能消防預(yù)警系統(tǒng)能夠極大地節(jié)省終端鏈路成本，縮短消防的響應(yīng)時間和處理速度，降低火災(zāi)經(jīng)濟財產(chǎn)損失、人員傷亡，加強消防部門檢查，加強對家庭火災(zāi)的智能防控能力，提高家庭消防的安全管理標(biāo)準(zhǔn)。