基于ZigBee的實(shí)驗(yàn)室火災(zāi)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王志華，陳高鋒，楊章勇

（1. 楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 楊凌 712100；2. 陜西理工大學(xué)，陜西 漢中 723001）

高職院校實(shí)驗(yàn)室是學(xué)生集中實(shí)訓(xùn)的場(chǎng)所，隨著國(guó)家對(duì)高技術(shù)人才的需求，各高職院校建立創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊(duì)，開(kāi)放實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)場(chǎng)所，這對(duì)學(xué)校的實(shí)驗(yàn)室火災(zāi)安全帶來(lái)了隱患. 實(shí)驗(yàn)室電路連接不規(guī)范，在人員離開(kāi)未切斷電源及藥品放置不規(guī)范等現(xiàn)象均成為起火的原因，此類突發(fā)情況引起的火災(zāi)，無(wú)法預(yù)知或及時(shí)撲救. 針對(duì)此類高危場(chǎng)所，文獻(xiàn)［1］有通過(guò)WiFi局域網(wǎng)組建高頻無(wú)線電信號(hào)的實(shí)時(shí)火災(zāi)檢測(cè)系統(tǒng)，該WiFi局域網(wǎng)組建可使用校園網(wǎng)絡(luò)，不需要電線，但因其通信距離有限，穩(wěn)定性差，功耗較大，組網(wǎng)能力和安全性差，會(huì)給實(shí)驗(yàn)室火災(zāi)及時(shí)撲救帶來(lái)安全隱患［1-3］.

因此，筆者根據(jù)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所的特殊性和安全性要求，設(shè)計(jì)了由ZigBee 網(wǎng)絡(luò)組建的低功耗、短時(shí)延、網(wǎng)絡(luò)容量大、安全可靠的無(wú)線實(shí)時(shí)火災(zāi)檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)［4］. 系統(tǒng)通過(guò)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)對(duì)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所煙霧、溫度、火焰進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，及時(shí)報(bào)警并開(kāi)啟滅火設(shè)施，避免火災(zāi)事故的擴(kuò)大，把火災(zāi)危害降到最低. 經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)，該設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)確定位火災(zāi)位置、現(xiàn)場(chǎng)火災(zāi)預(yù)防和報(bào)警通知功能，幫助早期發(fā)現(xiàn)火災(zāi)隱患，避免學(xué)生的受傷和驚嚇，減少學(xué)校財(cái)產(chǎn)損失，保障財(cái)產(chǎn)安全.

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

針對(duì)實(shí)驗(yàn)室火災(zāi)事故的預(yù)防和急救，設(shè)計(jì)了以ZigBee網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，采用STC89C52單片機(jī)作為系統(tǒng)的傳感器信息采集子節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)處理主節(jié)點(diǎn)的主子CPU 系統(tǒng)單元［5-7］. 子節(jié)點(diǎn)單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)信息采集、匯總、分析、傳送，由MQ-2煙霧傳感器、DS18B20 溫度傳感器和火焰?zhèn)鞲衅鳛闄z測(cè)端，ZigBee 發(fā)送節(jié)點(diǎn)電路接收子單片機(jī)的發(fā)送信號(hào)，將傳感器采集信號(hào)傳送給主節(jié)點(diǎn)ZigBee.ZigBee將接收到的信息傳遞給主單片機(jī)進(jìn)行分析處理，由主單片機(jī)顯示檢測(cè)信息、發(fā)送報(bào)警信號(hào). 主單片機(jī)通過(guò)按鍵設(shè)置可以對(duì)現(xiàn)場(chǎng)報(bào)警參數(shù)閾值進(jìn)行設(shè)定，并準(zhǔn)確顯示檢測(cè)數(shù)據(jù)和檢測(cè)子節(jié)點(diǎn)編號(hào)，確定火災(zāi)位置. 該設(shè)計(jì)很好地實(shí)現(xiàn)了高職院校實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)室煙霧濃度檢測(cè)、火焰檢測(cè)、溫度檢測(cè)和聲光報(bào)警等功能的煙霧自動(dòng)檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)［8］.

煙霧檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)為主子系統(tǒng). 子系統(tǒng)由多個(gè)子節(jié)點(diǎn)組成，實(shí)現(xiàn)每個(gè)子節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集匯總，負(fù)責(zé)煙霧傳感器、溫度傳感器和火焰?zhèn)鞲衅鞯臄?shù)據(jù)采集，并建立與主系統(tǒng)的通訊，實(shí)現(xiàn)與主系統(tǒng)信息的傳輸. 每個(gè)子節(jié)點(diǎn)為一個(gè)子系統(tǒng)，在實(shí)驗(yàn)室中分布以室頂中心與頂角分布，由于ZigBee傳輸距離在10～100 m之間，采用子系統(tǒng)設(shè)計(jì)在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，主系統(tǒng)設(shè)計(jì)在實(shí)驗(yàn)室走廊，通過(guò)路由和節(jié)點(diǎn)間接力通信，保證信息傳遞不受傳輸距離影響.

子節(jié)點(diǎn)收集來(lái)的傳感器信息經(jīng)CPU 分析處理后將數(shù)據(jù)發(fā)送給主系統(tǒng). 主系統(tǒng)由ZigBee 接收和發(fā)送系統(tǒng)組成，負(fù)責(zé)接收子系統(tǒng)發(fā)來(lái)的信息，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，判斷數(shù)據(jù)是否超過(guò)煙霧報(bào)警閾值，高于閾值則在LCD界面顯示該子節(jié)點(diǎn)的位置信息，并同時(shí)發(fā)送報(bào)警信號(hào)，即蜂鳴器報(bào)警和LED報(bào)警指示燈閃亮.主系統(tǒng)還包含鍵盤(pán)系統(tǒng)、報(bào)警系統(tǒng)和顯示系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)主節(jié)點(diǎn)中閾值參數(shù)等信息的設(shè)定和輸入，報(bào)警系統(tǒng)通過(guò)顯示和蜂鳴報(bào)警實(shí)現(xiàn)，LCD 顯示屏中顯示具體的報(bào)警子節(jié)點(diǎn)的位置信息，定位報(bào)警位置；蜂鳴報(bào)警提醒值班人員救火. 煙霧檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 煙霧檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 ZigBee網(wǎng)絡(luò)信息傳輸電路設(shè)計(jì) 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)采用適用于多點(diǎn)傳感器信息采集的ZigBee 無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，其可靠性、低功耗、大容量的特點(diǎn)，適合實(shí)驗(yàn)室多位置多檢測(cè)點(diǎn)的布控，并且網(wǎng)絡(luò)可以在數(shù)百個(gè)微小的傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間相互協(xié)調(diào)通信，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間通信模式和節(jié)點(diǎn)與主系統(tǒng)的通訊，增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)室煙霧檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)通訊布局的能力［9］.

高職院校實(shí)驗(yàn)室多而且集中，設(shè)計(jì)ZigBee 串口進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，通過(guò)子節(jié)點(diǎn)間的通訊可延長(zhǎng)通信距離和信號(hào)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室復(fù)雜的場(chǎng)所環(huán)境和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)發(fā)送和接收要求，使得網(wǎng)絡(luò)布局不受節(jié)點(diǎn)間距離影響.ZigBee 網(wǎng)絡(luò)工作時(shí)的響應(yīng)速度比藍(lán)牙及WiFi 都快，在15 ms 即可進(jìn)入工作，節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)絡(luò)的連接30 ms即可完成，確保了實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)系統(tǒng)的快速響應(yīng)與數(shù)據(jù)信號(hào)傳送的實(shí)時(shí)性. 電路設(shè)計(jì)子節(jié)點(diǎn)ZigBee模塊TX發(fā)送數(shù)據(jù)，主節(jié)點(diǎn)ZigBee 模塊RX 接收數(shù)據(jù)，ZigBee 發(fā)送/接收模塊如圖2. 模塊工作設(shè)計(jì)為5 V，采用節(jié)點(diǎn)單片機(jī)5 V電源.

圖2 ZigBee發(fā)送/接收模塊

2.2 煙霧檢測(cè)電路及A/D轉(zhuǎn)換電路 煙霧檢測(cè)電路由MQ-2 型煙霧傳感器和ADC0832 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路組成. 煙霧傳感器MQ-2 采用在清潔空氣中電導(dǎo)率較低的二氧化錫氣敏材料制成. 該傳感器對(duì)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所內(nèi)煙霧濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，把檢測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)送給A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，再將數(shù)字信號(hào)傳送給子節(jié)點(diǎn)單片機(jī)完成檢測(cè)數(shù)據(jù)處理工作. 根據(jù)實(shí)驗(yàn)室中起火點(diǎn)與煙霧濃度的關(guān)系設(shè)計(jì)排布最小數(shù)量的煙霧報(bào)警傳感器. 由于實(shí)驗(yàn)室面積較大，且以方形為主，煙霧產(chǎn)生多以垂直上升并向?qū)嶒?yàn)室頂部墻角擴(kuò)散，煙霧報(bào)警傳感器設(shè)計(jì)為室頂中心或分段分布，以獲得最佳的檢測(cè)點(diǎn). 以一個(gè)傳感器為例，在地面面積大于80 m2，實(shí)驗(yàn)室高度小于6 m，層頂坡度小于15°，傳感器保護(hù)面積為60 m2，保護(hù)半徑為5.8 m 進(jìn)行設(shè)計(jì)，達(dá)到最小的設(shè)計(jì)數(shù)量. 以便現(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)生煙霧，傳感器檢測(cè)到煙霧濃度超過(guò)報(bào)警閾值設(shè)定范圍，促使報(bào)警器發(fā)出蜂鳴聲，監(jiān)控屏顯示對(duì)應(yīng)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)，準(zhǔn)確定位火災(zāi)出處并啟動(dòng)救火設(shè)施，保障實(shí)驗(yàn)設(shè)備安全，避免火災(zāi)事故的發(fā)生、擴(kuò)大［10］.

煙霧傳感器將煙霧信號(hào)轉(zhuǎn)化為模擬量電壓信號(hào)，ADC0832將模擬量電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)送給子系統(tǒng)CPU. 為了增加煙霧傳感器MQ-2 的靈敏度，設(shè)計(jì)由8 kΩ 可變電阻RT2進(jìn)行調(diào)節(jié)，傳感器6 引腳接ADC0832 的2 引腳CH0 模擬信號(hào)輸入端口，以實(shí)現(xiàn)單通道數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換. 煙霧采集及A/D 轉(zhuǎn)換電路如圖3所示.

圖3 煙霧采集及A/D轉(zhuǎn)換電路

模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊ADC0832的1引腳接單片機(jī)的P3.7引腳，作為片選端，在低電平時(shí)有效.7引腳芯片時(shí)鐘輸入端CLK接P3.5引腳，為ADC0832提供穩(wěn)定的時(shí)鐘脈沖信號(hào). 由于DO端與DI端在通信時(shí)并沒(méi)有同時(shí)有效，并與單片機(jī)的接口是雙向的. 因此，電路設(shè)計(jì)時(shí)將DO 和DI 并聯(lián)在一根數(shù)據(jù)線上使用，將5 引腳數(shù)據(jù)信號(hào)輸入端DI與6引腳數(shù)據(jù)信號(hào)輸出DO 并聯(lián)接在P3.6引腳上. 單片機(jī)通過(guò)P3.7端口輸出低電平，ADC0832開(kāi)始進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換.

2.3 火焰檢測(cè)電路電力實(shí)驗(yàn)室由于電力線路短路或火花引起明火災(zāi)害，以及化學(xué)實(shí)驗(yàn)室由于藥品引起的明火災(zāi)害，采用火焰?zhèn)鞲衅鳈z測(cè)是必要的. 在實(shí)驗(yàn)室發(fā)生煙霧量少或者煙霧檢測(cè)位置存在偏差時(shí)，火焰?zhèn)鞲衅髌鋬?nèi)部的紅外線接收器采集火焰發(fā)射出來(lái)的光譜，根據(jù)火焰亮度區(qū)分火焰的強(qiáng)弱［11-13］.

設(shè)計(jì)中火焰檢測(cè)電路由遠(yuǎn)紅外火焰?zhèn)鞲衅骱碗p電壓比較器LM393 組成，可檢測(cè)700～1 000 nm 范圍內(nèi)的熱源，火焰探測(cè)角度為60°范圍，檢測(cè)器的最大保護(hù)面積可達(dá)1 400 m2，最大寬度14 m，單個(gè)檢測(cè)器可實(shí)現(xiàn)一個(gè)實(shí)驗(yàn)室的全域檢測(cè). 當(dāng)遠(yuǎn)紅外接收傳感器接收到紅外信號(hào)后，紅外接收傳感器的電阻減小，電流變大，比較器LM393 的3 引腳電壓被拉低為低電平信號(hào)；相反，沒(méi)有接收到紅外信號(hào)時(shí)，紅外接收傳感器呈現(xiàn)極高阻值，比較器LM393 的3 引腳電壓被上拉為高電平信號(hào). 模擬量電平信號(hào)輸出由3 引腳電平?jīng)Q定，由此可以判斷火焰信號(hào). 比較電壓提供比較寬的電壓范圍區(qū)間，實(shí)時(shí)對(duì)火焰監(jiān)控檢測(cè)，將檢測(cè)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，以單路信號(hào)由OUT1 輸出給子系統(tǒng)單片機(jī)P1.1 端口. 系統(tǒng)LM393 雙電壓比較器設(shè)計(jì)8 kΩ 上拉電阻，引腳3外接火焰?zhèn)鞲衅?，OUT1引腳在采集電壓比較后輸出高電平1和低電平0，設(shè)置當(dāng)電壓值大于5 V時(shí)為高電平，以此判斷為強(qiáng)火焰，低于5 V時(shí)為低電平，判斷為弱火焰，設(shè)計(jì)電路如圖4.

圖4 火焰檢測(cè)電路

2.4 溫度檢測(cè)電路溫度采集電路采用DS18B20 數(shù)字溫度傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè). 該傳感器精度高，誤差范圍保持在±0.5 ℃內(nèi)，溫度檢測(cè)范圍-55～125 ℃，用于實(shí)訓(xùn)場(chǎng)所的溫度檢測(cè)數(shù)字輸出. 溫度傳感器以地面面積大于30 m2，實(shí)訓(xùn)室高度小于8 m，頂層坡度小于15°時(shí)，保護(hù)面積為20 m2，保護(hù)半徑為3.6 m進(jìn)行設(shè)計(jì)，以獲得最佳檢測(cè)效果. 設(shè)計(jì)采用的傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)檢測(cè)、傳送、轉(zhuǎn)換過(guò)程中延時(shí)750 ms，為實(shí)驗(yàn)室實(shí)時(shí)溫度的檢測(cè)縮短時(shí)間，保證溫度檢測(cè)的實(shí)時(shí)性和快速性，有效預(yù)防了因溫度升高造成的火災(zāi)現(xiàn)象［14］. 設(shè)計(jì)傳感器電路的1 引腳接電源VCC，3 引腳接地，2 引腳數(shù)據(jù)端接單片機(jī)的P3.4，同時(shí)串入8 kΩ 的上拉電阻，確保DS18B20可靠工作，溫度采集電路如圖5.

圖5 溫度采集電路

2.5 蜂鳴報(bào)警電路報(bào)警電路設(shè)計(jì)蜂鳴器報(bào)警，由于單片機(jī)電路的電流小，不能提供蜂鳴器所需電流，經(jīng)過(guò)S9013 PNP 型三極管放大驅(qū)動(dòng)電流后，電流放大，觸發(fā)蜂鳴器實(shí)時(shí)報(bào)警提醒［15］. 設(shè)計(jì)中蜂鳴器管腳連接三極管集電極，另一端接地，單片機(jī)STC89C52 的P2.0 引腳連接三極管的基極. 當(dāng)煙霧、火焰和溫度傳感器檢測(cè)到現(xiàn)場(chǎng)為火災(zāi)數(shù)據(jù)時(shí)，P2.0 引腳輸出小電流報(bào)警信號(hào)，經(jīng)三極管放大觸發(fā)蜂鳴器報(bào)警. 為了防止三極管在單片機(jī)上電時(shí)電流過(guò)大燒壞前端和三極管，在基極上串聯(lián)一個(gè)2 kΩ電阻，起到限流的作用，防止蜂鳴器誤響. 報(bào)警電路如圖6.

圖6 蜂鳴器報(bào)警電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

ZigBee 模塊在子系統(tǒng)和主系統(tǒng)之間發(fā)送和接收?qǐng)?bào)文，子系統(tǒng)程序完成節(jié)點(diǎn)的傳感器信息采集和發(fā)送，主系統(tǒng)程序完成ZigBee節(jié)點(diǎn)報(bào)文的接收和分析，并執(zhí)行報(bào)文分析結(jié)果，顯示采集數(shù)據(jù)和蜂鳴報(bào)警.

3.1 主系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)主系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)中，主節(jié)點(diǎn)單片機(jī)接收子節(jié)點(diǎn)單片機(jī)送來(lái)的數(shù)據(jù)，進(jìn)行處理分析，顯示子節(jié)點(diǎn)的編號(hào)與當(dāng)前的煙霧、溫度和火焰數(shù)據(jù)，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)置的閾值進(jìn)行判斷是否發(fā)出報(bào)警信號(hào)［16］. 主節(jié)點(diǎn)程序初始化后，系統(tǒng)進(jìn)入監(jiān)控狀態(tài)，進(jìn)行按鍵掃描. 系統(tǒng)獲取煙霧傳感器、溫度傳感器、火焰?zhèn)鞲衅鞯臄?shù)據(jù)信號(hào)，由主單片機(jī)進(jìn)行分析處理，判斷系統(tǒng)是否啟動(dòng)聲光報(bào)警，主系統(tǒng)程序流程如圖7.

圖7 主系統(tǒng)程序流程圖

3.2 子系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)子系統(tǒng)程序的設(shè)計(jì)中，子節(jié)點(diǎn)各傳感器采集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳送給單片機(jī)，再由單片機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)給主單片機(jī)，子單片機(jī)承擔(dān)數(shù)據(jù)匯總和發(fā)送任務(wù). 子節(jié)點(diǎn)ZigBee 模塊主要完成節(jié)點(diǎn)信息的編碼發(fā)送，保證數(shù)據(jù)信息實(shí)時(shí)準(zhǔn)確傳輸給主節(jié)點(diǎn)ZigBee. 其發(fā)送程序及流程如圖8.

圖8 子系統(tǒng)程序流程圖

4 小 結(jié)

該系統(tǒng)結(jié)合實(shí)驗(yàn)室安全防護(hù)要求和網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)，實(shí)時(shí)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室的溫度、煙霧濃度和火焰等信息，將信息通過(guò)ZigBee 節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)傳輸給上位機(jī)并發(fā)出報(bào)警信號(hào)，在上位機(jī)上顯示火災(zāi)的準(zhǔn)確位置，啟動(dòng)滅火設(shè)備裝置. 經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，并準(zhǔn)確定位和報(bào)警，檢測(cè)準(zhǔn)確率高，達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求，為實(shí)驗(yàn)室的安全防護(hù)提供了新型的設(shè)計(jì)方案.