洋文杰　王　楠　司軼芳

[摘要]提出ZigBee技術(shù)在火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)的應(yīng)用。以ZigBee的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)為依據(jù),詳細(xì)介紹ZigBee技術(shù)在火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)中的應(yīng)用,論述該系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案及硬件設(shè)計(jì)方案?？梢蕴岣呋馂?zāi)報(bào)警的可靠性、靈活性以及降低安裝、運(yùn)行成本。

[關(guān)鍵詞]ZigBee火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)

中圖分類號(hào):TP2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1671-7597(2009)0920030-02

一、引言

火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)(FAS)是樓宇自控系統(tǒng)(BAS)的分系統(tǒng),服務(wù)于樓宇自控系統(tǒng),它可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)和通報(bào)火情,并采取有效措施控制,提高建筑物的防災(zāi)自救能力。

目前主要的火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)大多采用有線方式構(gòu)建火災(zāi)傳感器網(wǎng)絡(luò),這類方式耗材多、施工與維護(hù)復(fù)雜,擴(kuò)展能力差,線路容易老化或腐蝕、磨損,故障發(fā)生率高線,并且不易排查修理。新興的無(wú)線傳感技術(shù),在傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建、維護(hù)方面都有著有線方式無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì),成為火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的重要發(fā)展方向。

用于樓宇及建筑物內(nèi)的無(wú)線火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)需采用的是低成本、低功耗、小體積、短距離通信。ZigBee技術(shù)的出現(xiàn)就解決了這些問題。ZigBee是一種低速短距離、雙向無(wú)線通信技術(shù),擴(kuò)展性強(qiáng)、功耗極低、系統(tǒng)構(gòu)成簡(jiǎn)單,組網(wǎng)方式靈活。將ZigBee傳感器網(wǎng)絡(luò)和人工智能結(jié)合,可大大提高火災(zāi)報(bào)警的可靠性,與其他無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)比較,它更適合于組建大范圍、傳輸數(shù)據(jù)量小的無(wú)線火災(zāi)報(bào)警網(wǎng)絡(luò)。

二、無(wú)線火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)

(一)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

無(wú)線傳感器將探測(cè)到的火災(zāi)信號(hào)通過Zigbee無(wú)線通信模塊發(fā)送至數(shù)據(jù)集中器,數(shù)據(jù)集中器將收集到得數(shù)據(jù)送至火災(zāi)監(jiān)控中心,再由火災(zāi)監(jiān)控中心對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和統(tǒng)計(jì)評(píng)估,根據(jù)預(yù)先設(shè)定的有關(guān)規(guī)則,將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為適當(dāng)?shù)膱?bào)警動(dòng)作,相應(yīng)的發(fā)出警報(bào),例如:產(chǎn)生少量煙,但溫度急劇上升——發(fā)出警報(bào)I;產(chǎn)生少量煙、且溫升平緩——發(fā)出警報(bào)II。滅火系統(tǒng)采取相應(yīng)的措施。

(二)Zigbee網(wǎng)絡(luò)

ZigBee在網(wǎng)絡(luò)層中,定義了3種功能的模塊:一是網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器,負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的建立;二是路由器,負(fù)責(zé)查詢、建立和修復(fù)信息包的路由路徑并負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)送;三是各類終端裝置,只能加入已形成的網(wǎng)絡(luò),可以收發(fā)信息,不能轉(zhuǎn)發(fā)信息,無(wú)路由功能。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器和路由器由全功能器件(FFD)實(shí)現(xiàn),終端裝置由簡(jiǎn)化功能器件(RFD)實(shí)現(xiàn)。ZigBee網(wǎng)絡(luò)有多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),一般多采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,實(shí)現(xiàn)方便,不需要大量協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn),可降低成本。

建立基于ZigBee的火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng),首先要建立一個(gè)ZigBee無(wú)線骨干網(wǎng)絡(luò),見圖2。ZigBee無(wú)線骨干網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)主節(jié)點(diǎn)根據(jù)防火監(jiān)控區(qū)域的分布進(jìn)行合理設(shè)置,并通過調(diào)整位置或發(fā)射功率使它們之間可以進(jìn)行相互通信。每個(gè)主節(jié)點(diǎn)不僅本身可以與傳感器連接直接進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控,還可以自動(dòng)中轉(zhuǎn)其他網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)傳過來(lái)的數(shù)據(jù)。每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的距離可以根據(jù)實(shí)際測(cè)試情況進(jìn)行調(diào)整,可以從10m左右到擴(kuò)展后的幾百米。

子節(jié)點(diǎn)(傳感器節(jié)點(diǎn))分布于需要檢測(cè)的區(qū)域,負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)據(jù)的感知和處理,采用數(shù)據(jù)融合技術(shù)作出預(yù)報(bào)警判斷,將數(shù)據(jù)預(yù)報(bào)警判斷結(jié)果通過無(wú)線射頻信號(hào)發(fā)射出去,在接到執(zhí)行命令時(shí)完成相應(yīng)的滅火工作;匯集節(jié)點(diǎn)接收所覆蓋的傳感器節(jié)點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn)發(fā)出的無(wú)線射頻信號(hào),通過RS232送入監(jiān)控主機(jī),同時(shí)將監(jiān)控主機(jī)的命令發(fā)送出去。

火災(zāi)監(jiān)控中心是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的控制和管理中心,負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的控制和數(shù)據(jù)的處理及決策等。監(jiān)控主機(jī)通過串口接收無(wú)線網(wǎng)絡(luò)采集的數(shù)據(jù),實(shí)時(shí)顯示并存儲(chǔ)。同時(shí)支持對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的有條件查詢、增加或刪除記錄等管理;在接到傳感器節(jié)點(diǎn)預(yù)報(bào)警時(shí),根據(jù)預(yù)先設(shè)定的有關(guān)規(guī)則,作出火災(zāi)報(bào)警的最終判決,在確認(rèn)火災(zāi)發(fā)生時(shí)啟動(dòng)相應(yīng)的聯(lián)動(dòng)機(jī)制。

(三)系統(tǒng)工作原理

當(dāng)傳感器感測(cè)到火災(zāi)信號(hào)時(shí),由火災(zāi)監(jiān)控中心對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理和統(tǒng)計(jì)評(píng)估。根據(jù)預(yù)先設(shè)定的有關(guān)規(guī)則,將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為適當(dāng)?shù)膱?bào)警動(dòng)作指標(biāo),相應(yīng)地啟動(dòng)報(bào)警及滅火裝置,迅速滅火。此功能與原自動(dòng)消防裝置并聯(lián)使用,起到雙重保險(xiǎn)作用,確保消防滅火系統(tǒng)啟動(dòng)。

由于ZigBee采用自組織(ad-hoc)方式組網(wǎng),允許隨時(shí)建立無(wú)線通信鏈路,協(xié)調(diào)器一直處于監(jiān)聽狀態(tài),當(dāng)有新的RFD加入到網(wǎng)絡(luò)中時(shí),會(huì)被附近的FFD發(fā)現(xiàn)并將其信息傳送給協(xié)調(diào)器,由協(xié)調(diào)器進(jìn)行編址,計(jì)算其路由信息,更新數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)表和設(shè)備關(guān)聯(lián)表,確定其物理位置?？梢詫?shí)現(xiàn)該系統(tǒng)的定位功能,用于消防人員和救助人員的位置追蹤。消防隊(duì)員在進(jìn)入火災(zāi)區(qū)域前,帶上可移動(dòng)的RFD裝置,則在進(jìn)入ZigBee無(wú)線骨干網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)內(nèi),移動(dòng)的RFD將自動(dòng)加入到網(wǎng)絡(luò)中,根據(jù)與鄰近的FFD的通信情況,可以確定其具體位置,便于指揮中心準(zhǔn)確指揮救援和滅火工

作,工作原理示意圖見圖3所示。

三、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案

把ZigBee終端模塊的工作分為兩個(gè)過程:采集數(shù)據(jù)發(fā)送給ZigBee接入點(diǎn)(即數(shù)據(jù)發(fā)送過程),以及接收來(lái)自ZigBee接入點(diǎn)的命令(即數(shù)據(jù)接收過程)。

系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集端和數(shù)據(jù)接收端構(gòu)成。數(shù)據(jù)采集端由傳感器、MCU和Zigbee模塊組成。MCU與Zigbee模塊通過SPI總線連接。數(shù)據(jù)接收端使用相同的Zigbee模塊,并利用RS232異步串口與PC機(jī)通信。其功能相當(dāng)于一個(gè)接入點(diǎn),一方面將主機(jī)向數(shù)據(jù)采集端發(fā)送的控制信號(hào)以無(wú)線的方式發(fā)射出去,另一方面接收采集數(shù)據(jù)并上傳給主機(jī)。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

MCU選用STC89C51RC單片機(jī),它超強(qiáng)抗干擾、高速、低功耗,指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051單片機(jī),在系統(tǒng)可編程,無(wú)需編程器,無(wú)需仿真器。MCU通過兩個(gè)全雙工串口分別與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和ZigBee模塊相連,主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀取、處理和傳送功能。微處理器與ZigBee模塊采用串行通信模式,實(shí)現(xiàn)微處理器對(duì)ZigBee模塊的初始化和與它之間的數(shù)據(jù)交換功能。

選用CC2420芯片作為射頻收發(fā)模塊,CC2420符合2.4GHz IEEE 802.15.4

標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線收發(fā)芯片。可確保短距離通信的有效性和可靠性。利用此芯片開發(fā)的無(wú)線通信設(shè)備支持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸率高達(dá)250kbps,可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的快速組網(wǎng)。

四、結(jié)論

將ZigBee技術(shù)應(yīng)用在火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)中,將有利于改善防火系統(tǒng)的性能,大大降低現(xiàn)有的火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)的安裝和運(yùn)行成本。特別是其可移動(dòng)性及可擴(kuò)展性,大大方便了火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)的調(diào)整、更新,提高了現(xiàn)有火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)的靈活性。并增加了移動(dòng)定位功能,也方便了火災(zāi)救援和滅火工作。

參考文獻(xiàn):

[1]楊艷華、張鳳登、馬進(jìn)明,ZigBee技術(shù)在火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].上海電力學(xué)院學(xué)報(bào),2008,24(4):393～396.

[2]劉靜、趙望達(dá),基于ZigBee技術(shù)的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2007(1):56～59.

[3]肖昕宇,基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線消防報(bào)警定位系統(tǒng)[D],湖南長(zhǎng)沙:湖南大學(xué),2007.

[4]王文君、胡國(guó)珍,基于IP-LINK1221模板的ZigBee應(yīng)用系統(tǒng)[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用[J].2007(12):63～70.

[5]顏學(xué)義、葉湘濱,基于Zigbee技術(shù)的火災(zāi)報(bào)警傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)[J].岳陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),2007,22(6):69～72.

作者簡(jiǎn)介:

汪洋文杰(1981-),男,滿族,吉林人,北京中外建建筑設(shè)計(jì)有限公司西北分公司,助理工程師,從事建筑電氣設(shè)計(jì)工作。