李 娟，胡方明

(西安電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院，陜西西安 710071)

基于ZigBee的高層建筑無線火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)

李 娟，胡方明

(西安電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院，陜西西安 710071)

選取CC2430作為無線網(wǎng)絡(luò)的核心芯片，構(gòu)建一個(gè)ZigBee星形網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)無線火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的簡化模型。通過該無線網(wǎng)絡(luò)傳輸樓層各房間的一氧化碳濃度和溫度信息，并由控制中心根據(jù)預(yù)先設(shè)定的規(guī)則，判斷是否有火災(zāi)發(fā)生，定時(shí)報(bào)告該高層建筑的安全情況。該系統(tǒng)具有較好的應(yīng)用前景和經(jīng)濟(jì)效益。

ZigBee;星形網(wǎng)絡(luò);火災(zāi)報(bào)警;高層建筑

近年來，隨著建筑材料中使用的易燃材料增多，對樓宇火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)提出了更高的要求。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和ZigBee技術(shù)的應(yīng)用，解決了傳統(tǒng)的有線火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)誤報(bào)警率較高、布線復(fù)雜以及維護(hù)困難的問題，使火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)化、自動(dòng)化、智能化。

ZigBee技術(shù)是短距離無線通信技術(shù)，其節(jié)點(diǎn)電池工作時(shí)間可達(dá)6個(gè)月至兩年，由于功耗低，被業(yè)界認(rèn)為是最有可能應(yīng)用在工業(yè)控制、傳感器網(wǎng)絡(luò)、家庭監(jiān)控、安全系統(tǒng)等場合的無線方式。使用2.4 GHz波段，采用跳頻技術(shù)和擴(kuò)頻技術(shù)，可與254個(gè)節(jié)點(diǎn)聯(lián)網(wǎng)，節(jié)點(diǎn)可以是各種儀器和家庭自動(dòng)化應(yīng)用設(shè)備。其采用IEEE802.15.4作為其物理層和 MAC層規(guī)范，ZigBee聯(lián)盟制定網(wǎng)絡(luò)層(NWK)規(guī)范，用戶可根據(jù)自己的需要，對應(yīng)用層進(jìn)行開發(fā)利用，因此該技術(shù)能夠?yàn)橛脩籼峁C(jī)動(dòng)、靈活的組網(wǎng)方式［1］?；谏鲜鲈?，文中提出了一種基于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)，完成了對樓宇火災(zāi)情形的實(shí)時(shí)監(jiān)測和報(bào)警。

1 系統(tǒng)的總體方案

由于構(gòu)建大型的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)需要多個(gè)探測節(jié)點(diǎn)及復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)，所需成本較大，設(shè)計(jì)周期較長，設(shè)計(jì)采用簡化的模型模擬一個(gè)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)，如圖1所示，采用星形網(wǎng)絡(luò)，用12個(gè)終端節(jié)點(diǎn)和1個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)。其中每個(gè)房間放置2個(gè)終端節(jié)點(diǎn)，分別與一個(gè)溫度傳感器和一個(gè)一氧化碳傳感器相連，采集一氧化碳濃度和溫度信息。

圖1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)測定分析，空氣中的一氧化碳0.01%;當(dāng)空氣中一氧化碳濃度達(dá)到0.06%時(shí)，1小時(shí)便能引起人的中毒;如果達(dá)到0.32%，只需30 min，人便可陷入昏迷致死亡。因此本設(shè)計(jì)CO濃度上限NH設(shè)定為0.06%，溫度上限TH設(shè)定為30～35℃。

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)接收到數(shù)據(jù)后，綜合判斷是否有火災(zāi)發(fā)生，其判定的規(guī)則為:(1)如果溫度或一氧化碳濃度超限，則分別置標(biāo)志位為1，否則為0。(2)根據(jù)溫度和一氧化碳濃度的標(biāo)志位來判斷是否發(fā)生火災(zāi)，如有火災(zāi)發(fā)生，則發(fā)出相應(yīng)的警報(bào)［2］:一氧化碳?xì)怏w濃度、溫度標(biāo)志位只有一個(gè)為1時(shí)，發(fā)出警報(bào)I;一氧化碳濃度、溫度標(biāo)志位二者均為1時(shí)，發(fā)出警報(bào)II。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

文中協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)采用CC2430芯片作為處理器芯片，CC2430芯片以強(qiáng)大的IAR集成開發(fā)環(huán)境為支持，是TI/Chipcon公司推出的系統(tǒng)芯片(SoC)CMOS 解決方案，支持 2.4 GHz IEEE802.15.4 ZigBee協(xié)議。其片上集成了一個(gè)增強(qiáng)型工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的8位8051微控制器內(nèi)核，片內(nèi)資源豐富，外圍支持電路簡單、超低功耗、高靈敏度、出眾的抗噪聲及抗干擾能力，且所用元件均為低成本型，可支持快速、廉價(jià)的ZigBee節(jié)點(diǎn)構(gòu)建［3］。結(jié)合了 TI/Chipcon業(yè)界領(lǐng)先的 ZigBee協(xié)議棧之后，CC2430被認(rèn)為是市場上最具競爭力的ZigBee解決方案。

系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)由3部分組成:終端節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、電源設(shè)計(jì)。其中終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)為文中的重點(diǎn)。

2.1 終端節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)中每個(gè)房間放置2個(gè)終端節(jié)點(diǎn)，分別與一個(gè)溫度傳感器和一個(gè)CO傳感器相連，采集一氧化碳濃度和溫度信息。其中CO傳感器采用TGS2442，是一種電阻式半導(dǎo)體氣體傳感器，其特點(diǎn)是低功耗、低成本、對一氧化碳選擇性高、靈敏度高、壽命長、受濕度的影響小，抑制了對酒精的靈敏度，工作于極短的脈沖加熱方式。TGS2442對一氧化碳有高選擇性，所以適于一氧化碳?xì)怏w檢測。其內(nèi)部電路如圖2所示。

圖2 TGS2442傳感器內(nèi)部電路圖

VH用于維持敏感素子處于與對象氣體(CO氣體)相適應(yīng)的特定溫度而施加在集成的加熱器上，VC則用于測定與傳感器串聯(lián)的負(fù)載電阻 RL上的兩端電壓VOUT，當(dāng)傳感器探測到一氧化碳?xì)怏w時(shí)，傳感器的內(nèi)阻RS變小，輸出電壓VOUT迅速上升，即一氧化碳?xì)怏w濃度達(dá)到一定程度時(shí)，對應(yīng)RS阻值會隨之變化［4］。CO傳感器與終端節(jié)點(diǎn)連接如圖3所示。

圖3 CO傳感器與終端節(jié)點(diǎn)連接圖

溫度傳感器采用單總線智能溫度傳感器DSl8B20，該器件為單片結(jié)構(gòu)、體積小，外部只有3個(gè)引腳。與傳統(tǒng)的熱敏電阻相比，DS18B20不需運(yùn)算放大器，可直接讀出被測溫度，并根據(jù)實(shí)際要求通過編程來實(shí)現(xiàn)9～12位的數(shù)字值讀數(shù)。而且具有微型化、低功耗、高性能、易于微處理器連接和抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，即適合與單片機(jī)構(gòu)成智能溫度檢測系統(tǒng)。溫度傳感器與終端節(jié)點(diǎn)連接如圖4所示。

圖4 溫度傳感器與終端節(jié)點(diǎn)連接圖

圖5 蜂鳴器電路

2.2 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器接收數(shù)據(jù)后，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的規(guī)則，判斷是否有火災(zāi)發(fā)生，其外圍電路包括:蜂鳴器電路、狀態(tài)指示燈電路、液晶顯示電路等。

(1)蜂鳴器電路。CC2430的P1.3口輸出的是控制信號，Q1相當(dāng)于一個(gè)電子開關(guān)，用于控制蜂鳴器的供電通斷。當(dāng)P1.3口輸出高電平時(shí)，Q1飽和導(dǎo)通，LS1通電工作發(fā)出聲響，當(dāng)P1.3口輸出為低電平時(shí)，Q1截止，蜂鳴器斷電，停止工作。如圖5所示。

(2)狀態(tài)指示燈電路。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)外圍電路包括兩個(gè)狀態(tài)指示燈，分別用于表示收發(fā)狀態(tài)和火災(zāi)報(bào)警狀態(tài)。CC2430所有的I/O口可單獨(dú)設(shè)置為通用I/O口，或外設(shè)特殊功能I/O口。其中P1_0，P1_1口具備20 mA的電流驅(qū)動(dòng)能力，為高輸出I/O口，其他I/O口均具備4 mA的電流驅(qū)動(dòng)能力。因此，采用CC2430的P1_0，P1_1口與兩個(gè)LED燈連接，并在二者之間連接上270 Ω的保護(hù)電阻，發(fā)光二極管低電平有效，當(dāng)I/O輸出為低電平時(shí)，LED燈亮。如圖6所示。

圖6 狀態(tài)指示燈電路

(3)液晶顯示電路。采用Nokia3310液晶顯示屏來顯示房間號，報(bào)警上限TH，實(shí)測溫度和CO濃度信息。Nokia3310為84×48點(diǎn)陣液晶屏，工作電壓為3.3 V，其與CC2430的SPI接口相連，如圖7所示，文中采用PCD8544作為其控制驅(qū)動(dòng)芯片，PCD8544是一塊低功耗的CMOS LCD控制驅(qū)動(dòng)器，適用于電池供電系統(tǒng)，芯片集成了LCD電壓發(fā)生器、LCD偏置電壓發(fā)生器、振蕩器。PCD與CC2430的接口使用串行總線。

圖7 液晶顯示接口電路

2.3 電源設(shè)計(jì)

由于CC2430芯片的休眠模式功耗較低，其供電電壓范圍為2.0～3.6 V，并且兩種傳感器均采用5 V直流電源，因此終端節(jié)點(diǎn)采用2節(jié)干電池供電，并通過AH805升壓穩(wěn)壓器將電壓升至5 V，即數(shù)據(jù)采集部分電源提供3 V和5 V電壓，其中3 V為CC2430芯片供電，5 V電壓為傳感器電路供電。

而協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)是無線網(wǎng)絡(luò)的中心，不適用低功耗休眠模式，需要長期供電，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)采用交流供電方式，電源部分主要由變壓器、整流橋、濾波電路、穩(wěn)壓管等部分構(gòu)成，輸出電壓為±5 V的直流電壓，再經(jīng)過線性穩(wěn)壓芯片LP2985～3.3 V后輸出3.3 V電壓為協(xié)調(diào)器芯片CC2430供電。其電源原理圖如圖8所示。

圖8 電源原理圖

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1 數(shù)據(jù)采集軟件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集中CC2430處理器對溫度的處理有:配置溫度量化分辨率、初始化、跳過ROM匹配、啟動(dòng)轉(zhuǎn)換、匹配ROM、讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果，對讀取的溫度數(shù)據(jù)首先進(jìn)行CRC校驗(yàn)，然后進(jìn)行正負(fù)數(shù)判斷與格式轉(zhuǎn)換，最后保存溫度值［5］。由于設(shè)計(jì)中每個(gè)終端節(jié)點(diǎn)只與一個(gè)溫度傳感器相連，無需進(jìn)行ROM地址匹配，所以在DS18B20初始化復(fù)位后，MCU發(fā)送跳過ROM地址命令，DS18B20經(jīng)過93.75 ms的延時(shí)，將溫度數(shù)據(jù)存儲在EEPROM中，如圖9所示。

圖9 溫度采集流程圖

3.2 終端節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

終端節(jié)點(diǎn)通電后，自動(dòng)搜索網(wǎng)絡(luò)并發(fā)送綁定請求，申請加入網(wǎng)絡(luò)，在加入網(wǎng)絡(luò)后，終端節(jié)點(diǎn)把自己的網(wǎng)絡(luò)ID號發(fā)送至協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，以供后期判斷使用。終端節(jié)點(diǎn)采集到溫度和CO氣體數(shù)據(jù)先做一個(gè)預(yù)處理判斷，當(dāng)判斷為有火災(zāi)情形時(shí)，將預(yù)報(bào)警信息送至RF發(fā)射端，通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。由于采用電池供電，為保證終端節(jié)點(diǎn)低功耗，設(shè)計(jì)中采用定時(shí)/中斷喚醒的方式采集并發(fā)送數(shù)據(jù)，即可以通過CC2430內(nèi)部定時(shí)器定時(shí)喚醒，也可通過協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)發(fā)送的中斷來喚醒節(jié)點(diǎn)，剩余時(shí)間則進(jìn)入休眠模式，如圖10所示。

圖10 終端節(jié)點(diǎn)流程圖

3.3 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)上電后先建立網(wǎng)絡(luò)，建立成功后自動(dòng)進(jìn)入允許綁定模式，并對終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送的綁定請求作出響應(yīng)。綁定成功后，當(dāng)協(xié)調(diào)器收到信息時(shí)，根據(jù)數(shù)據(jù)的第一個(gè)標(biāo)識字符來判斷是終端節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)地址還是終端節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)［6］。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)接收終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送的網(wǎng)絡(luò)地址(16位)并進(jìn)行存儲。當(dāng)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)收到終端節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)時(shí)，通過zb_Send Data Confirm指示應(yīng)答。并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理判斷，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的規(guī)則，作出火災(zāi)報(bào)警的最終判決，如果確認(rèn)有火災(zāi)發(fā)生，則蜂鳴器、LED燈聲光報(bào)警，并將溫度、一氧化碳濃度信息在液晶上顯示，其流程如圖11所示。

4 系統(tǒng)測試

4.1 數(shù)據(jù)傳輸測試

文中設(shè)計(jì)無線傳輸模塊采用CC2430芯片，其數(shù)據(jù)傳輸速率最高為250 kbit·s－1，在較為理想的環(huán)境中，其室內(nèi)傳輸距離可達(dá)10～15 m，室外傳輸距離可達(dá)10～100 m，實(shí)驗(yàn)測試分別在室內(nèi)和室外進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸測試，隨機(jī)選取6組數(shù)據(jù)，其室內(nèi)測試實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

圖11 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)流程圖

表1 室內(nèi)測試實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由表1可知，相隔3 m的距離，無線模塊能快速準(zhǔn)確的傳輸數(shù)據(jù)，相隔5～8 m的距離，無線模塊也能較快速準(zhǔn)確地傳輸數(shù)據(jù)，當(dāng)相隔15 m的距離時(shí)，信號變得很微弱，基本上較難接收數(shù)據(jù)。分析得出結(jié)論:在室內(nèi)，由于房間內(nèi)各種障礙物的阻攔，無線傳輸信號削減較多。而在室外相隔10～20 m的距離，無線模塊能較快速準(zhǔn)確地傳輸數(shù)據(jù)，當(dāng)距離達(dá)到30 m時(shí)，信號變得微弱，難以接收到數(shù)據(jù)。

4.2 報(bào)警測試

報(bào)警測試在室內(nèi)進(jìn)行，在0203房間對應(yīng)的終端節(jié)點(diǎn)位置產(chǎn)生泡沫明火;在0102房間對應(yīng)的位置產(chǎn)生棉花陰燃火當(dāng)系統(tǒng)檢測到有火災(zāi)信息時(shí)，測得對應(yīng)的房間號的一氧化碳濃度和溫度信息，如表2所示:即22日10時(shí)23分46秒CO濃度超限報(bào)警，房間號為0203，實(shí)時(shí)溫度為29.0℃(TH 為33.0 ℃)，CO 濃度為0.09%(NH為0.06%)。此時(shí)發(fā)出警報(bào)I——LED亮，蜂鳴器間隔1s響一次，表示可能有火災(zāi)發(fā)生。而在22日13時(shí)07分18秒溫度超限(TH為33℃)，一氧化碳濃度超限(NH為0.06%)，發(fā)出警報(bào)II，表示有火災(zāi)發(fā)生。

表2 火災(zāi)報(bào)警時(shí)顯示的結(jié)果

5 結(jié)束語

文中采用星形網(wǎng)絡(luò)來構(gòu)建無線傳輸系統(tǒng)，當(dāng)有火災(zāi)發(fā)生時(shí)，蜂鳴器、LED燈聲光報(bào)警，并通過液晶顯示對應(yīng)的房間號、溫度和一氧化碳濃度信息，用戶可以主動(dòng)查詢某個(gè)房間的實(shí)時(shí)信息，并通過液晶顯示。此系統(tǒng)開發(fā)成本低，性價(jià)比高，具有較好的應(yīng)用前景和經(jīng)濟(jì)效益。

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［3］高守偉，吳燦陽，楊超，等.ZigBee技術(shù)實(shí)踐教程:CC2430/31的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)解決方案［M］.北京:北京航空航天出版社，2009.

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［5］王捷，田紅芳，周振渝.基于可組網(wǎng)數(shù)字溫度傳感器火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2007(1):28－29.

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Wireless Fire alarm System for High-rise Buildings Based on ZigBee Technique

LI Juan，HU Fangming
(School of Electronic Engineering，Xidian University，Xi'an 710071，China)

A novel simplified model of the fire alarm system is designed by employing the chip CC2430 to constitute a star network of ZigBee.The fire information of each room is transmitted over this wireless network，including the carbon monoxide concentration and temperature information.Then according to the predefined rules，the control center determines whether there's a fire occurring.The security of the high－rise building is also reported regularly.The system has good application prospect and economic benefits.

ZigBee;star network;fire alarm;high－rise building

TN926+.23;TP277.1

A

1007－7820(2012)06－034－04

2011－12－28

李娟(1985—)，女，碩士研究生。研究方向:智能測試控制與傳感器應(yīng)用。胡方明(1964—)，男，碩士生導(dǎo)師。研究方向:智能測試與控制，系統(tǒng)集成與信息處理，傳感技術(shù)基礎(chǔ)及應(yīng)用。