曹 健

（泰州師范高等?？茖W校，泰州 225300）

0 引言

火災作為一種發(fā)生頻率較高的災害，極易造成巨大的人員傷亡和財產損失。因此，消防報警系統(tǒng)已成為機關、賓館、學校等公共場所必備設施之一，并且隨著智能家居的興起，也日益成為住宅安全設施的重要組成部分。然而，目前市場普遍采用的有線制信號傳輸與編碼火災自動報警系統(tǒng)存在施工周期長、建筑物破壞面大、成本高、維護保養(yǎng)困難等問題，已經滯后于社會和實際應用的發(fā)展需求。特別是在火災發(fā)生時，存在兩方面的不足。一方面，線路是系統(tǒng)中最易受損的環(huán)節(jié)，一旦損壞，則極易導致大范圍探測信號傳輸中斷，無法對火場進行有效監(jiān)控。另一方面，在某一撤離路徑遭到破壞的情況下，無法自動選擇其他路徑，迅速調整撤離標志指向而喪失最佳撤離時間。針對上述問題，本文設計了一個新型無線智能消防報警系統(tǒng)，將ZigBee無線組網技術、智能預測與撤離算法相結合，具有功耗低、安裝快捷、時延短和可靠性高等特點，可大幅度改善救災的時效性。

1 系統(tǒng)組成與工作原理

ZigBee是一種基于IEEE802.15.4 標準的短距離、低速率無線網絡通信技術。該技術主要解決了低成本、低功耗、低復雜度、低傳輸速率、近距離的設備聯(lián)網應用問題，主要用于無線傳感器網絡和測量控制方面[1]。ZigBee提供了網絡層(NMK: Network) 和應用層(APL: Application Layer)框架的設計[2]。在網絡層，ZigBee聯(lián)盟制訂了星型、樹型和網狀網三種拓補結構[3]。根據設備在網絡中的角色，ZigBee三種邏輯設備類型：協(xié)調器、路由器和終端設備。每個ZigBee網絡理論上可支持64K個節(jié)點，是低速、低功耗無線網絡的首選解決方案。

本文設計的無線智能消防報警系統(tǒng)基于ZigBee無線組網技術，主要由監(jiān)控中心和傳感器網絡組成，其系統(tǒng)架構如圖1所示：監(jiān)控中心由PC機、GPRS模塊、聲光報警器及無線消防報警信息管理系統(tǒng)組成。實現(xiàn)對傳感器探測信息的顯示、存儲、分析、處理與響應等功能。利用無線消防報警系統(tǒng)管理軟件，監(jiān)控人員可以通過界面直觀、清晰地看到火災位置與現(xiàn)場溫度、煙霧信息。

圖1 系統(tǒng)架構圖

ZigBee無線傳感器網絡由ZigBee協(xié)調器、探測節(jié)點和指示節(jié)點構成，根據參考文獻[2]中對ZigBee網絡設備的劃分，探測節(jié)點屬于ZigBee網絡終端設備，指示節(jié)點屬于ZigBee網絡路由設備，同時具有信息顯示與路由功能，能自動完成網絡探測、加入與路徑選擇。

系統(tǒng)工作時，探測節(jié)點定時檢測監(jiān)控區(qū)域的煙霧和溫度，將數據通過ZigBee無線網絡發(fā)送至監(jiān)控中心PC機，系統(tǒng)管理軟件將檢測數據在界面相應位置顯示出來，并進行存儲與分析，若檢測數據經過處理后超過報警閥值，則驅動聲光報警模塊進行報警，提醒監(jiān)控工作人員進行相應處理，同時，系統(tǒng)對撤離路徑進行計算，向指示節(jié)點發(fā)出相應撤離路徑方向調整命令，引導火災現(xiàn)場人員進行疏散與撤離。若監(jiān)控中心工作人員超過規(guī)定時間未對系統(tǒng)報警進行響應，系統(tǒng)軟件將通過GPRS終端根據優(yōu)先次序向指定人員或119重復發(fā)出報警信息，直到接受到響應處理。

2 硬件設計

2.1 ZigBee節(jié)點設計

由圖1可知，系統(tǒng)中硬件部分由探測節(jié)點、指示節(jié)點和協(xié)調器三種ZigBee設備組成，由于三種設備的硬件構成相似，所以采用模塊化結構設計。探測節(jié)點、指示節(jié)點硬件構成如圖2所示，都包含電源模塊、無線通信模塊、聲光報警模塊和主控制器模塊，圖2陰影部分表示除共有模塊外，探測節(jié)點還包含傳感器模塊，指示節(jié)點還包含LED點陣顯示模塊。協(xié)調器模塊結構如圖3所示，通過串口電平變換芯片將無線通信模塊的串口引出即可。上述模塊中，主控制器模塊采用TI公司低功耗芯片MSP430F149實現(xiàn)，聲光報警模塊選用四塊16×16點陣屏、壓控陶瓷蜂鳴器完成信息顯示和聲音報警，接下來著重闡述傳感器模塊、無線通信模塊及電源系統(tǒng)的設計。

圖2 探測、指示節(jié)點結構圖

圖3 協(xié)調器結構圖

2.1.1 傳感器模塊

傳感器模塊包括煙霧和溫度檢測電路，完成監(jiān)控區(qū)域的環(huán)境溫度和煙量的采集，其電路如圖4所示，左側虛線框部分為溫度檢測電路，由高精度電阻R1和NTC型熱敏電阻R2構成分壓電路，經C1濾波后送MSP430的AD1端口采樣。其中，R2溫度測量范圍為-55℃-300℃，精度為1%。圖4右側為煙霧采集電路，選用日本NEMOTO公司生產的NIS-05A型離子煙霧傳感器，該傳感器設計有兩個電離室，其中一個電離室煙霧和空氣均易進入，稱為檢測電離室，另一個煙霧難入，空氣可入，稱為補償電離室。圖4中將煙霧傳感器的兩個電離室串接起來與電源相連[4]，隨著空氣中煙霧量的增加，進入檢測電離室的煙霧越來越多，阻擋和干擾了空氣中電離子的移動，從而導致檢測電離室的等效電阻增大，而補償電離室由于煙霧難以進入，其等效電阻保持不變，導致圖4中M點的電位升高，經由T構成的電壓跟隨電路緩沖后，送至MSP430的AD2端口，實現(xiàn)對煙霧量的采樣。

圖4 溫度、煙霧傳感器結構圖

2.1.2 無線通信模塊

由于無線消防報警系統(tǒng)中三個設備均包含無線通信模塊，從簡化設計的角度，無線通信模塊的設計應具有可重復利用，接口簡單，控制方便的特點。因此，無線通信模塊采用TI公司CC2530F256芯片，參照參考文獻[5]中典型電路，基于TI公司的ZigBee 2007/PRO全功能協(xié)議棧實現(xiàn)。主處理器按照自定義的串行通信協(xié)議通過RS232接口完成通信參數設置、數據傳輸等功能，屏蔽了復雜的ZigBee通信協(xié)議，無線通信模塊實現(xiàn)了串口透明傳輸與自組網的功能。串行通信協(xié)議格式包括幀頭、命令、參數號、數據、校驗和幀尾六個部分，命令分為數據傳輸、設置PAN ID、設置波特率、讀取模塊地址等。

2.2 電源模塊設計與低功耗實現(xiàn)

傳統(tǒng)消防報警系統(tǒng)通常采用工業(yè)或民用交流電供電，安裝不便，降低了系統(tǒng)的可靠性，本設計中盡量避免使用電源線供電方式，分別根據三種設備的功能設計了不同的電源方案。

1）協(xié)調器：是整個無線網絡的信息會聚點，需長時間保持，以保證各節(jié)點與監(jiān)控PC之間的數據傳遞，工作時電流小于60mA，利用PC機USB口向其供電。

2）指示節(jié)點：基于路由節(jié)點實現(xiàn)，需長時間保持，完成探測節(jié)點數據傳遞路徑選擇與中繼，平均工作時電流約50mA，如圖5中虛線部分所示，采用太陽能電池供電，同時提供220V交流電源接口，便于太陽能電池安裝不便的環(huán)境使用，定制3000mAh的鋰電池作為后備電源，保證在主電源失效的情況下鋰電池持續(xù)供電超過6小時。

3）探測節(jié)點：基于終端節(jié)點實現(xiàn)，定時進行檢測與數據發(fā)送，是無線通信網絡中數量最多的設備。該節(jié)點采用高容量2000mAh鋰電池供電，其結構如圖5中虛線右側所示，鋰電池經過穩(wěn)壓電路后直接給MCU供電，保證MCU始終處于工作狀態(tài)，MCU根據需要通過電子開關控制其余三個模塊的工作電源。

圖5 探測節(jié)點、顯示節(jié)點電源模塊結構圖

由于探測節(jié)點采用電池供電，設計時主要采用兩方面措施降低節(jié)點功耗，一方面是周期工作的方式，探測節(jié)點在4秒周期內，使用約100毫秒時間執(zhí)行一次檢測與數據上傳，其余時間進入低功耗休眠狀態(tài)。另一方面選用低功耗器件：穩(wěn)壓電路選用TOREX公司XC6206331芯片，其功耗電流僅1uA，MCU選用TI公司MSP430芯片，其休眠時電流低至uA級，運行時只有3mA，模塊電源控制開關選用高阻低漏的MOSFET管，溫度傳感器選用十千歐高精度NTC熱敏電阻，煙霧傳感器選用日本NEMOTO公司的NIS-05A離子煙霧傳感器，采用離子源煙敏傳感器的突出優(yōu)點是功耗極低[6]，工作電流在pA級。低功耗器件的選用使系統(tǒng)實現(xiàn)低功耗、延長電池壽命具有良好的硬件基礎。

3 軟件設計

3.1 系統(tǒng)管理軟件設計

圖6 系統(tǒng)管理軟件主界面圖

監(jiān)控中心PC機上工作的系統(tǒng)管理軟件在VB6.0環(huán)境下開發(fā)，利用Access 2003數據庫存儲溫度和煙霧信息，并對其分析、統(tǒng)計和管理。系統(tǒng)管理軟件主界面如圖6所示，實現(xiàn)了通信參數設置、報警參數設置、指示信息發(fā)送、數據統(tǒng)計與查詢和聲光報警控制等功能。通信參數設置功能包含PC機與ZigBee協(xié)調器、GPRS終端之間的串行通信模式設定。報警參數設置功能用于設置趨勢判斷、撤離路徑選擇計算的參數值。監(jiān)控人員可通過指示信息發(fā)送功能調整指示節(jié)點的箭頭指向或向受困人員發(fā)送救助的文本信息，通過采集數據統(tǒng)計與查詢可更好地掌握各個監(jiān)控區(qū)域的溫度、煙霧特點，對報警參數進行優(yōu)化，提高報警準確率。

3.2 探測節(jié)點軟件設計

圖7 探測節(jié)點程序流程圖

探測節(jié)點控制程序基于結構化設計方法，采用C語言編制而成，其工作流程如圖7所示，探測節(jié)點在上電復位后, 首先完成MSP430芯片及其外圍功能模塊的初始化，其任務主要是：設置AD模塊用于溫度和煙霧的信息采集；設置TIMER定時模塊用于產生聲光報警驅動脈沖信號；設置串行通信接口以便與無線通信模塊連接；設置其他端口初始狀態(tài)及看門狗等。初始化完成后接著打開傳感器模塊工作電源，采集溫度和煙霧數據，完成數據采集后關閉傳感器模塊電源，若采集值經計算后提示有火災危險則打開聲光報警模塊電源驅動其發(fā)出警報。接著給無線通信模塊上電，進行網絡快速恢復，將采集數據上傳后關閉無線模塊。最后，程序完成定時器設置并進入低功耗休眠狀態(tài)，一個工作周期結束。

4 系統(tǒng)測試與分析

4.1 探測節(jié)點功耗測試

通過編制專用的探測節(jié)點功耗測試程序，并利用電流表監(jiān)測節(jié)點各模塊的工作電流，進行200次的數據采集與發(fā)送實驗，取其平均值，獲得系統(tǒng)單周期功耗情況如圖8所示，探測節(jié)點數據采集時工作電流約為4.5mA，持續(xù)約15mS, 數據傳輸期由無線模塊激活和發(fā)送兩個部分組成，激活時工作電流約為6mA，持續(xù)約85mS, 發(fā)送時工作電流約為38mA，持續(xù)約3mS；休眠期間功耗主要由穩(wěn)壓電路、MCU、電子開關產生，電流小于50uA，休眠時間約3897mS，單周期節(jié)點平均每秒消耗電流As計算如下：

圖8 探測節(jié)點周期功耗圖

接下來將2000mAh鋰電池容量換算為7200000mAS，每天工作24小時，由此可計算出持續(xù)工作天數Ho:

實際應用中一般將采集周期設為8s，則使用1000mAh容量電池支持系統(tǒng)工作一年以上，從而減小電池體積，便于安裝。

4.2 數據采集與響應測試

圖9 近距離實驗測試環(huán)境實物局部圖

表1 采集與響應測試數據表

為了驗證環(huán)境溫度和煙霧信息采集的可靠性及系統(tǒng)響應的實時性，以典型的高校學生公寓為原型，搭建了遠距離和近距離兩種實驗環(huán)境。近距離實驗環(huán)境如圖9所示，采用探測節(jié)點6只，以及滿足單選路由（表1中用D表示）的指示節(jié)點3只或雙倍冗余路由（表1中用S表示）的指示節(jié)點6只。遠距離實驗環(huán)境如圖1所示，在學生公寓安裝探測節(jié)點16只，以及滿足單選路由的指示節(jié)點10只或雙倍冗余路由的指示節(jié)點14只，采用反復對比和多次重復的方法分別進行數據采集和報警響應測試，測試結果如表1所示。測試結果顯示，近距測試環(huán)境數據采集與響應及時穩(wěn)定，而遠距測試環(huán)境存在丟包的問題，導致數據采集和響應失敗，這對消防報警系統(tǒng)是難以接受的。產生問題的原因在于ZigBee采用2.4GHZ的高頻通信，極易受到障礙物干擾，特別是穿越鋼筋混凝土墻壁能力較差，在測試過程發(fā)現(xiàn)，同一房間不同的安裝位置對信號質量都有直接的影響，加之實際應用中干擾因素的隨機性強，單路由模式通信的穩(wěn)定性有所欠缺。通過分析發(fā)現(xiàn)，ZigBee作為一個低功耗的無線數據傳輸標準，擁有極強的自愈能力，即通信過程中能根據鏈路信號質量進行自組網，測試時通過布置冗余路由節(jié)點，有效地減少了干擾所造成的信號盲區(qū)，很好地解決了上述問題。

5 結束語

本文基于ZigBee技術設計了一種無線智能消防報警系統(tǒng)。該系統(tǒng)選用低功耗器件及周期觸發(fā)式工作方式實現(xiàn)了低功耗探測節(jié)點，安裝簡便；在ZigBee自組網技術的基礎上采用安裝冗余路由的方法實現(xiàn)了采集數據的穩(wěn)定傳輸，性價比高；通過開發(fā)系統(tǒng)管理軟件對采集數據進行智能分析與處理，及時通過指示節(jié)點調整撤離路徑，或發(fā)送救助信息，救災響應更加科學、高效。智能消防報警系統(tǒng)相對目前應用的有線系統(tǒng)，具有明顯的優(yōu)勢，體現(xiàn)了無線消防報警系統(tǒng)智能化、數字化、無線化的特點，應用前景廣闊。

[1] 陳積明, 林瑞中, 孫優(yōu)賢. 無線傳感器網絡通信體系研究[J]. 傳感技術學報, 2006, 08: 1290-1295.

[2] 李皓. 基于ZigBee的無線網絡技術的應用[J]. 信息技術,2008(1): 12-14.

[3] Li Pengfei, Li Jiakun, Nie Luhua, et al. Research and Application of ZigBee Protocol Stack[C]. International Conference on Measuring Technology and Mechatronics Automation. 2010: 1031-1031.

[4] 張立立, 徐勇, 孫開宇. 基于Zigbee技術的無線數據采集系統(tǒng)的研制[J]. 實驗技術與管理, 2012, (5): 139-142.

[5] TI. CC2530 Datasheet. www. ti. com. 2009.

[6] 張專成, 趙懷勛. 數字化離子感煙探測器的設計及應用[J].傳感器技術, 1997, (4): 29-31.