王艷春

（蚌埠學(xué)院 機械與電子工程系，安徽 蚌埠 233030）

現(xiàn)代社會空前發(fā)展，尤其在城市地區(qū)，社會人口相對集中，建筑設(shè)施鱗次櫛比，一旦發(fā)生火災(zāi)，會嚴(yán)重危害人們的生命財產(chǎn)安全，造成慘重的損失.據(jù)世界火災(zāi)統(tǒng)計中心及歐洲共同體研究測算，如火災(zāi)直接損失占國民經(jīng)濟生產(chǎn)總值的2‰，整個火災(zāi)的損失將占國民經(jīng)濟生產(chǎn)總值的10%以上[1]，因此，我國政府高度重視消防安全工作，用于探測火災(zāi)的防火報警系統(tǒng)也成為人們廣泛關(guān)注的技術(shù)熱點.

針對傳統(tǒng)的防火報警系統(tǒng)存在的數(shù)據(jù)采集成本高，布線復(fù)雜、維護困難、無法遠(yuǎn)程訪問等問題，本文設(shè)計了一種基于無線傳感網(wǎng)路的智能防火報警系統(tǒng)，介紹了其硬件結(jié)構(gòu)及軟件設(shè)計.該系統(tǒng)通過設(shè)置在監(jiān)控區(qū)域的各種無線傳感器，如溫度傳感器、可燃?xì)怏w探測器和火焰?zhèn)鞲衅鞯炔杉瘮?shù)據(jù)，實時獲得監(jiān)控區(qū)域的各種環(huán)境參數(shù)，監(jiān)測火災(zāi)信號，并通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)將獲得的信息傳送給監(jiān)控中心[2,3]，監(jiān)控中心通過LabVIEW軟件顯示現(xiàn)場狀況，判斷火災(zāi)的發(fā)生并進(jìn)行實時控制，從而減小火災(zāi)發(fā)生的概率.

1 系統(tǒng)檢測原理

Zigbee技術(shù)是一種新興的短距離、低功耗無線通信技術(shù)，由于功耗低，非常適合應(yīng)用于工業(yè)控制、傳感器網(wǎng)絡(luò)、安全系統(tǒng)、家庭監(jiān)控等場合.ZigBee技術(shù)的主要優(yōu)點有：一是低功耗.ZigBee的傳輸速率低,發(fā)射功率僅為1mW，而且采用了休眠模式，功耗低，可以確保兩節(jié)五號電池支持長達(dá)6個月到1年半左右的使用時間；二是網(wǎng)絡(luò)的自組織、自愈能力強，通信可靠.三是網(wǎng)絡(luò)容量大，每個Zigbee網(wǎng)絡(luò)最多可支持255個設(shè)備.四是時延短.典型搜索設(shè)備時延為30ms，休眠激活時延為15ms，活動設(shè)備信道接入時延為15ms.五是成本低.因為Zigbee數(shù)據(jù)傳輸速率低,協(xié)議簡單，所以大大降低了成本，且Zigbee協(xié)議免收專利費[4-7].基于上述原因，本文設(shè)計了一種基于ZigBee技術(shù)的智能防火報警系統(tǒng)，結(jié)合單片機技術(shù)、無線傳輸技術(shù)和傳感器技術(shù)，根據(jù)火災(zāi)發(fā)生時產(chǎn)生的溫度、煙霧和火光變化等信息，通過無線傳感器感測信號，綜合分析判斷火災(zāi)是否發(fā)生.如果確實發(fā)生火災(zāi)，通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)實時向監(jiān)控中心發(fā)送火災(zāi)報警信息和火災(zāi)地點，完成了對監(jiān)控區(qū)域火災(zāi)情形的實時監(jiān)測和報警.

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 總體結(jié)構(gòu)

根據(jù)ZigBee技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)和特點，設(shè)計了由多無線傳感器節(jié)點，協(xié)調(diào)器節(jié)點和火災(zāi)監(jiān)控中心（PC）組成的基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能防火報警系統(tǒng)，其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示.其中，無線傳感器節(jié)點通過ZigBee無線技術(shù)與協(xié)調(diào)器進(jìn)行信息的交換；協(xié)調(diào)器則以無線的方式連接無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，并通過串口與火災(zāi)監(jiān)控中心進(jìn)行通信.監(jiān)控中心對上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析并發(fā)出報警信號.系統(tǒng)中各無線傳感器節(jié)點采用立體式安裝、密集并可控地分布在檢測區(qū)域內(nèi)，不僅能夠監(jiān)測自身周圍溫度和煙霧濃度等參數(shù)，還能夠通過多節(jié)點協(xié)作，將相關(guān)數(shù)據(jù)傳送到監(jiān)控中心，并能夠在個別網(wǎng)絡(luò)節(jié)點失效后能夠快速自組織地重建網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?；監(jiān)控中心能夠以中斷方式接收無線傳感器節(jié)點發(fā)送來的數(shù)據(jù)，還能夠?qū)χ付▊鞲衅鞴?jié)點的數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢.在實踐過程中，可根據(jù)監(jiān)測區(qū)域大小和監(jiān)測內(nèi)容，增加或減少傳感器節(jié)點，做小許改動即可.當(dāng)監(jiān)測區(qū)域較大時，可用增加無線傳感器節(jié)點的方法來保證網(wǎng)絡(luò)的連通性；當(dāng)監(jiān)測區(qū)域較小時，可根據(jù)情況減少路由器節(jié)點設(shè)置，以節(jié)省系統(tǒng)資源，降低成本.

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

2.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點是組成防火報警系統(tǒng)的基本單位，其在ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)中的任務(wù)是采集傳感器的物理信息，并將其數(shù)字化后，經(jīng)由無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至協(xié)調(diào)器節(jié)點，從而完成信息采集和數(shù)據(jù)傳遞的功能.本系統(tǒng)中無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點采用TI公司生產(chǎn)的CC2530芯片進(jìn)行設(shè)計.CC2530是Zig-Bee應(yīng)用的一個片上系統(tǒng)（SoC），它結(jié)合了領(lǐng)先的RF收發(fā)器、標(biāo)準(zhǔn)的增強型8051 CPU、系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存、8-KB RAM和許多其他強大的功能，無線傳輸距離可達(dá)100米.CC2530具有不同的運行模式，尤其適應(yīng)超低功耗要求的系統(tǒng)，運行模式之間的轉(zhuǎn)換時間短進(jìn)一步確保了低能源消耗[8].無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點采用模塊化設(shè)計，包括數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、無線通信模塊和電源模塊四個部分，其組成結(jié)構(gòu)如圖2所示.電源模塊給CC2530模塊供電3.3V.

圖2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點結(jié)構(gòu)圖

2.3 傳感器模塊

傳感器模塊由溫度傳感器、可燃?xì)怏w探測器和火焰?zhèn)鞲衅魅糠纸M成.其中溫度傳感器采用高精度模擬輸出CMOS溫度傳感器LM94022，靈敏度選擇-5.5mV/℃，所以LM94022的GS0和GS1端口都接地，溫度信號調(diào)理電路如圖3所示.溫度傳感器信號經(jīng)信號調(diào)理后輸出模擬量，接入CC2530模塊內(nèi)置ADC轉(zhuǎn)換器的1通道，即CC2530 I/O端口的P0.1.

圖3 溫度信號調(diào)理電路圖

可燃?xì)怏w探測器采用MQ-2氣體傳感器.當(dāng)傳感器所處環(huán)境中存在可燃?xì)怏w時，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中可燃?xì)怏w濃度的增加而增大，使用簡單的電路即可將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對應(yīng)的電壓輸出信號.該傳感器是一款適合多種應(yīng)用的低成本傳感器，可檢測多種可燃性氣體，對液化氣、丙烷、氫氣的靈敏度高，對天然氣和其它可燃蒸汽的檢測也很理想.該傳感器輸出信號一般比較微弱，需要經(jīng)過前置電路進(jìn)行放大，才能滿足單片機對輸入信號的要求，其信號調(diào)理電路如圖4所示.因該傳感器屬于電阻型，因此只需外接滑動變阻器R7，再經(jīng)過一個放大電路，即可發(fā)送給ADC采集.通過調(diào)節(jié)R7的阻值控制傳感器的輸出電壓，再經(jīng)信號調(diào)理后，接入CC2530模塊內(nèi)置ADC轉(zhuǎn)換器的2通道，即CC2530 I/O端口的P0.2.

圖4 氣體探測器信號調(diào)理電路圖

火焰?zhèn)鞲衅鞑捎肑NHB1004.JNHB1004是一種遠(yuǎn)紅外火焰?zhèn)鞲衅鳎軌蛱綔y到波長在760～1100納米范圍內(nèi)的紅外光，在使用過程中應(yīng)注意火焰探頭離火焰的距離不能太近，以免造成損壞.將外界遠(yuǎn)紅外光的變化轉(zhuǎn)化為電流的變化，在電阻上產(chǎn)生電壓，范圍為0～5V.當(dāng)周圍有火源產(chǎn)生時，火焰?zhèn)鞲衅鱆NHB1004會探測到空氣中紅外線強度的變化，外界紅外光越強，輸出電壓值越小；紅外光越弱，輸出電壓值越大.根據(jù)函數(shù)返回值的變化能判斷紅外光線的強弱，從而大致判別出是否發(fā)生火災(zāi).火焰?zhèn)鞲衅鬏敵龅?引腳接+5V電源，2引腳串接47K電阻接地，再并聯(lián)接入CC2530模塊內(nèi)置ADC轉(zhuǎn)換器的通道3，即CC2530 I/O端口的P0.3.

報警電路采用雙聲報警電路，接入CC2530 I/O端口的P1.2.當(dāng)溫度傳感器、可燃?xì)怏w探測器、火焰?zhèn)鞲衅鞑杉降?路數(shù)據(jù)中有2路以上的數(shù)據(jù)值超過事先設(shè)定的報警上限值，則CC2530模塊的P1.2端輸出高電平，驅(qū)動雙聲報警.

3 軟件設(shè)計

因為系統(tǒng)硬件選用的ZigBee芯片為CC2530，故系統(tǒng)軟件采用目前通用的開發(fā)環(huán)境IAR Embedded Workbench for 8051，編程語言為C語言.系統(tǒng)軟件設(shè)計主要包括傳感器節(jié)點程序設(shè)計和協(xié)調(diào)器節(jié)點程序設(shè)計兩個部分.傳感器節(jié)點程序設(shè)計和協(xié)調(diào)器節(jié)點程序設(shè)計主要由發(fā)射模塊和接收模塊兩部分組成，包括初始化程序、發(fā)射程序和接收程序.初始化程序主要是對單片機、射頻芯片、SPI等進(jìn)行處理.發(fā)射程序?qū)⒔⒌臄?shù)據(jù)包通過單片機SPI接口送至射頻發(fā)生模塊輸出；接收程序完成數(shù)據(jù)的接收并進(jìn)行處理.發(fā)射模塊完成火災(zāi)的探測，把檢測到的信息準(zhǔn)確無誤的發(fā)送給接收模塊；接收模塊接收到發(fā)射模塊的信息后，通過串口與火災(zāi)監(jiān)控中心進(jìn)行通信.監(jiān)控中心上位機利用Lab-VIEW軟件顯示火災(zāi)地址和現(xiàn)場情況.

4 結(jié)束語

基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的防火報警系統(tǒng)，組網(wǎng)靈活，維護方便，易于擴展，克服了傳統(tǒng)有線防火報警系統(tǒng)線路易老化磨損，故障發(fā)生率高、誤報警率高等缺點.但該系統(tǒng)由于采用無線傳輸技術(shù)，通信中存在信息傳輸安全以及節(jié)點的處理能力和通信能力相對較弱等缺點，在未來將對該系統(tǒng)將會做進(jìn)一步改進(jìn).

〔1〕周愛桃,景國勛,孫綱,劉冬華.改進(jìn)的灰色預(yù)測模型在火災(zāi)事故預(yù)測中的應(yīng)用[J].中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù),2006,2(1):62-64.

〔2〕Akyildiz F, Su W, Sankarasubramaniam Y，CayirciE. Wireless sensor networks:A survey[J].Computer Networks,2002,38(4):393-422.

〔3〕陳濤,劉景泰,邴志剛.無線傳感網(wǎng)絡(luò)研究與運用綜述[J].自動化與儀表,2005(7):41-46.

〔4〕瞿雷,劉盛德,胡咸斌.ZigBee 技術(shù)及應(yīng)用[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2007．

〔5〕楊福寶.基于ZigBee 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的研究[J].制造業(yè)自動化,2011,33(19):85-88.

〔6〕徐勇,欒曉明,王丹.基于ZigBee 技術(shù)的智能照明系統(tǒng)設(shè)計[J]. 國外電子測量技術(shù),2010,29(1):42-45.

〔7〕萬文斌,石勇.基于ZigBee 的智能開關(guān)控制系統(tǒng)的應(yīng)用與設(shè)計[J].電氣自動化,2010,32(3):57-59.

〔8〕郭啟軍,張浩然,姜彬.基于GPRS 的嵌入式無線數(shù)據(jù)傳輸終端的設(shè)計 [J]. 計算機系統(tǒng)應(yīng)用,2008,35(12):56-59.