吳龍亮，薛 楠，權(quán)祎魁，朝魯門，劉婉玉，楊 兵

（哈爾濱理工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150080）

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和生活水平的提高，由于各種火災(zāi)引發(fā)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)損失也越來越巨大。最大限度地降低火災(zāi)危害的方法就是盡早發(fā)現(xiàn)火警，在火勢(shì)蔓延之前將其撲滅?；馂?zāi)預(yù)警系統(tǒng)是作為早期探測(cè)火災(zāi)并將火災(zāi)遏制在萌芽狀態(tài)的重要系統(tǒng)。

新興的ZigBee技術(shù)恰好能滿足火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)的各種要求[1]，基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：ZigBee無線傳感器系統(tǒng)降低了系統(tǒng)的整體安裝成本；ZigBee具有自組織功能，使網(wǎng)絡(luò)無需人工干涉，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能夠感知其他節(jié)點(diǎn)的存在，并根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求確定網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)潢P(guān)系；系統(tǒng)的各個(gè)模塊具有集成度高、可靠性高、功耗低、成本低、體積小等優(yōu)點(diǎn)，維護(hù)保養(yǎng)方便[2]。

本文采用ZigBee技術(shù)和LabVIEW虛擬儀器技術(shù)相結(jié)合對(duì)火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)中多個(gè)傳感器的信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，將采集到的數(shù)據(jù)通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳送到ZigBee中心節(jié)點(diǎn)，通過中心節(jié)點(diǎn)與PC機(jī)串口進(jìn)行通信，傳送給監(jiān)控中心來處理傳感器提供的火警信息。在LabVIEW環(huán)境下實(shí)現(xiàn)對(duì)火警地區(qū)的監(jiān)測(cè)、顯示、查詢數(shù)據(jù)等功能，既充分利用了LabVIEW強(qiáng)大的虛擬儀器技術(shù)，又可以提高整個(gè)系統(tǒng)的智能性，從而實(shí)現(xiàn)火災(zāi)的早期預(yù)警。

1 火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

無線火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)由以下3部分構(gòu)成：

(1)傳感器節(jié)點(diǎn)。ZigBee模塊與傳感器模塊構(gòu)成無線傳感網(wǎng)絡(luò)的終端節(jié)點(diǎn)，對(duì)火警地區(qū)的溫濕度、煙霧濃度等信息進(jìn)行實(shí)時(shí)采集。大量的傳感器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)將采集到的數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到中心節(jié)點(diǎn)。

(2)中心節(jié)點(diǎn)。起到數(shù)據(jù)上傳下送的中繼作用，負(fù)責(zé)啟動(dòng)、配置、協(xié)調(diào)整個(gè)ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)，并把采集到的數(shù)據(jù)通過有線或無線的方式發(fā)送至監(jiān)控中心。

(3)監(jiān)控中心。具有建立、管理整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的功能，對(duì)整個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，顯示和存儲(chǔ)中心節(jié)點(diǎn)上傳的數(shù)據(jù)，并對(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析以進(jìn)行火災(zāi)預(yù)警。也可設(shè)置定期或隨機(jī)向數(shù)據(jù)采集器發(fā)送數(shù)據(jù)采集命令，接收數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)。

系統(tǒng)運(yùn)行過程中，監(jiān)控中心不僅要對(duì)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)記錄，而且需要計(jì)算監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)，如果未發(fā)生火警，則監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)應(yīng)處于事先預(yù)設(shè)的合理的波動(dòng)范圍內(nèi)，而一旦監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)超出預(yù)設(shè)范圍且發(fā)生異常波動(dòng)，表明此時(shí)可能有火警出現(xiàn)，則立刻進(jìn)行系統(tǒng)預(yù)警，同時(shí)出現(xiàn)異常的傳感器節(jié)點(diǎn)在系統(tǒng)上位機(jī)界面上將予以顯示警告，由此監(jiān)控中心可以直觀觀測(cè)到出現(xiàn)異常情況的火警范圍。

2 系統(tǒng)傳感器節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件電路結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)示意圖

2.1 溫濕度傳感器電路

SHT11溫濕度傳感器是瑞士Sensirion公司生產(chǎn)的一款具有I2C總線接口的單片全校準(zhǔn)數(shù)字式相對(duì)溫濕度傳感器，具有極高的安全性、可靠性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性。SHT11供電電壓為2.4 V～5.5 V，溫度測(cè)量范圍為-40℃～123.8℃，濕度測(cè)量范圍為 0%RH～100%RH[3]。CC2430使用兩根線與SHT11的DATA和SCK引腳相連，并在DATA端口接入一只上拉電阻，用于將信號(hào)提拉為高電平，同時(shí)在VDD及GND端口接入一只去耦電容。傳感器模塊的接口電路如圖2所示。

圖2 溫濕度傳感器電路

2.2 煙霧傳感器電路

MQ-2煙霧氣敏傳感器在周圍環(huán)境中存在可燃?xì)怏w時(shí)，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[4]。氣體傳感器和跟隨器LM324連接的電路如圖4所示，跟隨器的作用主要是增大輸入電阻。由于MQ-2輸出的是模擬電壓信號(hào)，需要CC2430自帶的AD進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。CC2430的P0口是內(nèi)部具有ADC8通道輸入口，因此本系統(tǒng)直接將信號(hào)的輸出連接至CC2430的P0.7口，如圖3所示。

3 火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)監(jiān)控的設(shè)計(jì)

圖3 煙霧傳感器電路

監(jiān)控中心實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的人機(jī)交互，實(shí)時(shí)對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和存儲(chǔ)歷史數(shù)據(jù)，對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析判斷，進(jìn)行預(yù)警提示，并在界面中用報(bào)警燈直觀顯示出現(xiàn)異常的傳感器節(jié)點(diǎn)，本系統(tǒng)上位機(jī)軟件采用NI公司的LabVIEW進(jìn)行編寫。

3.1 火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)監(jiān)測(cè)界面

與常規(guī)的LabVIEW界面設(shè)計(jì)有所區(qū)別，本火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)監(jiān)測(cè)界面采用兩層設(shè)計(jì)，頂層為登錄預(yù)警界面，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)總體監(jiān)測(cè)，底層為傳感器節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)界面，實(shí)現(xiàn)對(duì)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示查詢等功能。

(1)頂層登錄預(yù)警界面主要分為3個(gè)獨(dú)立區(qū)域，分別為用戶登錄區(qū)、節(jié)點(diǎn)選擇區(qū)和節(jié)點(diǎn)工作狀態(tài)顯示區(qū)。用戶登錄成功后，可以點(diǎn)擊節(jié)點(diǎn)選擇區(qū)中相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)按鈕進(jìn)入底層的傳感器節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)界面，用來觀察每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。節(jié)點(diǎn)工作狀態(tài)顯示區(qū)能夠直觀顯示節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)，指示燈為綠色時(shí)節(jié)點(diǎn)處于正常的工作范圍，指示燈為灰色時(shí)，節(jié)點(diǎn)報(bào)警，管理人員可以直接通過節(jié)點(diǎn)工作狀態(tài)顯示區(qū)觀測(cè)到預(yù)警節(jié)點(diǎn)。系統(tǒng)頂層界面如圖4所示。

圖4 頂層登錄報(bào)警界面

(2)底層傳感器節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)界面如圖5所示，界面中實(shí)時(shí)顯示溫濕度、煙霧濃度數(shù)值及其變化曲線，并能夠同時(shí)完成傳感器參數(shù)超限報(bào)警功能，作為底層界面，能夠完成傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的顯示、分析處理、歷史數(shù)據(jù)查詢等功能。

圖5 底層傳感器節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)界面

3.2 LabVIEW串口通信程序的設(shè)計(jì)

火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)中心節(jié)點(diǎn)可以直接通過串口與上位機(jī)進(jìn)行通信。數(shù)據(jù)與上位機(jī)進(jìn)行串口通信前，要對(duì)串口進(jìn)行配置，使得計(jì)算機(jī)串口的參數(shù)設(shè)置與儀器設(shè)備保持一致，以確保通信的正確進(jìn)行。程序中設(shè)定波特率為38 400，數(shù)據(jù)位為8，停止位為 1，校驗(yàn)位 none。程序運(yùn)行時(shí)，計(jì)算機(jī)通過串口將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在VISA Flush I/O Buffer中，利用VISA Read將采集的反饋信息讀取出來，經(jīng)過分析處理后，將數(shù)值傳送到顯示面板進(jìn)行顯示，并實(shí)時(shí)將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)中，同時(shí)對(duì)每一個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)值進(jìn)行監(jiān)控，將其和預(yù)警值進(jìn)行比較，如果數(shù)次超過預(yù)警值，則在頂層界面上進(jìn)行預(yù)警提示。操作人員亦可隨時(shí)啟動(dòng)本系統(tǒng)繼續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控。

3.3 LabVIEW數(shù)據(jù)處理

LabVIEW可以實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的比較、分析、存儲(chǔ)、查詢等多種功能，特別是數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)與動(dòng)態(tài)查詢。由于火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)需要存儲(chǔ)大量的數(shù)據(jù)，因此需要通過讀寫數(shù)據(jù)庫(kù)來實(shí)現(xiàn)。LabVIEW通過ADO控件來連接數(shù)據(jù)庫(kù)，ADO控件已適用于Windows操作系統(tǒng)中，ADO控件與ODBC連接能訪問任何支持ODBC的數(shù)據(jù)庫(kù)。本系統(tǒng)中采用Access數(shù)據(jù)庫(kù)與LabVIEW進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀寫與查詢。采集數(shù)據(jù)時(shí)，LabVIEW將通過LabSQL訪問包將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存入Access數(shù)據(jù)庫(kù)中，并且將超過預(yù)警值的數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，方便操作人員的查詢與調(diào)用。

本文將無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)引入火災(zāi)的監(jiān)測(cè)中，構(gòu)建了基于ZigBee和LabVIEW的火災(zāi)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，給出了系統(tǒng)主要模塊的硬件設(shè)計(jì)和上位機(jī)界面的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)日常火災(zāi)的監(jiān)測(cè)以及預(yù)警的功能。經(jīng)實(shí)驗(yàn)表明，本設(shè)計(jì)是一種高效、實(shí)時(shí)的火災(zāi)監(jiān)測(cè)預(yù)警方案，有助于提供準(zhǔn)確的火災(zāi)預(yù)警，為實(shí)現(xiàn)火災(zāi)監(jiān)測(cè)的自動(dòng)化與智能化提供了一種新的嘗試。

[1]王小強(qiáng).無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2012.

[2]李文仲，段朝玉.ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)入門與實(shí)踐[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007.

[3]欒學(xué)德.基于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的智能溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].青島：中國(guó)海洋大學(xué)，2012.

[4]許馳.基于ZigBee的多傳感器火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)[J].西華大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，11(6)：73-76.