于江利 桂 垣 楊曉晴 龔志廣

（河北建筑工程學(xué)院，河北張家口075000）

1 消防控制系統(tǒng)主要組成及功能

消防控制系統(tǒng)是智能建筑樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)必要子系統(tǒng)，系統(tǒng)主要由火災(zāi)報(bào)警控制中心、中繼器、火災(zāi)探測(cè)模塊、聯(lián)動(dòng)控制模塊和信號(hào)傳輸系統(tǒng)組成.

監(jiān)控中心設(shè)有控制器，對(duì)所監(jiān)測(cè)的火災(zāi)區(qū)域的火災(zāi)信息、故障信息、位置信息等參數(shù)進(jìn)行跟蹤采集、存儲(chǔ)、分析、方便用戶進(jìn)行管理和監(jiān)控；并通過人機(jī)交互界面，一方面將火災(zāi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總顯示，聯(lián)動(dòng)控制消防滅火設(shè)備和疏散指示設(shè)備工作，同時(shí)完成管理、查看、報(bào)警、打印等任務(wù)；另一方面，消防值班人員可以通過人機(jī)交互界面發(fā)送遠(yuǎn)程控制命令至現(xiàn)場，以便更好的實(shí)現(xiàn)對(duì)聯(lián)動(dòng)設(shè)備的控制.

火災(zāi)探測(cè)模塊主要用于探測(cè)現(xiàn)場中火災(zāi)信息采集，由各種傳感器和變送器構(gòu)成，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的煙霧傳感器采用MQ－2煙霧傳感器，CO氣體傳感器選用MQ－7一氧化碳傳感器.MQ－2／MQ－2S氣體傳感器對(duì)液化氣、丙烷、氫氣的靈敏度高，對(duì)天然氣和其它可燃蒸汽的檢測(cè)也很理想，可檢測(cè)多種可燃性氣體.MQ－7氣體傳感器由AL2O3，陶瓷管、SnO2敏感層，測(cè)量電極和加熱器構(gòu)成，對(duì)一氧化碳的靈敏度高，可檢測(cè)多種含一氧化碳的氣體［1］.本設(shè)計(jì)的溫度傳感器采用瑞士Sensirion公司生產(chǎn)的SHTl5.SHTl5傳感器是一款單片全校準(zhǔn)數(shù)字輸出相對(duì)濕度和溫度的傳感器，溫度值分辨率為14位，濕度值分辨率為12位，可通過I2C總線與微處理器接口，輸出數(shù)字量溫濕度值.

聯(lián)動(dòng)控制模塊是現(xiàn)場消防滅火等設(shè)備自動(dòng)工作的執(zhí)行機(jī)構(gòu).其接受到控制器的無線控制信號(hào)后，將控制信號(hào)傳給現(xiàn)場輸入輸出控制模塊，進(jìn)而啟動(dòng)相應(yīng)的消防聯(lián)動(dòng)設(shè)備.

信號(hào)傳輸系統(tǒng)采用兩級(jí)雙網(wǎng)的無線傳輸方式，主要由兩部分來完成.一部分是底層數(shù)據(jù)通信部分，主要由ZigBee網(wǎng)絡(luò)來擔(dān)當(dāng)；另一部分是遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信部分，選用3G網(wǎng)絡(luò)來完成.ZigBee網(wǎng)絡(luò)是一種傳輸速率低，傳輸距離短的無線網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)是低成本、低功耗、低復(fù)雜度和可靠性高、組網(wǎng)簡單、方便靈活［2］.底層與控制中心采用GPRS／CDMA網(wǎng)絡(luò)無線接入，目前GPRS／CDMA網(wǎng)絡(luò)在國內(nèi)已經(jīng)運(yùn)營了十幾年，網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定，技術(shù)成熟，覆蓋率廣.

2 ZigBee網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸硬件設(shè)計(jì)

兩級(jí)雙網(wǎng)組網(wǎng)架構(gòu)由Zigbee－WSN和GPRS／CDMA兩級(jí)雙網(wǎng)構(gòu)成，上層為GPRS／CDMA主干網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸；下層為Zigbee－WSN二級(jí)子網(wǎng)，由傳感節(jié)點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，采用簇－樹型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，完成數(shù)據(jù)采集、路由、轉(zhuǎn)發(fā).網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)連接ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)與GPRS／CDMA網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)ZigBee協(xié)議和TCP／IP協(xié)議兩種協(xié)議棧之間通信協(xié)議轉(zhuǎn)換.網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)發(fā)布監(jiān)控中心的控制命令，并把收集到的探測(cè)信息轉(zhuǎn)發(fā)到外部網(wǎng)絡(luò)上，通過USB總線或GPRS／CDMA網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳至監(jiān)控中心.網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)還負(fù)責(zé)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的組建及管理工作，可通過USB總線或GPRS／CDMA網(wǎng)絡(luò)與本地消防報(bào)警監(jiān)控中心服務(wù)器相連，通過本地消防監(jiān)控中心進(jìn)行聲光、短信報(bào)警和消防聯(lián)動(dòng)控制，也可通過GPRS／CDMA網(wǎng)絡(luò)直接與119火災(zāi)報(bào)警中心服務(wù)器相連，進(jìn)行遠(yuǎn)程火災(zāi)消防報(bào)警.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1.

圖1 無線消防報(bào)警系統(tǒng)總體框圖

ZigBee協(xié)議棧的核心部分在網(wǎng)絡(luò)層.其功能是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的管理，主要是探測(cè)器和執(zhí)行器等節(jié)點(diǎn)的加入或離開，路由查找及傳送數(shù)據(jù)等功能.ZigBee網(wǎng)絡(luò)路由依照Cluster－Tree結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)和選擇，整個(gè)系統(tǒng)設(shè)置兩類節(jié)點(diǎn)，分別為FFD結(jié)點(diǎn)和RFD結(jié)點(diǎn).FFD節(jié)點(diǎn)是全功能節(jié)點(diǎn)，數(shù)據(jù)的傳輸方向也是雙向的，即可以向下傳至子結(jié)點(diǎn)，向上傳至父結(jié)點(diǎn).而RFD節(jié)點(diǎn)不具備數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)方式單一，即當(dāng)接收到數(shù)據(jù)包后，回復(fù)ACK后，把數(shù)據(jù)交至上層節(jié)點(diǎn)，請(qǐng)其轉(zhuǎn)發(fā).系統(tǒng)中傳感節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)屬于FFD結(jié)點(diǎn)，而制接收控制信號(hào)的執(zhí)行節(jié)點(diǎn)屬于RFD結(jié)點(diǎn)，如在各類聯(lián)動(dòng)設(shè)備附近設(shè)計(jì)的，控制設(shè)備工作的節(jié)點(diǎn)［3］.

ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)集無線收發(fā)器、微處理器、存儲(chǔ)器和用戶API于一體，并采用TI公司的CC2530作為核心芯片.由于絕大多數(shù)消防設(shè)備都是靜態(tài)的，所以整個(gè)網(wǎng)絡(luò)采用Cluster－Tree拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來構(gòu)建.

3 ZigBee網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸軟件設(shè)計(jì)

3.1 通信協(xié)議

底層的數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)采用基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的ZigBee PRO／2007協(xié)議通信.ZigBee的協(xié)議棧由物理層（PHY）、介質(zhì)接入控制子層（MAC）、網(wǎng)絡(luò)層（NWK）、應(yīng)用層（APL）四層組成［4］，Zigbee協(xié)議棧軟件采用C語言編寫，開發(fā)環(huán)境采用AVR Studio4.12，硬件平臺(tái)采用的單片機(jī)為Atmega128，射頻模塊采用CC2530.采用的標(biāo)準(zhǔn)是ZigBee 1.0，整個(gè)協(xié)議棧軟件采用單線程，各模塊之間采用共享緩沖區(qū)進(jìn)行通信.ZigBee協(xié)議幀格式如表1所示.

表1 ZigBee協(xié)議幀格式

網(wǎng)關(guān)通過數(shù)據(jù)鏈路層的PPP協(xié)議協(xié)商機(jī)制撥號(hào)接入GPRS／CDMA網(wǎng)絡(luò)，并得到運(yùn)營商分配的IP地址.無線網(wǎng)關(guān)使用TCP／IP協(xié)議與GPRS／CDMA網(wǎng)絡(luò)交換數(shù)據(jù)，網(wǎng)際層的IP協(xié)議負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)間的尋址和數(shù)據(jù)傳輸，運(yùn)輸層的TCP協(xié)議負(fù)責(zé)提供可靠的傳輸服務(wù).

3.2 軟件流程

底層數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)采用ZigBee PRO／2007協(xié)議規(guī)范設(shè)計(jì)，基于TI公司提供的半開源Z－Stack協(xié)議棧開發(fā).傳感節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)溫度、煙霧、CO數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)，并通過Zigbee網(wǎng)絡(luò)，發(fā)往監(jiān)控中心，主程序流程如圖2所示.路由節(jié)點(diǎn)的主程序主要完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、存儲(chǔ)和路由選擇等功能，主程序流程如圖3所示.網(wǎng)關(guān)的軟件設(shè)計(jì)采用典型的嵌入式軟件結(jié)構(gòu)，由4層組成：Bootloader、嵌入式Linux操作系統(tǒng)、嵌入式圖形用戶界面GUI、用戶程序.網(wǎng)關(guān)的主程序流程如圖4所示.

監(jiān)控中心PC端管理軟件的開發(fā)采用Visual C＋＋6.0集成開發(fā)環(huán)境，采用面向?qū)ο蟮木幊碳夹g(shù)，分別由通信端口設(shè)置、報(bào)警參數(shù)設(shè)置、報(bào)警處理、數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和系統(tǒng)管理等五個(gè)功能模塊，主要完成通信參數(shù)設(shè)置、發(fā)布命令、現(xiàn)場數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，報(bào)警處置等管理工作.

圖2 傳感器節(jié)點(diǎn)程序流程圖

圖3 路由節(jié)點(diǎn)程序流程圖

圖4 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)程序流程圖

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)一種基于Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能建筑消防控制系統(tǒng)方案，系統(tǒng)采用兩級(jí)雙網(wǎng)組網(wǎng)架構(gòu)，底層網(wǎng)絡(luò)采用ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)完成火災(zāi)等信息采集與短距離傳輸，上層網(wǎng)絡(luò)采用GPRS／CDMA實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳送，可對(duì)智能建筑內(nèi)火警進(jìn)行監(jiān)測(cè)和自動(dòng)報(bào)警，同時(shí)能聯(lián)動(dòng)控制消防滅火及疏散設(shè)備工作.系統(tǒng)具有無需布線、建設(shè)和運(yùn)營成本低、組網(wǎng)靈活、漏報(bào)和誤報(bào)率低、快速高效等特點(diǎn).

［1］劉勝福，劉和平.基于ZIGBEE的分布式智能復(fù)合探測(cè)無線消防報(bào)警系統(tǒng)［J］.自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2008，20（7）：67～70

［2］劉市生，張賢華等.ZigBee網(wǎng)絡(luò)層的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.無線電工程，2008（11）：8～9

［3］闞鳳龍，闞洪亮，韓中華，等.Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在消防報(bào)警系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.現(xiàn)代建筑電氣，2012，3（11）：11～14

［4］李文仲，段朝玉.ZigBee2006無線網(wǎng)絡(luò)與無線定位實(shí)戰(zhàn)［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008.1

［5］王旭升.基于ZigBee的智能建筑燈光控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.機(jī)電工程技術(shù).2011，40（12）：23～25

［6］張伯虎.無線火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)研究［J］.安防科技，2006，（10）：36～38