吳偉忠，韓 飛，楊曉瑩

（同濟(jì)大學(xué) 鐵道與城市軌道交通研究院，上海 201804）

?

基于ZigBee技術(shù)的火災(zāi)探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

吳偉忠，韓 飛，楊曉瑩

（同濟(jì)大學(xué) 鐵道與城市軌道交通研究院，上海 201804）

摘 要：文章采用TI公司的CC2530為核心控制芯片，以Z-Stack協(xié)議棧作為協(xié)議平臺(tái)，提出了一種基于ZigBee的煙霧檢測(cè)火災(zāi)報(bào)警節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方案，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)煙霧信息的自動(dòng)采集、實(shí)時(shí)信息查詢、故障信息記錄等功能，并將協(xié)調(diào)器接收到的數(shù)據(jù)通過串口在Labview界面上顯示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)，并具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功耗低、性能可靠和體積小等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：ZigBee；煙霧報(bào)警；研究設(shè)計(jì)

隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，功能復(fù)雜的高層建筑、人員密集的公共場(chǎng)所、大型廠房倉庫越來越多，因此對(duì)火災(zāi)的早期探測(cè)，將火災(zāi)遏制在萌芽狀態(tài)顯得異常重要。傳統(tǒng)的有線火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)，不僅耗材多，施工與維護(hù)復(fù)雜，而且采用硬線連接，線路容易老化，故障率高，隨著無線技術(shù)的發(fā)展，無線火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)將會(huì)是一種趨勢(shì)，本文介紹了一種基于ZigBee無線技術(shù)的煙霧報(bào)警系統(tǒng)。

1　系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

整體方案如圖1所示，主要由煙霧傳感器模塊、路由器模塊、協(xié)調(diào)器、PC組成，其中：煙霧傳感器模塊主要功能是檢測(cè)環(huán)境煙霧信息、溫度以及節(jié)點(diǎn)自身電池電量（考慮到檢測(cè)環(huán)境的復(fù)雜性，煙霧傳感器采用電池供電），并將采集的信息發(fā)送給路由器節(jié)點(diǎn)或者協(xié)調(diào)器。

路由器節(jié)點(diǎn)具備煙霧傳感器模塊的功能，并且能夠接收煙霧傳感器模塊的數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)發(fā)給協(xié)調(diào)器，Zigbee無線技術(shù)在室內(nèi)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通訊距離在50～70m左右，當(dāng)煙霧傳感器模塊與協(xié)調(diào)器的距離比較遠(yuǎn)時(shí)，增加路由器模塊，增加通訊距離。

協(xié)調(diào)器實(shí)現(xiàn)組建網(wǎng)絡(luò)和加入節(jié)點(diǎn)，接收并存儲(chǔ)各個(gè)煙霧傳感器發(fā)來的消息，并將信息通過串口傳給PC。

PC通過串口接收處理協(xié)調(diào)器發(fā)來的數(shù)據(jù)與發(fā)送命令，并在Labview軟件中實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互界面顯示。

圖1　整體方案

2　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 煙霧傳感器模塊與路由器模塊設(shè)計(jì)

路由器模塊硬件電路與煙霧傳感器模塊硬件電路基本一致，這里只對(duì)煙霧傳感器模塊硬件電路做介紹。煙霧傳感器模塊是組成火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的基本單元，是構(gòu)成火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的基礎(chǔ)，主要由數(shù)據(jù)采集模塊（傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器）、數(shù)據(jù)處理模塊（微處理器、存儲(chǔ)單元）、無線通信模塊、電源模塊等組成，如圖2所示。

圖2　煙霧傳感器模塊

（1）電池電壓采集。

煙霧傳感器模塊采用電池供電，因此對(duì)該模塊電池電壓的監(jiān)測(cè)是有必要的，電池電量過低的時(shí)候會(huì)導(dǎo)致整個(gè)模塊罷工。模塊周期性采集數(shù)據(jù)，當(dāng)采集完數(shù)據(jù)之后就進(jìn)入休眠狀態(tài)，等待下一次發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)才被喚醒，低電待機(jī)模式下，2節(jié)5號(hào)干電池可支持1個(gè)節(jié)點(diǎn)工作6～24個(gè)月，甚至更長(zhǎng)，電池不需要頻繁更換，這也使模塊采用電池供電成為可能，將通道5（即CC2530芯片P0_5引腳）作為ADC采樣通道，參考電壓為片上AVDD_SOC（3.3v），12位分辨率，將采集到的值轉(zhuǎn)換為電壓值，通過無線發(fā)給協(xié)調(diào)器，在上位機(jī)界面進(jìn)行顯示。

（2）煙霧傳感器。

煙霧傳感器采用MQ-2半導(dǎo)體煙霧傳感器，MQ-2傳感器對(duì)液化氣、丙烷、氫氣、天然氣和其他可燃?xì)怏w靈敏度高，當(dāng)傳感器所處環(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，其電路原理圖如圖3所示，煙霧傳感器模塊主要由煙霧傳感器MQ-2和電壓比較器LM393組成。LM393將MQ-2輸出的模擬電壓與無火災(zāi)發(fā)生時(shí)MQ-2輸出的閾值電壓進(jìn)行比較，并輸出二值數(shù)字信號(hào)DOUT。若大于閾值電壓，則說明有火災(zāi)發(fā)生，LM393輸出0；否則，說明無火災(zāi)發(fā)生，LM393輸出1，將DOUT與CC2530芯片P0_6連接，通過檢測(cè)P0_6口高低電平，判斷有無火災(zāi)發(fā)生。

圖3　煙霧傳感器電路原理

（3）溫度傳感器。

溫度傳感器采用單總線數(shù)字式的DS18B20。測(cè)溫范圍可達(dá)-55～125℃，精度±0.5℃，工作電壓為3.3V。硬件連接電路上，引腳1與引腳3分別與CC2530芯片的3.3V電源、GND相連，引腳2為數(shù)據(jù)輸入/輸出引腳，與CC2530芯片的P0_7引腳相連。

2.2 協(xié)調(diào)器模塊設(shè)計(jì)

如圖4所示，協(xié)調(diào)器部分電路主要由CC25030最小應(yīng)用系統(tǒng)、電源模塊、與上位機(jī)通訊的串口電路，上位機(jī)界面采用Labview軟件進(jìn)行編寫。

圖4　協(xié)調(diào)器電路

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)各個(gè)模塊的編程開發(fā)環(huán)境為IAR Embedded Workbench for 8051 8.10，采用的協(xié)議棧為TI的ZStack-2.3.0-1.4.0，主要包括協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)及煙霧傳感器模塊程序設(shè)計(jì)。協(xié)調(diào)器上電后，組建網(wǎng)絡(luò)，煙霧傳感器模塊與路由節(jié)點(diǎn)自動(dòng)發(fā)現(xiàn)并加入網(wǎng)絡(luò)。上位機(jī)通過串口給協(xié)調(diào)器發(fā)送命令，協(xié)調(diào)器通過判斷命令內(nèi)容，通過廣播的方式通知網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集或者停止數(shù)據(jù)的采集，當(dāng)協(xié)調(diào)器接收到”周期采集”命令時(shí)，協(xié)調(diào)器通過廣播讓網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)每隔2分鐘采集一次數(shù)據(jù)并發(fā)送數(shù)據(jù)，之后節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠狀態(tài)；當(dāng)協(xié)調(diào)器接收到”停止采集”的命令時(shí)，網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)停止數(shù)據(jù)的采集，直到下次接收到周期采集命令才開始周期性采集。采集的數(shù)據(jù)通過Labview軟件在電腦上顯示，有異常通過界面報(bào)警指示燈通知值班人員，并將發(fā)生故障的節(jié)點(diǎn)、時(shí)間記錄下來。

4　實(shí)驗(yàn)測(cè)試

本次實(shí)驗(yàn)通過一個(gè)煙霧傳感器模塊（圖6）與協(xié)調(diào)器（圖7）進(jìn)行測(cè)試，實(shí)驗(yàn)的主要目的是測(cè)試煙霧、溫度的檢測(cè)功能，報(bào)警信號(hào)的產(chǎn)生和無線的收發(fā)。圖7中①為DS18B20溫度傳感器，②為MQ-2煙霧傳感器，③為模塊電池電壓采集線路，④為模塊電源模塊，采用3節(jié)1.5v號(hào)電池供電。

在MQ-2傳感器旁用打火機(jī)放氣體，并將溫度傳感器放于電腦散熱器出風(fēng)口，本次測(cè)試1s采集一次數(shù)據(jù)，隨著可燃?xì)怏w濃度、溫度增大，如圖5所示，方形指示燈變?yōu)榧t色，溫度曲線快速上升，并在下面的文本框中記錄下發(fā)生異常的位置與時(shí)間。

5　結(jié)語

本文提出了一種基于ZigBee技術(shù)構(gòu)建的低成本、低功耗的火災(zāi)報(bào)警無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方案，詳細(xì)介紹了火災(zāi)煙霧報(bào)警傳感器模塊的設(shè)計(jì)原理，對(duì)系統(tǒng)的硬件部分和軟件部分進(jìn)行了有機(jī)融合，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)功能的智能化，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了方案的可行性，在智能火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中具有一定的實(shí)用價(jià)值和參考價(jià)值。

圖5　Labview上位機(jī)顯示界面

圖6　煙霧傳感器模塊實(shí)物

圖7　協(xié)調(diào)器模塊實(shí)物

［參考文獻(xiàn)］

［1］昝杰.溫度和煙霧監(jiān)測(cè)及遠(yuǎn)程報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.成都：電子科技大學(xué).2015.

［2］田亞立，梁波，尹少榮，等.基于單片機(jī)的煙霧報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.電子測(cè)試，2015（21）：1.

［3］蔣海潮.ZigBee技術(shù)在火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)中的應(yīng)用研究［J］.電子世界，2016（9）：114.

［4］杜軍朝.ZigBee技術(shù)原理與實(shí)戰(zhàn)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2015.

［5］張金.LabVIEW程序設(shè)計(jì)與應(yīng)用［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2015.

The Research and Design of Smoke Detecting Alarm System Based on ZigBee Technology

Wu Weizhong，Han Fei，Yang Xiaoying
（Institute of Rail Transit of Tongji University，Shanghai 201804，China）

Abstract:This passage uses the CC2530 of TI company as the kernel control chip and the Z-Stack protocol stack as the protocol plat form，putting forward a node design scheme which is based on ZigBee of fire detection by smoke alarm，the system can achieve a variet y of functionality such as collecting smoke information automatically，querying information constantly，recording fault information and so on，and the data received by coordinator is displayed at Labview interface through the serial port.The experimental results show that t he system achieves the expected design goals，what’s more，it owns a great deal of advantages，for example，simply construction，low pow er consumption，reliable performance，small size，etc.

Key words:ZigBee；smoke alarm；research and design

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金；項(xiàng)目編號(hào)：U1534205。

作者簡(jiǎn)介：吳偉忠（1991-），男，福建泉州，碩士研究生；研究方向：無線通信技術(shù)。