毛杰寧，李梅，羅旌鈺（中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）信息工程學(xué)院，北京100083）

無(wú)線火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

毛杰寧，李梅，羅旌鈺
（中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）信息工程學(xué)院，北京100083）

火災(zāi)災(zāi)害給我們帶來(lái)了難以估量的損失，因而火災(zāi)預(yù)防報(bào)警一直是國(guó)內(nèi)外備受關(guān)注的課題之一。為解決傳統(tǒng)有線火災(zāi)系統(tǒng)存在的問(wèn)題，提出一種基于ZigBee無(wú)線技術(shù)的無(wú)線火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)。系統(tǒng)采用星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并分為中心處理端和探測(cè)端兩部分組成。中心處理端采用STM32F103ZET6芯片為核心，探測(cè)終端采用STC89C52RC芯片為核心，兩部分同時(shí)與基于Zig-Bee技術(shù)的無(wú)線射頻芯片CC2530相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了大范圍區(qū)域火災(zāi)監(jiān)控與報(bào)警的需要。經(jīng)過(guò)研究與測(cè)試表明，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)成本低、智能化高、工作性能穩(wěn)定可靠。

無(wú)線；火災(zāi)報(bào)警；智能化；ZigBee

目前，國(guó)內(nèi)主要采用總線型火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)，這種自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)已采用微處理器控制，其線制一般有四線制、三線制、二線制，探測(cè)器和模塊均采用地址編碼形式，通過(guò)總線與控制器實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳送[1]。雖然這種報(bào)警系統(tǒng)能有效減少火災(zāi)帶來(lái)的損失，但其中仍存在不少問(wèn)題，施工麻煩、性價(jià)比較低、靈活性差，同時(shí)難以保證其穩(wěn)定工作和維修。而國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家在建設(shè)和應(yīng)用城市火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警監(jiān)控系統(tǒng)方面逐漸趨向成熟，他們將自動(dòng)火災(zāi)報(bào)警作為公共報(bào)警手段接入監(jiān)控系統(tǒng)，并有效運(yùn)行多年，使消防指揮中心能夠快速準(zhǔn)確判斷火災(zāi)地點(diǎn)、火災(zāi)類型，并調(diào)度消防部隊(duì)迅速到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)，自動(dòng)報(bào)警監(jiān)控系統(tǒng)在此起到了很大的作用[2]。

設(shè)計(jì)針對(duì)傳統(tǒng)火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警的問(wèn)題，系統(tǒng)采用基于ZigBee與嵌入式相關(guān)的技術(shù)，通過(guò)多個(gè)探測(cè)終端和中心處理端，自組成星形拓?fù)涞木W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[3]，實(shí)現(xiàn)了對(duì)多個(gè)探測(cè)地點(diǎn)的管理與監(jiān)控，為減少火災(zāi)隱患提供了保證。同時(shí)本文設(shè)計(jì)在探測(cè)端使用溫度傳感器DS18B20和煙霧傳感器MQ-2，來(lái)獲取監(jiān)控區(qū)域溫度和煙霧濃度的變化。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與框架架構(gòu)

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)分主要為中心處理端 （主控）和探測(cè)終端（從控）兩部分，同時(shí)它們組成以中心處理端為核心的星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。中心處理端主要處理和分析各探測(cè)端數(shù)據(jù)，并將工作情況顯示在TFT-LCD顯示屏上；而探測(cè)終端則承擔(dān)接收并處理傳感器數(shù)據(jù)的工作。兩者結(jié)合合適的無(wú)線傳輸協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)兩者之間的通信。系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖

為實(shí)現(xiàn)中心處理端和探測(cè)終端進(jìn)行良好的通信工作，系統(tǒng)采用ZigBee無(wú)線傳輸協(xié)議。Zigbee[4]是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗個(gè)域網(wǎng)協(xié)議，根據(jù)這個(gè)協(xié)議規(guī)定的技術(shù)是一種短距離、低功耗的無(wú)線通信技術(shù)，并較于藍(lán)牙[5]、Wi-Fi[6]等無(wú)線協(xié)議，具有低復(fù)雜度、自組織、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的優(yōu)點(diǎn)，并非常適合用于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備[7]。

1.2 系統(tǒng)工作模式設(shè)計(jì)

針對(duì)傳統(tǒng)自動(dòng)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)適用范圍小、智能化程度低[8]和安裝維修困難的問(wèn)題，本設(shè)計(jì)通過(guò)程序算法和通信協(xié)議的設(shè)計(jì)，使探測(cè)終端并及時(shí)將數(shù)據(jù)傳輸給中心處理端，中心處理端對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，智能判斷出環(huán)境和設(shè)備的狀況，從而做出相應(yīng)反應(yīng)。

但為保證各個(gè)設(shè)備正常運(yùn)行，并提高智能化程度，減輕維修難度，本文需要解決幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：1）各個(gè)探測(cè)終端數(shù)據(jù)與中心端通信時(shí)的相互之間干擾2）設(shè)備的接入與管理3）設(shè)備異常的判斷。

圖2 訪問(wèn)流程圖

1）為解決設(shè)備通信相互之間的干擾，整個(gè)系統(tǒng)需要設(shè)定一種合理工作機(jī)制，來(lái)確保各個(gè)探測(cè)終端與中心端通信時(shí)，不會(huì)受到其它設(shè)備的干擾。經(jīng)考慮與分析，探測(cè)終端與主控傳遞的數(shù)據(jù)，主要是溫度和煙霧濃度的數(shù)值，以及檢測(cè)到環(huán)境的異常發(fā)出的警報(bào)。所以本文采取定時(shí)點(diǎn)名訪問(wèn)的方式[9]來(lái)獲取各個(gè)探測(cè)端的數(shù)值，主控每隔1秒訪問(wèn)一個(gè)探測(cè)終端，當(dāng)主控訪問(wèn)到某一個(gè)探測(cè)終端的時(shí)候，該探測(cè)終端就返回相關(guān)的數(shù)據(jù)，其余探測(cè)終端就不會(huì)回應(yīng)主控的訪問(wèn)。同時(shí)因?yàn)橹骺嘏c一個(gè)探測(cè)終端的通信僅需極短的時(shí)間，不到整個(gè)訪問(wèn)周期的5%，主控剩余的時(shí)間便可以接收其余探測(cè)端的警報(bào)或其它緊急信息。圖2為訪問(wèn)流程圖，i為探測(cè)終端地址，n為累計(jì)值，max為訪問(wèn)累計(jì)值上限；

2）而為實(shí)現(xiàn)設(shè)備的接入與管理，那么每個(gè)探測(cè)終端需要唯一的標(biāo)識(shí)碼作為地址來(lái)區(qū)分。如果將標(biāo)志碼直接寫入探測(cè)端，就會(huì)造成地址分配的諸多問(wèn)題，同時(shí)考慮到探測(cè)終端主要是與主控進(jìn)行通信，本文通過(guò)主控分配地址的方式來(lái)區(qū)分各個(gè)探測(cè)終端。當(dāng)有新的探測(cè)終端接入系統(tǒng)中時(shí)，該探測(cè)終端就會(huì)向中心端發(fā)送地址請(qǐng)求，如果主控給他分配了地址時(shí)，就會(huì)顯示新設(shè)備接入，即表示成功，否則就是失敗。就這樣每一個(gè)探測(cè)終端都有了唯一的地址區(qū)分，就方便主控對(duì)各個(gè)探測(cè)終端的管理了。

3）每個(gè)探測(cè)終端是否正常工作是保證系統(tǒng)正常運(yùn)行的前提。而設(shè)備異常又主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面，一是無(wú)法進(jìn)行正常通信，二是溫度傳感器DS18B20和煙霧傳感器MQ-2無(wú)法正常工作。針對(duì)第一個(gè)問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)主控某個(gè)探測(cè)終端無(wú)法得到回應(yīng)時(shí)，在下一個(gè)訪問(wèn)周期將會(huì)繼續(xù)訪問(wèn)并做累計(jì)，累計(jì)過(guò)程如果得到回應(yīng)即表示正常；當(dāng)累計(jì)的值超過(guò)訪問(wèn)上限就表示該探測(cè)端異常。而第二個(gè)問(wèn)題，系統(tǒng)先通過(guò)平均濾波算法，保證數(shù)據(jù)的可靠性，同時(shí)又監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，當(dāng)數(shù)據(jù)長(zhǎng)時(shí)間維持某一值不動(dòng)，又或者在很短的時(shí)間內(nèi)變化劇烈，就會(huì)向中心端發(fā)送異常警報(bào)，提示使用者注意。

圖3為探測(cè)端工作圖，圖4為主控工作圖。

2 系統(tǒng)硬件組成設(shè)計(jì)

測(cè)試系統(tǒng)硬件主要分為探測(cè)終端電路和中心處理端電路，中心處理端由于處理的數(shù)據(jù)過(guò)多，選用STM32F103ZET6芯片作為處理芯片[10]；而探測(cè)終端處理的數(shù)據(jù)較少，選用STC89C52RC芯片作為處理芯片。圖5為中心處理端結(jié)構(gòu)圖，圖6為探測(cè)端結(jié)構(gòu)圖。警報(bào)部分主要通過(guò)蜂鳴器和不同顏色的指示燈進(jìn)行報(bào)警工作。

通信芯片采用cc2530芯片[11]承擔(dān)主從設(shè)備之間的通信工作，cc2530芯片是TI公司推出最新一代ZigBee標(biāo)準(zhǔn)芯片，CC2530包括了極好性能的一流RF收發(fā)器，工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)增強(qiáng)性8051 MCU，因此它特別適合在低功耗無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。同時(shí)，cc2530通過(guò)串口與處理芯片進(jìn)行通信[12]。

圖3 探測(cè)端工作圖

圖4 中心處理端工作圖

圖5 中心處理端結(jié)構(gòu)圖

圖6 探測(cè)端結(jié)構(gòu)圖

中心處理端顯示部分，使用TFT-LCD顯示屏實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，TFT-LCD顯示屏是液晶顯示器中的一類重要代表，具有體積小，功耗低，顯示品質(zhì)優(yōu)良等諸多優(yōu)點(diǎn)，已成為當(dāng)前桌面顯示的主流[13]。

探測(cè)終端傳感器主要包括溫度傳感器DS18B20和煙霧傳感器MQ-2，它們分別用來(lái)監(jiān)控實(shí)際區(qū)域的溫度變化和煙霧濃度，將數(shù)據(jù)傳輸給探測(cè)終端芯片，探測(cè)終端收到數(shù)據(jù)后，為確保數(shù)據(jù)的可靠性，我們統(tǒng)計(jì)30次數(shù)據(jù)并求平均值，當(dāng)這些指標(biāo)超出預(yù)設(shè)值，探測(cè)端就會(huì)啟動(dòng)報(bào)警。

溫度傳感器DS18B20是DALLAS公司生產(chǎn)的單總線器件，具有線路簡(jiǎn)單、體積小的特點(diǎn)。通過(guò)一個(gè)端口即可實(shí)現(xiàn)通信，實(shí)際應(yīng)用中不需要外部任何元器件即可實(shí)現(xiàn)測(cè)溫，測(cè)量溫度范圍在－55～+125℃之間，數(shù)字溫度計(jì)的分辨率用戶可以從9位到12位選擇[14]。

煙霧傳感器MQ-2對(duì)不同種類、不同濃度的氣體具有不同的電阻值，文中測(cè)試實(shí)驗(yàn)中采用封裝好了FC-22模塊，通過(guò)ADC模塊將溫度的變化數(shù)值傳輸給單片機(jī)[15-17]。

3 測(cè)試效果

測(cè)試中我們模擬正常的使用，在同一系統(tǒng)接入3個(gè)探測(cè)終端設(shè)備，以監(jiān)控3個(gè)區(qū)域的溫度和煙霧濃度變化。當(dāng)設(shè)備接入系統(tǒng)中，在lCD顯示屏上看到成功標(biāo)志，設(shè)備就開(kāi)始正常工作，并且每隔3秒左右更新一次數(shù)據(jù)。

當(dāng)我們?nèi)藶榻o其中一個(gè)探測(cè)終端改變環(huán)境因素時(shí)，提升溫度或煙霧濃度達(dá)到異常值時(shí)，主控在極短的時(shí)間內(nèi)就開(kāi)始報(bào)警，并提示對(duì)應(yīng)探測(cè)端溫度或煙霧濃度異常。

當(dāng)我們給一個(gè)探測(cè)終端斷電或它的傳感器斷電時(shí)，幾秒過(guò)后，主控便開(kāi)始報(bào)警，并提示對(duì)應(yīng)探測(cè)終端工作異?；騻鞲衅鞴ぷ鳟惓?。

4 結(jié) 論

為減少火災(zāi)帶來(lái)的損失，實(shí)現(xiàn)對(duì)火災(zāi)隱患區(qū)的監(jiān)控，文中提出一套的無(wú)線火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)，并針對(duì)傳統(tǒng)火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)安裝維修困難、智能化程度低、適用范圍小的問(wèn)題，我們提出使用合理的工作管理機(jī)制、程序算法，并基于ZigBee無(wú)線傳輸?shù)臒o(wú)線火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)，從而使設(shè)備更加的系統(tǒng)化、人性化、合理化。測(cè)試結(jié)果也表明該系統(tǒng)體系行之有效，能及時(shí)反應(yīng)監(jiān)控設(shè)備和環(huán)境的狀態(tài)，從而達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求。

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Design of wireless fire alarm system

MAO Jie-ning，LI Mei，LUO Jing-yu
（School of Information Engineering，University of Geosciences（Beijing），Beijing 100083，China）

Fire disaster brought us immeasurable loss，and thus prevent the fire alarm has been one of the topics of concern at home and abroad.To solve problemsofthe traditional wired fire system，the authors propose a designofwireless fire alarm system based on ZigBee wireless technologyin this paper. The system uses wireless network architecture star topology，and itis divided into a central processing end and probing ends of the two parts.The central processing end use STM32F103ZET6 as the core，the probe end use STC89C52RC as the core，andthey combined with radio frequency chip CC2530 ZigBeebased technology，to achieve the need ofa wide range of regional fire monitoring and alarms.After research and testing show that the system is designed for low cost，high intelligence，stable and reliable performance.

wireless；fire alarm；intelligent；ZigBee

TN709

A

1674－6236（2017）07-0115-04

2016-06-09稿件編號(hào)：201606075

國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（41374185）；大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃項(xiàng)目（2015AB025）

毛杰寧（1995—），男，湖南婁底人。研究方向：電子信息處理。