孫海莉
(西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陜西 西安710014)
基于ZigBee的煙霧檢測(cè)火災(zāi)報(bào)警傳感節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)研究
孫海莉
(西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陜西 西安710014)
火災(zāi)不僅嚴(yán)重威脅著人們的生命財(cái)產(chǎn)安全,更影響著社會(huì)的穩(wěn)定和發(fā)展,而在當(dāng)前城市化進(jìn)程不斷加快,城市人口密度不斷增大,建筑高度迅速增加的前提下,火災(zāi)所造成的威脅更是難以估量。本文從控制和預(yù)防火災(zāi)事故的目的出發(fā),基于ZigBee技術(shù),提出了一種煙霧檢測(cè)火災(zāi)報(bào)警傳感節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)方案,同時(shí)結(jié)合相應(yīng)的可靠性試驗(yàn),對(duì)方案的可行性和可靠性進(jìn)行了論證,使得系統(tǒng)能夠自動(dòng)采集煙霧信號(hào),發(fā)送報(bào)警信息,從而及時(shí)對(duì)火災(zāi)隱患進(jìn)行排除,確保安全。
ZigBee;煙霧檢測(cè);火災(zāi)報(bào)警;傳感節(jié)點(diǎn)
在高層建筑中,一旦發(fā)生火災(zāi)事故,所造成的危害可以說(shuō)是毀滅性的,加上火災(zāi)探測(cè)信號(hào)自身的多變性、復(fù)雜性以及傳統(tǒng)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)中存在的缺陷,誤報(bào)和漏報(bào)現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生,使得人們“談火色變”。對(duì)此,相關(guān)技術(shù)人員加強(qiáng)了對(duì)于火災(zāi)探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)的研究,在很大程度上提升了系統(tǒng)的智能化水平,對(duì)于預(yù)防火災(zāi)隱患,保障人們的生命財(cái)產(chǎn)安全有著重要意義。
ZigBee技術(shù)是一種雙向無(wú)線通訊技術(shù),適用于自動(dòng)控制以及遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域,可以嵌入到各種設(shè)備中[1]。ZigBee技術(shù)具有幾個(gè)非常顯著的特點(diǎn),一是低功耗,與其他短距離無(wú)線通信技術(shù)相比,ZigBee技術(shù)的傳輸速率相對(duì)較低,其發(fā)射功率僅僅為1mW,結(jié)合休眠模式,使得相關(guān)設(shè)備的功耗極低,甚至僅僅依靠?jī)晒?jié)普通的5號(hào)電池就能夠待機(jī)6個(gè)月到2年的時(shí)間;二是低成本,ZigBee模塊的成本僅僅為6美元左右,也就是不到40元,而且其協(xié)議免除了專利費(fèi),進(jìn)一步降低了技術(shù)運(yùn)用的成本;三是短時(shí)延,無(wú)論是通信時(shí)延又或者從休眠狀態(tài)激活的時(shí)延都非常短,以活動(dòng)設(shè)備為例,其接入信道的時(shí)延僅僅為15 ms,因此適用于對(duì)于時(shí)延要求相對(duì)苛刻的無(wú)線控制應(yīng)用,如工業(yè)控制、報(bào)警系統(tǒng)等[2];四是高可靠,在技術(shù)中采用了免沖撞機(jī)制,而且為一些固定帶寬的業(yè)務(wù)預(yù)留出了專用時(shí)隙,從而有效避免了數(shù)據(jù)在發(fā)送過(guò)程中的競(jìng)爭(zhēng)和沖突。結(jié)合完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸模式,每一個(gè)發(fā)送的數(shù)據(jù)包都需要由接收方確認(rèn)后才能發(fā)出,在傳輸過(guò)程中如果出現(xiàn)了問(wèn)題,也可以重新進(jìn)行發(fā)送;五是安全性,在ZigBee技術(shù)中提供了一種基于循環(huán)冗余校驗(yàn)的檢索功能,能夠?qū)?shù)據(jù)包的完整性進(jìn)行檢查,結(jié)合高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)的加密處理,能夠有效保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩玔3]。
2.1 設(shè)計(jì)方案
煙霧檢測(cè)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)包括了兩個(gè)主要組成部分,一是煙霧檢測(cè)傳感節(jié)點(diǎn),能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)特定區(qū)域內(nèi)煙霧信息的檢測(cè),結(jié)合相應(yīng)的分析模塊,對(duì)是否存在火情做出準(zhǔn)確判斷,同時(shí)向網(wǎng)關(guān)發(fā)送相應(yīng)的報(bào)警信息;二是家庭網(wǎng)關(guān)服務(wù)器,屬于一種智能化的信息處理系統(tǒng),可以將接收到的報(bào)警信息利用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)或者互聯(lián)網(wǎng),自動(dòng)轉(zhuǎn)發(fā)給小區(qū)物業(yè)、業(yè)主和消防部門(mén),從而確保對(duì)火情的及時(shí)處理。
2.2 硬件設(shè)計(jì)
在該系統(tǒng)中,煙霧傳感器節(jié)點(diǎn)包括了3個(gè)基本模塊,分別是MQ-2煙霧傳感器模塊、MCU模塊以及無(wú)線通信模塊[4]。
煙霧傳感器模塊包括了MQ-2煙霧傳感器以及LM393電壓比較器,其中,MQ-2煙霧傳感器由微型Al2O3陶瓷管、SnO2敏感層、測(cè)量電極和加熱器等部件構(gòu)成,測(cè)量電極與加熱器共同構(gòu)成了敏感元件,固定在腔體內(nèi),通過(guò)加熱器的加熱,使得氣敏元件處于相對(duì)穩(wěn)定的工作狀態(tài)。煙霧傳感器模塊的整體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。
圖1 煙霧傳感器模塊
MQ-2煙霧傳感器的工作電壓為5 V直流電,依照煙霧濃度輸出對(duì)應(yīng)的模擬電壓(0~5 V)。為了方便MCU模塊進(jìn)行報(bào)警處理,以LM393電壓比較器對(duì)MQ-2輸出的模擬電壓與正常情況下其輸出的閾值電壓進(jìn)行比較分析,同時(shí)輸出二值數(shù)字信號(hào)[5]。如果模擬電壓不超過(guò)閾值電壓,則LM393的輸出值為1,表示沒(méi)有火災(zāi)發(fā)生,反之,LM393的輸出值為0,表示存在有火災(zāi)事故。
為了對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行簡(jiǎn)化,確保系統(tǒng)運(yùn)行的高可靠性和高安全性,選擇無(wú)線單片機(jī)CC2430構(gòu)建相應(yīng)的MCU模塊和無(wú)線通信模塊。無(wú)線單片機(jī)CC2430集成了一個(gè)小巧高效的工業(yè)級(jí)控制器,采用8位MCU、128位可編程閃存以及具備8個(gè)獨(dú)立通道的14位模數(shù)轉(zhuǎn)換器,同時(shí)設(shè)置有21個(gè)可編程I/O引腳和2個(gè)可編程UART,用于主/從SPI[6]。CC2430芯片符合了ZigBee技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),同時(shí)采用了2.4 GHz射頻系統(tǒng),適合作為協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、路由器節(jié)點(diǎn)以及終端設(shè)備的核心部件。在接收和發(fā)射模式下,電流損耗分別為27 mA和25 mA,功耗極低。
通過(guò)這樣的配置,單片機(jī)能夠通過(guò)盡可能少的外圍器件,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和處理,構(gòu)建多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)[7]。
煙霧檢測(cè)傳感節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2 煙霧檢測(cè)傳感節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)
結(jié)合單片機(jī)CC2430內(nèi)部MCU的通用IO引腳,可以對(duì)煙霧傳感器模塊發(fā)送的報(bào)警信號(hào)進(jìn)行接收,然后通過(guò)單片機(jī)內(nèi)部的射頻模塊,將接收到的報(bào)警信息發(fā)送給家庭網(wǎng)關(guān)。
2.3 軟件設(shè)計(jì)
在煙霧檢測(cè)火災(zāi)報(bào)警傳感節(jié)點(diǎn)中,硬件設(shè)備提供了基本的系統(tǒng)構(gòu)架,而軟件則關(guān)系著系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn),必須得到技術(shù)人員的高度重視。這里采用Z-stack協(xié)議進(jìn)行軟件的開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì),該協(xié)議滿足ZigBee2006規(guī)范,能夠同時(shí)支持多種軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)[8],其中就包括了面向ZigBee的CC2430片上系統(tǒng)、基于CC2430收發(fā)器的新平臺(tái)以及TI的MSP43超低功耗 MCU,Z-stack協(xié)議的運(yùn)行開(kāi)發(fā)環(huán)境為 IAR Embedded Workbench 7.30B,這是一個(gè)嵌入式、高度靈活的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境,適用于8位、16位和32位微處理器和微控制器的軟件開(kāi)發(fā)[9]。傳感器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)流程如圖3所示。
圖3 傳感器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)流程圖
在火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)中,煙霧檢測(cè)傳感節(jié)點(diǎn)的軟件包括了數(shù)據(jù)采集模塊、火災(zāi)報(bào)警模塊以及查詢模塊,其中,數(shù)據(jù)采集模塊的主要作用,是對(duì)系統(tǒng)管轄區(qū)域內(nèi)的設(shè)置的煙霧傳感器模塊輸出的二值數(shù)字信號(hào)進(jìn)行采集和整理,并將其存儲(chǔ)到內(nèi)存中,為煙霧檢測(cè)以及火災(zāi)判斷提供必要的數(shù)據(jù)支持[10];火災(zāi)報(bào)警模塊中需要預(yù)先設(shè)置相應(yīng)的閾值,將接收到的二值數(shù)字信號(hào)與其進(jìn)行對(duì)比分析,從而判斷是否存在火情,是否需要發(fā)出報(bào)警信息。如果檢測(cè)到火情,則火災(zāi)報(bào)警模塊會(huì)立即調(diào)用ZigBee無(wú)線通信模塊,向家庭網(wǎng)關(guān)發(fā)送相應(yīng)的火災(zāi)報(bào)警信息,如果必要,也會(huì)同時(shí)向小區(qū)物業(yè)以及消防部門(mén)發(fā)送報(bào)警信息,并驅(qū)動(dòng)蜂鳴器發(fā)出警報(bào);如果檢測(cè)后發(fā)現(xiàn)信號(hào)正常,則會(huì)繼續(xù)對(duì)下一個(gè)接收到的二值數(shù)字信號(hào)進(jìn)行對(duì)比、判斷和處理[11];查詢模塊的主要作用,是方便人們對(duì)相應(yīng)的信息進(jìn)行查詢,相應(yīng)家庭網(wǎng)關(guān)的查詢請(qǐng)求。在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中,如果服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)查詢請(qǐng)求,則ZigBee無(wú)線接收模塊在接收到相應(yīng)的請(qǐng)求信號(hào)后,會(huì)對(duì)其進(jìn)行分析和處理,然后調(diào)用ZigBee無(wú)線發(fā)送模塊,將當(dāng)前傳感節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)信息發(fā)送給服務(wù)器[12]。
傳感器節(jié)點(diǎn)在設(shè)定好的采集周期內(nèi)采集溫度數(shù)據(jù),其余時(shí)間處于低能耗狀態(tài),直到采集數(shù)據(jù)事件的觸發(fā)。在軟件設(shè)計(jì)環(huán)節(jié),單片機(jī)對(duì)于DS18B20的訪問(wèn)包括了初始化序列、ROM指令處理、操作存儲(chǔ)器命令發(fā)送、讀取溫度數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)處理,需要設(shè)計(jì)人員結(jié)合傳感器節(jié)點(diǎn)的具體運(yùn)行需求,對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行合理設(shè)置。
實(shí)際上,為了方便對(duì)系統(tǒng)的操作,在軟件設(shè)計(jì)中,還需要進(jìn)行客戶端的設(shè)計(jì)。采用VB6.0編寫(xiě)相應(yīng)的圖形用戶界面,通過(guò)該界面,用戶可以實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的管理和操作。例如,結(jié)合相應(yīng)的監(jiān)控界面,可以實(shí)時(shí)了解不同區(qū)域火災(zāi)報(bào)警指示燈的狀態(tài),當(dāng)火情發(fā)生時(shí),相應(yīng)的指示燈迅速亮起,提醒用戶注意。而當(dāng)協(xié)調(diào)器對(duì)相應(yīng)的信息進(jìn)行確認(rèn),判斷有火災(zāi)發(fā)生時(shí),會(huì)發(fā)出警報(bào)信息。為了便于操作,減少誤報(bào)問(wèn)題,在界面上設(shè)置有遠(yuǎn)程連接按鈕、串口設(shè)置欄、手動(dòng)報(bào)警按鈕以及相應(yīng)的報(bào)警解除按鈕[13]。
想要對(duì)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的可行性和可靠性進(jìn)行檢驗(yàn),最為簡(jiǎn)單同時(shí)也最為有效的辦法,就是進(jìn)行相應(yīng)的模擬實(shí)驗(yàn),結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果,對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的評(píng)估和調(diào)整。
煙霧檢測(cè)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)主要包括了煙霧檢測(cè)傳感節(jié)點(diǎn)以及家庭網(wǎng)關(guān)模擬器,而家庭網(wǎng)關(guān)模擬器則由液晶顯示器、鍵盤(pán)、蜂鳴器以及無(wú)線單片機(jī)CC2430共同組成。開(kāi)展實(shí)驗(yàn)的主要目標(biāo),是對(duì)報(bào)警系統(tǒng)的煙霧檢測(cè)功能、報(bào)警功能、信號(hào)傳輸功能以及查詢功能進(jìn)行測(cè)試,看起是否存在故障和問(wèn)題,是否具備良好的可靠性和穩(wěn)定性[14]。
在實(shí)驗(yàn)中,應(yīng)該選擇空房間,模擬實(shí)際環(huán)境,并配備相應(yīng)的滅火器,以確保實(shí)驗(yàn)安全。具體來(lái)講,首先應(yīng)該在煙霧檢測(cè)傳感節(jié)點(diǎn)附近,制造出煙霧,并逐步提升煙霧的濃度,對(duì)其報(bào)警情況進(jìn)行觀察。當(dāng)煙霧濃度達(dá)到了報(bào)警值后,判斷其是否屬于可控火情,如果此時(shí)火情較大,則應(yīng)該適當(dāng)降低報(bào)警值。然后,通過(guò)家庭網(wǎng)關(guān)模擬器,模擬家庭網(wǎng)關(guān)向煙霧檢測(cè)傳感節(jié)點(diǎn)發(fā)送相應(yīng)的查詢請(qǐng)求,確保網(wǎng)關(guān)模擬器能夠及時(shí)準(zhǔn)確地接收傳感節(jié)點(diǎn)的反饋信息[15]。
綜上所述,火災(zāi)所造成的危害是非常嚴(yán)重的,做好火災(zāi)預(yù)警工作,提前對(duì)火災(zāi)進(jìn)行應(yīng)對(duì)和處理,是保障人們生命財(cái)產(chǎn)安全的關(guān)鍵。本文基于ZigBee技術(shù),提出了一種面向智能家庭的煙霧檢測(cè)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng),對(duì)其傳感節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了設(shè)計(jì),介紹了系統(tǒng)的硬件構(gòu)成和軟件實(shí)現(xiàn),并通過(guò)相應(yīng)的試驗(yàn),對(duì)系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行了檢驗(yàn),具備良好的應(yīng)用價(jià)值。
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Smoke detection based on ZigBee fire alarm sensor node design research
SUN Hai-li
(Xi'an Railway Vocational and Technical College,Xi'an 710014,China)
Fire is not only a serious threat to the safety of people's lives and property,but also affects the social stability and development,and accelerated constantly in the process of urbanization,urban population density increasing,under the precondition of building height increases rapidly,threat caused by fire is difficult to assess.The from the control and prevention of fire accidents of based on ZigBee technology proposed a smoke detection fire alarm sensor node design,combined with the corresponding reliability test,demonstrates the feasibility and reliability of the scheme,so that the system can automatically collect smoke signal and send alarm information,and timely on the fire hazard were excluded,to ensure safety.
ZigBee;smoke detection;fire alarm;sensor nodes
TN99
A
1674-6236(2017)10-0081-03
2016-04-27稿件編號(hào):201604267
孫海莉(1980—),女,河南洛陽(yáng)人,講師。研究方向:電子通信工程專業(yè)研究(鐵道車(chē)輛專業(yè))。