倪建云, 張 薦, 解樹枝, 李子豪

(天津理工大學(xué) 天津市復(fù)雜系統(tǒng)控制理論及應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300384)

0 引 言

火災(zāi)是日常生活中最常見的自然災(zāi)害，具有可預(yù)測(cè)性差、蔓延速度快等特點(diǎn)[1]。由于火災(zāi)險(xiǎn)情頻繁發(fā)生，無法保證人們的生命和財(cái)產(chǎn)安全，造成了極大的生命和財(cái)產(chǎn)損失。人們?cè)絹碓絹碇匾暯ㄖ锘馂?zāi)的防范，同時(shí)對(duì)火災(zāi)預(yù)防報(bào)警與控制的技術(shù)水平要求也越來越高，火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)的需求量隨之也越來越大。火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)可以分為傳統(tǒng)的布線式和新興的無線式火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)兩大類。傳統(tǒng)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)[2]利用煙霧、CO、溫度傳感器檢測(cè)建筑物內(nèi)的環(huán)境狀況，從而感知火災(zāi)的出現(xiàn)，并進(jìn)行報(bào)警通知。雖然傳統(tǒng)報(bào)警系統(tǒng)在技術(shù)水平和實(shí)際應(yīng)用上都已十分完善和成熟，但是其存在著所有布線式系統(tǒng)的通病，功能單一、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、維護(hù)困難、設(shè)備利用周期端、成本高、功耗大、抗干擾能力差等缺點(diǎn)，這極大的降低了控制火災(zāi)的效率，很顯然這種系統(tǒng)已經(jīng)不適合現(xiàn)代的建筑系統(tǒng)的消防報(bào)警與監(jiān)控。

現(xiàn)在，隨著嵌入式、無線通信、傳感器技術(shù)的發(fā)展，為遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備的實(shí)現(xiàn)創(chuàng)造了條件[2-3]，使今后的監(jiān)控設(shè)備更加的智能化、網(wǎng)絡(luò)化，基于無線網(wǎng)絡(luò)的消防報(bào)警監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)也成為可能。無線傳輸?shù)姆绞浇鉀Q了在實(shí)際應(yīng)用中傳統(tǒng)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)所存在的錯(cuò)綜復(fù)雜的線路設(shè)計(jì)、施工與檢修困難、高故障率和誤報(bào)率等問題。本文結(jié)合ZigBee 無線通信技術(shù)與組態(tài)技術(shù)對(duì)現(xiàn)有的消防報(bào)警系統(tǒng)進(jìn)行了研究和改進(jìn)，設(shè)計(jì)基于CC2530芯片的協(xié)調(diào)器與終端節(jié)點(diǎn)，并搭建ZigBee多節(jié)點(diǎn)無線星型通信網(wǎng)絡(luò)。實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)傳送和后臺(tái)完善的人機(jī)監(jiān)控界面大幅提高了火災(zāi)報(bào)警監(jiān)控系統(tǒng)的火災(zāi)的數(shù)據(jù)處理能力和智能滅火的能力，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性、安全性。此系統(tǒng)具有維護(hù)簡(jiǎn)單方便、反應(yīng)迅速靈敏等優(yōu)點(diǎn)，為現(xiàn)在的火災(zāi)監(jiān)控提供了新思路。

1 火災(zāi)報(bào)警監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本文所設(shè)計(jì)的基于ZigBee的無線消防報(bào)警監(jiān)控系統(tǒng)主要由組態(tài)監(jiān)測(cè)平臺(tái)、人機(jī)交互界面、協(xié)調(diào)器、多個(gè)終端節(jié)點(diǎn)和報(bào)警控制器組成。組態(tài)技術(shù)設(shè)計(jì)的組態(tài)監(jiān)測(cè)平臺(tái)主要包括火災(zāi)報(bào)警界面、報(bào)警監(jiān)測(cè)主界面、數(shù)據(jù)報(bào)表、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)曲線以及連接DCS數(shù)據(jù)庫；實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的顯示、系統(tǒng)故障提示、遠(yuǎn)程火災(zāi)報(bào)警等。

協(xié)調(diào)器作為主控制器與終端節(jié)點(diǎn)的傳輸樞紐，與監(jiān)測(cè)界面平臺(tái)經(jīng)過串口進(jìn)行連接，主要任務(wù)是數(shù)據(jù)上傳與命令下達(dá)；終端節(jié)點(diǎn)通過控制器連接現(xiàn)場(chǎng)的報(bào)警裝置、檢測(cè)模塊、滅火裝置，通過已經(jīng)搭建的無線通信網(wǎng)絡(luò)將現(xiàn)場(chǎng)的溫度、煙霧濃度、CO濃度等參數(shù)[4-6]傳送至協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，并通過控制器控制現(xiàn)場(chǎng)的報(bào)警裝置，實(shí)現(xiàn)底層與上位操作界面結(jié)合的系統(tǒng)全面的火災(zāi)報(bào)警監(jiān)控?；?ZigBee無線消防報(bào)警監(jiān)控系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 消防報(bào)警監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)硬件構(gòu)成

系統(tǒng)硬件主要包括基于CC2530的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、終端節(jié)點(diǎn)硬件電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)主要由 CC2530芯片設(shè)計(jì)的電路板外接LCD顯示屏、天線、電源等模塊組成。終端節(jié)點(diǎn)主要由CC2530 芯片設(shè)計(jì)的電路板外接的溫度、CO濃度、煙霧濃度等傳感器和天線、控制器、報(bào)警裝置、電源等模塊組成。其中CC2530與PL2303HX連接如圖2所示。

圖2 CC2530與PL2303HX連接圖

2.1 煙霧傳感器

本文采用表面離子式N型半導(dǎo)體二氧化錫氣體敏感性材料構(gòu)成的MQ-2型煙霧傳感器，當(dāng)周圍環(huán)境溫度達(dá)到200～300 ℃時(shí)，空氣中的氧分子便會(huì)被二氧化錫所吸附，從而造成氧負(fù)離子的吸附，導(dǎo)致半導(dǎo)體中的電子密度降低，使電阻值極度增大。

當(dāng)與環(huán)境中煙氣、霧氣接觸時(shí)，煙霧會(huì)影響晶粒間隙處的勢(shì)壘，從而導(dǎo)致傳感器表面電導(dǎo)率變化。利用以上兩點(diǎn)即可準(zhǔn)確的獲得空氣種煙霧的存在，并且煙霧濃度越大，輸出電阻越小，從而實(shí)現(xiàn)環(huán)境煙霧的檢測(cè)。MQ-2煙霧傳感器電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 煙霧傳感器電路設(shè)計(jì)

2.2 溫濕度與CO傳感器

MQ-9型CO氣體傳感器主要用來監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)CO濃度，實(shí)現(xiàn)氣體與煙霧的雙重監(jiān)測(cè)，利用其良好的穩(wěn)定性和靈敏性，使得火災(zāi)監(jiān)控更加準(zhǔn)確高效。當(dāng)空氣中的CO通過氣孔和透氣膜擴(kuò)散到傳感器的工作電極表面上時(shí)，在電極的催化作用下，CO氣體在電極上發(fā)生氧化，通過一系列化學(xué)反應(yīng)，電極上便會(huì)產(chǎn)生電位差，從而氣體傳感器就會(huì)產(chǎn)生出一定大小的電流，再利用參比電極來維持兩個(gè)電極間電流穩(wěn)定，其電流大小與氣體濃度成正比關(guān)系。

因此，再在氣體傳感器外接相應(yīng)的轉(zhuǎn)換和輸出電路，通過測(cè)量傳感器輸出電流的大小從而檢測(cè)出空氣中的CO濃度，實(shí)現(xiàn)對(duì)CO濃度檢測(cè)。溫濕度的檢測(cè)則是利用DS18B20的穩(wěn)定性和精確性的特點(diǎn)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的溫度、濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。MQ-9 CO濃度傳感器電路設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 MQ-9電路設(shè)計(jì)

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)包括基于ZigBee協(xié)議的多個(gè)終端節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器的星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的組網(wǎng)程序設(shè)計(jì)；采集環(huán)境信息的固件程序的編寫；利用IAR Embedded Workbench IDE開發(fā)軟件和SmartRF04EB仿真器進(jìn)行程序設(shè)計(jì)與調(diào)試工作；基于組態(tài)技術(shù)的組態(tài)監(jiān)測(cè)界面、人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)以及驅(qū)動(dòng)程序的編寫。

3.1 ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議與網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

ZigBee協(xié)議雖然是基于IEEE802.15.4，但其不僅能處理IEEE能處理的MAC層和物理層協(xié)議，同時(shí)也對(duì)網(wǎng)絡(luò)層(NWK)和應(yīng)用程序編程接口進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化[7-8]。此外，ZigBee堆棧擁有IEEE所不具有堆棧層：應(yīng)用層(APS)、安全套接層(SSL)等。

ZigBee所包含的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[9-10]主要有星形、網(wǎng)狀型、簇狀型3種網(wǎng)絡(luò)模型。在ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)中，不同的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵?duì)應(yīng)于不同的應(yīng)用領(lǐng)域，對(duì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的配置也不同。本系統(tǒng)采用的星形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是利用多個(gè)終端節(jié)點(diǎn)和一個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行組合，形成類似發(fā)散型的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｐ头诸惾鐖D5所示。

圖5 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｐ?/p>

3.2 消防報(bào)警監(jiān)控系統(tǒng)主程序

在主程序中，首先進(jìn)行的是終端節(jié)點(diǎn)上所集成的傳感器、報(bào)警、控制器等模塊的初始化；隨后進(jìn)行無線網(wǎng)絡(luò)ZigBee協(xié)議初始化，并將系統(tǒng)中的所有終端節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器加入到無線網(wǎng)絡(luò)中；通過查詢單個(gè)終端上的溫度和CO濃度，確定組網(wǎng)是否成功。查詢報(bào)文與響應(yīng)報(bào)文組成如表1、2所示。

表1 查詢報(bào)文

表2 響應(yīng)報(bào)文

成功組網(wǎng)后進(jìn)入火災(zāi)報(bào)警程序中，終端節(jié)點(diǎn)傳感器檢測(cè)CO濃度、溫度、煙霧濃度信息。根據(jù)傳感器所采集檢測(cè)到的信息，處理器進(jìn)行判斷、分析是否有火災(zāi)發(fā)生，若是數(shù)據(jù)異常，現(xiàn)場(chǎng)報(bào)警響起，主控制器并控制消防設(shè)備進(jìn)行滅火；若是數(shù)據(jù)無異常則系統(tǒng)延時(shí)60 s后繼續(xù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。主程序設(shè)計(jì)流程如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)主程序流程

3.3 程序設(shè)計(jì)

程序設(shè)計(jì)基于IAR Embedded Workbench IDE開發(fā)平臺(tái)，運(yùn)用模塊化編程[11]的思想，分別是系統(tǒng)初始化、無線網(wǎng)絡(luò)組建、數(shù)據(jù)處理等功能模塊。系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信結(jié)構(gòu)如圖7所示。

(1) 系統(tǒng)初始化。主要是對(duì)終端節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)

圖7 數(shù)據(jù)通信結(jié)構(gòu)

數(shù)成員如下所示：

osal_int_disable( )；//首先關(guān)閉所有的中斷。

HAL_BOARD_INIT()；//初始化底層的相關(guān)硬件。

zmain_ram_init()；//初始化棧內(nèi)存。

InitBoard(OB_COLD)；//初始化 I/O。

HalDriverInit()；//初始化HAL層驅(qū)動(dòng)。

osal_nv_init( NULL)；//初始化NV系統(tǒng)。

ZMacInit()；//初始化MAC層。

osal_init_system()；//初始化運(yùn)行系統(tǒng)。 osal_int_enable(INTS_ALL)；//開啟中斷。

(2) 無線網(wǎng)絡(luò)組建。搭建多個(gè)終端節(jié)點(diǎn)與一個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的星型無線網(wǎng)絡(luò)模型[12]。該類主要函數(shù)成員如下所示：

Void SampleApp_Init(unit8 task_id)；//配置串口。

MT_UartInit()；//串口初始化。

MT_UartRegisterTaskID(task_id)；//注冊(cè)串口任務(wù)。

HalUARTWrite(0,”UartInit-OK ”,sizeof(“UartInit -OK ”))；//串口配置成功。

SampleApp_ProcessEvent()；//進(jìn)程處理函數(shù)。

SampleApp_SendPeriodicMessage()；//信息發(fā)送函數(shù)。

SampleApp_MessageMSGCB(afIncomingMSGPacket_t *pkt)；//信息接收函數(shù)。

(3) 數(shù)據(jù)處理。組態(tài)監(jiān)測(cè)平臺(tái)通過決策算法對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)估.

DataFiltering()：//數(shù)據(jù)去燥處理函數(shù)。

GetDataFromCorN()：//評(píng)估算法的數(shù)據(jù)是從協(xié)調(diào)器器獲取，并將數(shù)據(jù)保存在WriteData。

SaveDataToTXT()：//數(shù)據(jù)保存，實(shí)現(xiàn)TXT文檔存儲(chǔ)。

4 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)與運(yùn)行

系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)主要包括協(xié)調(diào)器、終端節(jié)點(diǎn)的硬件連接，組態(tài)監(jiān)測(cè)界面的設(shè)計(jì)和人機(jī)操作界面的設(shè)計(jì)等。

4.1 協(xié)調(diào)器與終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

分析協(xié)調(diào)器與終端節(jié)點(diǎn)在系統(tǒng)中的作用，將各個(gè)模塊與利用CC2530所設(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接，測(cè)試。各模塊的連接如圖8所示。

終端節(jié)點(diǎn)主要連接煙霧、溫度、CO傳感器等組成的檢測(cè)模塊[12-13]、控制器、報(bào)警裝置、外設(shè)天線等模塊；協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)作為傳輸紐帶主要連接LCD顯示屏和天線兩個(gè)模塊。硬件設(shè)計(jì)如圖9所示。

圖8 模塊連接圖示意圖

圖9 協(xié)調(diào)器與終端節(jié)點(diǎn)

4.2 組態(tài)監(jiān)測(cè)界面設(shè)計(jì)

組態(tài)設(shè)計(jì)軟件[14-16]的適應(yīng)能力強(qiáng)、開放程度高、擴(kuò)展方便、工程開發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)，使其在上位機(jī)監(jiān)控界面的設(shè)計(jì)中應(yīng)用非常廣泛。本文所設(shè)計(jì)的消防報(bào)警監(jiān)控系統(tǒng)可以劃分為底層檢測(cè)層、連接層、操作監(jiān)控層。其中連接層下連接檢測(cè)層，上連接監(jiān)控層，在系統(tǒng)中作為底檢測(cè)層與監(jiān)控層的通信紐帶，主要作用上傳檢測(cè)信息與命令下達(dá)。連接如圖10所示。

圖10 連接示意圖

通過對(duì)消防系統(tǒng)要求及實(shí)現(xiàn)功能的分析，尤其考慮三方面問題：界面簡(jiǎn)單明了、數(shù)據(jù)呈現(xiàn)完整、動(dòng)畫實(shí)時(shí)顯示。本文中的操作界面主要是基于組態(tài)王進(jìn)行設(shè)計(jì)的，充分調(diào)用類似Windows的圖形界面的編輯功能，構(gòu)成實(shí)時(shí)組態(tài)監(jiān)控界面，結(jié)合實(shí)時(shí)報(bào)警窗口、歷史趨勢(shì)曲線、生成實(shí)時(shí)和歷史報(bào)表等等，以動(dòng)態(tài)的方式呈現(xiàn)控制設(shè)備的工作狀態(tài)、數(shù)據(jù)變化等。人機(jī)交互界面如圖11所示。

4.3 消防報(bào)警記錄界面

主要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的CO濃度、煙霧濃度和溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，設(shè)置溫度值、CO和煙濃度報(bào)警參數(shù)，并設(shè)計(jì)相應(yīng)的狀態(tài)顯示燈，當(dāng)這些參數(shù)超標(biāo)時(shí)，顯示燈為紅色，正常時(shí)為綠色；經(jīng)測(cè)試各個(gè)傳感器工作正常，數(shù)值誤差較小。具體報(bào)警結(jié)果記錄界面如圖12所示。

圖11 系統(tǒng)組態(tài)監(jiān)測(cè)界面設(shè)計(jì)

圖12 消防報(bào)警記錄界面

5 結(jié) 語

將CC2530單片機(jī)與組態(tài)技術(shù)相結(jié)合，對(duì)系統(tǒng)從底層到上位進(jìn)行完整的設(shè)計(jì)，底層主要是利用檢測(cè)模塊、報(bào)警裝置等模塊與CC2530單片機(jī)結(jié)合，設(shè)計(jì)了底層檢測(cè)結(jié)構(gòu)。基于ZigBee協(xié)議組建網(wǎng)絡(luò)，搭建多終端節(jié)點(diǎn)與單一協(xié)調(diào)器的星型網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線網(wǎng)絡(luò)通信。協(xié)調(diào)器與組態(tài)監(jiān)測(cè)界面平臺(tái)通過串口進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)從底層到上位的傳輸。再利用組態(tài)技術(shù)設(shè)計(jì)組態(tài)監(jiān)測(cè)界面、人機(jī)操作界面、報(bào)警記錄界面等等，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)系統(tǒng)底層與上位機(jī)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的傳送與報(bào)警功能。經(jīng)試運(yùn)行，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，響應(yīng)迅速，良好的人機(jī)交互界面，能很好的實(shí)現(xiàn)無線消防報(bào)警監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控與遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。

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