摘要：結(jié)合消防部隊(duì)對(duì)處置可燃?xì)怏w泄漏事故的作戰(zhàn)需要，提出一種基于Zigbee的多點(diǎn)布設(shè)式可燃?xì)怏w檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，以CC2530為基礎(chǔ)組建無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)對(duì)各個(gè)子節(jié)點(diǎn)所監(jiān)測(cè)到信息進(jìn)行無(wú)線傳輸，實(shí)現(xiàn)對(duì)災(zāi)害事故區(qū)域內(nèi)可燃?xì)怏w濃度的可視化監(jiān)測(cè)，為消防部隊(duì)的滅火作戰(zhàn)和戰(zhàn)斗預(yù)警提供有效的參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：Zigbee；多點(diǎn)布設(shè)；可燃?xì)怏w；檢測(cè)系統(tǒng)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展日新月異、人民生活水平穩(wěn)步提升，工業(yè)發(fā)展速度與規(guī)模也在不斷增大，與此同時(shí)，消防部隊(duì)面臨工業(yè)火災(zāi)時(shí)也遇到越來越多的挑戰(zhàn)。液化石油氣（LPG）作為重要的化工原料和潔凈的燃料，被廣泛地運(yùn)用到工業(yè)領(lǐng)域和民用領(lǐng)域。但近年來LPG在生產(chǎn)、運(yùn)輸、儲(chǔ)存和使用過程中發(fā)生多起泄露事故，其易燃性、易爆性嚴(yán)重威脅人民的生命財(cái)產(chǎn)安全和消防員的生命安全。如表1所示，近年來發(fā)生的LPG泄露事故。消防部隊(duì)在處置此類災(zāi)害事故時(shí)，最重要的工作就是保證災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)偵察工作順利進(jìn)行，為指揮員作戰(zhàn)力量的部署提供判斷依據(jù)。針對(duì)此類問題，本文設(shè)計(jì)開發(fā)基于Zigbee的多點(diǎn)布設(shè)式可燃?xì)怏w檢測(cè)裝置，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)事故區(qū)域內(nèi)的可燃?xì)怏w的濃度信息，并在后臺(tái)實(shí)現(xiàn)可視化監(jiān)測(cè)，為指揮員提供災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)的預(yù)警信息和可燃?xì)怏w濃度變化情況。

一、系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案

多點(diǎn)布設(shè)式可燃?xì)怏w檢測(cè)系統(tǒng)包括子節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)和終端系統(tǒng)三部分組成，其中子節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)利用Zigbee進(jìn)行組網(wǎng)，主要功能是收集檢測(cè)點(diǎn)的溫度、濕度、可燃?xì)怏w濃度和地理位置坐標(biāo)；網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)是子節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)和終端系統(tǒng)的門戶，用于信息的傳遞，以保證子節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)所搜集信息的上傳和終端系統(tǒng)數(shù)據(jù)的下傳；終端系統(tǒng)是用于展示所搜集數(shù)據(jù)的可視化平臺(tái)，以數(shù)字和地圖的形式展示所探測(cè)到的所有數(shù)據(jù)信息。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

二、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)子節(jié)點(diǎn)是組成多點(diǎn)布設(shè)式可燃?xì)怏w檢測(cè)系統(tǒng)的基本單元，是整個(gè)可燃?xì)怏w檢測(cè)系統(tǒng)的核心。無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)子節(jié)點(diǎn)主要工作是完成信息的采集和數(shù)據(jù)的傳輸。無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)子節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)包括無(wú)線通信模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、溫濕度采集模塊、可燃?xì)怏w濃度采集模塊、地理位置采集模塊、報(bào)警包塊和電源模塊等，其具體實(shí)物圖如2所示。

1.CC2530模塊

CC2530是專門針對(duì)IEEE802.15.4和Zigbee應(yīng)用采取的單芯片解決方案，具備經(jīng)濟(jì)、高效和節(jié)能的特點(diǎn)。CC2530包含四種不同的版本：CC2530-F32/64/128/256。分別帶有32/64/128/256KB的閃存空間；它整合了全集成的高效射頻收發(fā)機(jī)及業(yè)界規(guī)范的增強(qiáng)型8051微控制器，8KB的RAM和其它合適的支撐功能和外設(shè)。

主要特點(diǎn)：

（1）支持無(wú)線閃存和高效的擦除周期，便于系統(tǒng)的更新；

（2）8kB RAM用于更為復(fù)雜的應(yīng)用和Zigbee應(yīng)用；

（3）可編程輸出功率達(dá)+4dBm；

（4）具有較低電量損耗，支持系統(tǒng)的超長(zhǎng)運(yùn)行；

（5）具有強(qiáng)大的地址甄別和數(shù)據(jù)包處理整合引擎。

實(shí)物如圖3所示。

2.溫濕度檢測(cè)模塊

本設(shè)計(jì)所選用的溫濕度傳感器為DHT11型號(hào)傳感器，它是一種具有輸出數(shù)字信號(hào)的傳感器模塊，該傳感器具有較強(qiáng)專業(yè)性的數(shù)字采集技術(shù)以及溫濕傳感基礎(chǔ)，無(wú)論可靠性還是穩(wěn)定性都較強(qiáng)。實(shí)物如圖4所示。

3.可燃?xì)怏w濃度檢測(cè)模塊

本設(shè)計(jì)選用的可燃?xì)怏w傳感器為MQ-7氣體傳感器，該傳感器具有較強(qiáng)的氣敏材料，其材料使用的是在純凈的空氣中導(dǎo)電率較低的二氧化錫。當(dāng)該氣體傳感器所處環(huán)境中含有一定可燃?xì)怏w時(shí)，傳感器的導(dǎo)電率將發(fā)生變化，并且隨著可燃?xì)怏w濃度的變化而變化。不需要復(fù)雜電路，只需要利用較為簡(jiǎn)單的電路便可實(shí)現(xiàn)將電導(dǎo)率的變換轉(zhuǎn)變成為對(duì)氣體濃度的電反應(yīng)，并以信號(hào)輸出的方式進(jìn)行顯示。據(jù)了解，該傳感器可以檢測(cè)多類可燃?xì)怏w，是一款實(shí)用性強(qiáng)，性價(jià)比高的氣體傳感器。實(shí)物如圖5所示。

4.GPS定位監(jiān)測(cè)模塊

本次設(shè)計(jì)運(yùn)用了itrax02GPS接收定位模塊，其體積較小，并且功耗最低，并且能實(shí)現(xiàn)從休眠到精準(zhǔn)定位僅需要8秒鐘時(shí)間，其芯片采用嵌入設(shè)計(jì)，可直接繼承與PCB板上，最大限制的節(jié)省了空間。實(shí)物如圖6所示。

三、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

1.程序開發(fā)環(huán)境IAR

IAREmbeddedWorkbench是一套開發(fā)工具，用于對(duì)匯編、C或C++編寫的嵌入式應(yīng)用程序進(jìn)行編譯和調(diào)試。該集成開發(fā)環(huán)境包含了IAR的C/C++編譯器，匯編器，鏈接器，文件管理器，文本編輯器，工程管理器和C-SPY調(diào)試器。通過其內(nèi)置的針對(duì)不同芯片的代碼優(yōu)化器，IAREmbeddedWorkbench可以為ARM芯片生成非常高效和可靠的FLASH/PROMable代碼。IAR的用戶界面如圖7所示。

2.網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)工作流程

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)為Zigbee網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器，主要實(shí)現(xiàn)功能如下：

（1）將覆蓋區(qū)域內(nèi)所有的子節(jié)點(diǎn)建立Zigbee網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)信息互通；

（2）接收由終端提供給各個(gè)子節(jié)點(diǎn)的配置數(shù)據(jù)，并發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有的子節(jié)點(diǎn)；

（3）接收各個(gè)子節(jié)點(diǎn)所上傳的信息，包括氣體濃度、溫濕度、地理坐標(biāo)等信息；

（4）終端對(duì)所上傳的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行修正，并根據(jù)事先設(shè)定的報(bào)警濃度對(duì)子節(jié)點(diǎn)發(fā)送相應(yīng)的報(bào)警信號(hào)；

（5）子節(jié)點(diǎn)根據(jù)事先設(shè)定的時(shí)間對(duì)所其處位置的濃度、地理坐標(biāo)、溫濕度等信息進(jìn)行實(shí)時(shí)跟新上傳。

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)工作流程圖如圖8所示。

3.子節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)工作流程

該系統(tǒng)中每個(gè)采集節(jié)點(diǎn)的主要功能包括溫濕度和可燃?xì)怏w濃度的采集、節(jié)點(diǎn)地理位置坐標(biāo)信息的采集和實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)報(bào)警功能等。當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)后，子節(jié)點(diǎn)會(huì)自動(dòng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)組建，與此同時(shí)子節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)上傳感器會(huì)自動(dòng)采集相應(yīng)區(qū)域的可燃?xì)怏w濃度、溫度、濕度以及地理位置坐標(biāo)等信息。無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)組建成功后，子節(jié)點(diǎn)會(huì)利用組建的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息的上傳，最終由網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信息的匯總后上傳終端，子節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)按照實(shí)現(xiàn)設(shè)定的時(shí)間自動(dòng)進(jìn)行更新監(jiān)測(cè)，并將新獲取的信息進(jìn)行上傳，實(shí)現(xiàn)子節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。子節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)工作流程圖如圖9所示。

4.終端系統(tǒng)工作流程

終端負(fù)責(zé)對(duì)所接收的子節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的所有數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，同時(shí)根據(jù)事先對(duì)傳感器靈敏性的檢測(cè)，對(duì)所獲取的溫度、濕度、可燃?xì)怏w濃度、地理位置坐標(biāo)等數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，以保證終端系統(tǒng)所展示信息的準(zhǔn)確。系統(tǒng)會(huì)根據(jù)事先設(shè)定的時(shí)間間隔對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的更新，以保證所展示信息的實(shí)效性。具體工作流程如圖10所示。

四、結(jié)語(yǔ)

采用Zigbee技術(shù)所設(shè)計(jì)的多點(diǎn)布設(shè)式可燃?xì)怏w檢測(cè)系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)后臺(tái)的可視化實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，不僅有利于消防部隊(duì)在處置可燃?xì)怏w泄漏事故具有良好的作戰(zhàn)輔助作用，而且對(duì)于儲(chǔ)存或生產(chǎn)可燃?xì)怏w廠區(qū)內(nèi)的可燃?xì)怏w監(jiān)控具有較好的監(jiān)控作用。下一步工作主要是對(duì)系統(tǒng)程序編成進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，簡(jiǎn)化算法，提高系統(tǒng)的定位效果。

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作者簡(jiǎn)介：王鐵，男，本科學(xué)歷，副教授，武警學(xué)院指揮系滅火救援指揮教研室，主要從事滅火及應(yīng)急救援指揮研究與教學(xué)。

門群，女，本科學(xué)歷，副教授，武警學(xué)院基礎(chǔ)部英語(yǔ)教研室，主要從事英語(yǔ)教學(xué)和文獻(xiàn)翻譯研究。

范凌云，男，在讀研究生，軍隊(duì)指揮學(xué)專業(yè)，武警學(xué)院研究生部學(xué)員，研究方向：滅火及應(yīng)急救援訓(xùn)練。

基金項(xiàng)目：河北省科學(xué)技術(shù)廳基金項(xiàng)目（16275603）資助。項(xiàng)目類別：河北省科學(xué)技術(shù)廳（編號(hào)：16275603）。