陳若辰 錢晨 南京師范大學(xué)電氣與自動化工程學(xué)院

引言

基于Zigbee 通信技術(shù)，本文設(shè)計了一種無線化的消防預(yù)警系統(tǒng)，實現(xiàn)多節(jié)點控制，節(jié)點可動態(tài)增減；預(yù)警探測器多樣；滿足火災(zāi)預(yù)警場景下的多種需求，方便維護(hù)與施工。

1 總體設(shè)計

所設(shè)計的消防預(yù)警系統(tǒng)，以TI 公司的ZigBee 片上系統(tǒng)CC2530 作為核心處理器，將多組不同的探測節(jié)點和協(xié)調(diào)器模塊通過ZigBee 網(wǎng)絡(luò)連接起來。以溫濕度探測模塊DHT11 為例，終端采集環(huán)境中的溫度和濕度數(shù)據(jù)后通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給協(xié)調(diào)器，和火焰輻射數(shù)據(jù)、煙霧濃度數(shù)據(jù)一起由協(xié)調(diào)器打包送至上位機(jī)串口顯示。

總體結(jié)構(gòu)如圖一所示。

圖1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

2 模塊選擇設(shè)計

系統(tǒng)中共有三類環(huán)境監(jiān)測節(jié)點模塊，作為終端節(jié)點，起到采集實時數(shù)據(jù)、執(zhí)行來自協(xié)調(diào)器的命令的功能。功能闡述分述如下：

2.1 溫濕度探測模塊

該模塊的監(jiān)測終端為DHT11 數(shù)字溫濕度傳感器，它由一個電容式感濕元件和一個NTC 測溫元件構(gòu)成，并與一個高性能8 位單片機(jī)相連。其濕度精度±5%RH，溫度精度±2°C，適用于溫度急劇升高條件下火災(zāi)的預(yù)警。其具體功能為監(jiān)測目標(biāo)環(huán)境中的溫濕度數(shù)據(jù)并進(jìn)行實時傳輸給協(xié)調(diào)器，再由協(xié)調(diào)器發(fā)送至串口顯示。當(dāng)環(huán)境中溫度急速上升并超過預(yù)設(shè)溫度線，發(fā)出火災(zāi)預(yù)警信號。

2.2 火焰輻射探測模塊

該模塊的火焰?zhèn)鞲衅骺梢员O(jiān)測火焰或波長在760 納米至1100 納米范圍內(nèi)的光源，對火焰光譜尤其靈敏，且靈敏度可調(diào)，滿足消防監(jiān)測體系的需要，可以在環(huán)境內(nèi)已經(jīng)出現(xiàn)火災(zāi)前期火苗時迅速發(fā)現(xiàn)并報警。其功能為當(dāng)節(jié)點探測范圍內(nèi)出現(xiàn)火焰時，向協(xié)調(diào)器發(fā)送數(shù)字開關(guān)量1 或者轉(zhuǎn)化為模擬電壓輸出，再由顯示端發(fā)出預(yù)警信號。

2.3 煙霧探測模塊

該模塊采用MQ 氣體傳感器，該傳感器使用清潔空氣中電導(dǎo)率較低的二氧化錫作為氣敏材料。當(dāng)目標(biāo)環(huán)境中出現(xiàn)可燃?xì)怏w時，電導(dǎo)率隨空氣中可燃?xì)怏w的濃度而增大。該探測模塊可監(jiān)測甲烷、乙烷、丁烷等傳統(tǒng)火災(zāi)誘因可燃性氣體，尤其適合天然氣泄漏等情境下的火災(zāi)預(yù)警監(jiān)測。

其功能為將可燃?xì)怏w或煙霧濃度轉(zhuǎn)化為電壓模擬量輸出，由協(xié)調(diào)器打包至上位機(jī)，顯示實時濃度。敏感元件的阻值R 與空氣中被測氣體的濃度C 成對數(shù)關(guān)系變化，其中，k1、k2 均為常數(shù)：

logR=k1logC+k2。

k1 與氣體檢測靈敏度有關(guān)，在測量環(huán)境溫度和激活劑選用的不同指標(biāo)下選擇不同的數(shù)值。k2，即氣體分離率，代表了模塊傳感器靈敏度隨著監(jiān)測氣體的濃度上升而不斷變化，對火災(zāi)誘發(fā)條件下的可燃?xì)怏w而言，k2 值多介于1/2 至1/3 之間。

此外，當(dāng)煙霧濃度連續(xù)20 秒超過預(yù)警閾值，則發(fā)出預(yù)警信號。

3 通信傳輸設(shè)計

本系統(tǒng)的通信傳輸環(huán)節(jié)采用基于RS-232 標(biāo)準(zhǔn)的串口通信模塊。串口通信，即串口按位發(fā)送和接收字節(jié)。該方式傳輸速度較慢，但使用數(shù)據(jù)線少，結(jié)構(gòu)簡單，更適合大型環(huán)境下的遠(yuǎn)距離通信，并可以節(jié)約通信成本。

在火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)中，串口模塊作為協(xié)調(diào)器，接收不同類型和不同鋪設(shè)區(qū)域傳來的溫濕度、火焰輻射和可燃?xì)怏w煙霧濃度信號，并發(fā)送至上位機(jī)。綜合多方面考慮，為了達(dá)到成本和通信效率的統(tǒng)一，本系統(tǒng)采用CC2530芯片，其可用于ZigBee 應(yīng)用，是真正合格的SoC 解決方案，能夠以簡潔的布局、較低的成本構(gòu)建效率極高、收發(fā)性能良好的通信節(jié)點網(wǎng)絡(luò)。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計了一套基于ZigBee 通信的消防預(yù)警系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，可應(yīng)對處理多種不同火災(zāi)場景并及時預(yù)警，通過上位機(jī)軟件的后續(xù)研發(fā)，可以獲得更加復(fù)雜的控制預(yù)警效果。本系統(tǒng)造價成本較低，實現(xiàn)消防預(yù)警終端無線化，不僅便于安裝和維護(hù)。除此之外，加入的傳感器均圍繞火災(zāi)前期環(huán)境信號的檢測，著眼于預(yù)警而非報警，防患于未然，具有更加可觀的現(xiàn)實意義。