基于ＺｉｇＢｅｅ技術的火災自動報警系統

洋文杰　王　楠　司軼芳

[摘要]提出ZigBee技術在火災自動報警系統的應用。以ZigBee的特點和優勢為依據,詳細介紹ZigBee技術在火災自動報警系統中的應用,論述該系統設計方案及硬件設計方案。可以提高火災報警的可靠性、靈活性以及降低安裝、運行成本。

[關鍵詞]ZigBee火災自動報警系統

中圖分類號:TP2文獻標識碼:A文章編號:1671-7597(2009)0920030-02

一、引言

火災自動報警系統(FAS)是樓宇自控系統(BAS)的分系統,服務于樓宇自控系統,它可以及時發現和通報火情,并采取有效措施控制,提高建筑物的防災自救能力。

目前主要的火災自動報警系統大多采用有線方式構建火災傳感器網絡,這類方式耗材多、施工與維護復雜,擴展能力差,線路容易老化或腐蝕、磨損,故障發生率高線,并且不易排查修理。新興的無線傳感技術,在傳感器網絡構建、維護方面都有著有線方式無可比擬的優勢,成為火災報警系統的重要發展方向。

用于樓宇及建筑物內的無線火災自動報警系統需采用的是低成本、低功耗、小體積、短距離通信。ZigBee技術的出現就解決了這些問題。ZigBee是一種低速短距離、雙向無線通信技術,擴展性強、功耗極低、系統構成簡單,組網方式靈活。將ZigBee傳感器網絡和人工智能結合,可大大提高火災報警的可靠性,與其他無線網絡技術比較,它更適合于組建大范圍、傳輸數據量小的無線火災報警網絡。

二、無線火災自動報警系統

(一)系統總體結構

無線傳感器將探測到的火災信號通過Zigbee無線通信模塊發送至數據集中器,數據集中器將收集到得數據送至火災監控中心,再由火災監控中心對這些數據進行處理和統計評估,根據預先設定的有關規則,將這些數據轉換為適當的報警動作,相應的發出警報,例如:產生少量煙,但溫度急劇上升——發出警報I;產生少量煙、且溫升平緩——發出警報II。滅火系統采取相應的措施。

(二)Zigbee網絡

ZigBee在網絡層中,定義了3種功能的模塊:一是網絡協調器,負責網絡的建立;二是路由器,負責查詢、建立和修復信息包的路由路徑并負責轉送;三是各類終端裝置,只能加入已形成的網絡,可以收發信息,不能轉發信息,無路由功能。網絡協調器和路由器由全功能器件(FFD)實現,終端裝置由簡化功能器件(RFD)實現。ZigBee網絡有多種拓撲結構,一般多采用星型拓撲結構,因為其結構簡單,實現方便,不需要大量協調器節點,可降低成本。

建立基于ZigBee的火災自動報警系統,首先要建立一個ZigBee無線骨干網絡,見圖2。ZigBee無線骨干網絡中每個主節點根據防火監控區域的分布進行合理設置,并通過調整位置或發射功率使它們之間可以進行相互通信。每個主節點不僅本身可以與傳感器連接直接進行數據采集和監控,還可以自動中轉其他網絡節點傳過來的數據。每個網絡節點間的距離可以根據實際測試情況進行調整,可以從10m左右到擴展后的幾百米。

子節點(傳感器節點)分布于需要檢測的區域,負責對數據的感知和處理,采用數據融合技術作出預報警判斷,將數據預報警判斷結果通過無線射頻信號發射出去,在接到執行命令時完成相應的滅火工作;匯集節點接收所覆蓋的傳感器節點和路由節點發出的無線射頻信號,通過RS232送入監控主機,同時將監控主機的命令發送出去。

火災監控中心是整個網絡的控制和管理中心,負責整個系統的控制和數據的處理及決策等。監控主機通過串口接收無線網絡采集的數據,實時顯示并存儲。同時支持對數據庫的有條件查詢、增加或刪除記錄等管理;在接到傳感器節點預報警時,根據預先設定的有關規則,作出火災報警的最終判決,在確認火災發生時啟動相應的聯動機制。

(三)系統工作原理

當傳感器感測到火災信號時,由火災監控中心對這些數據進行計算處理和統計評估。根據預先設定的有關規則,將這些數據轉換為適當的報警動作指標,相應地啟動報警及滅火裝置,迅速滅火。此功能與原自動消防裝置并聯使用,起到雙重保險作用,確保消防滅火系統啟動。

由于ZigBee采用自組織(ad-hoc)方式組網,允許隨時建立無線通信鏈路,協調器一直處于監聽狀態,當有新的RFD加入到網絡中時,會被附近的FFD發現并將其信息傳送給協調器,由協調器進行編址,計算其路由信息,更新數據轉發表和設備關聯表,確定其物理位置。可以實現該系統的定位功能,用于消防人員和救助人員的位置追蹤。消防隊員在進入火災區域前,帶上可移動的RFD裝置,則在進入ZigBee無線骨干網絡覆蓋區內,移動的RFD將自動加入到網絡中,根據與鄰近的FFD的通信情況,可以確定其具體位置,便于指揮中心準確指揮救援和滅火工

作,工作原理示意圖見圖3所示。

三、系統硬件設計方案

把ZigBee終端模塊的工作分為兩個過程:采集數據發送給ZigBee接入點(即數據發送過程),以及接收來自ZigBee接入點的命令(即數據接收過程)。

系統主要由數據采集端和數據接收端構成。數據采集端由傳感器、MCU和Zigbee模塊組成。MCU與Zigbee模塊通過SPI總線連接。數據接收端使用相同的Zigbee模塊,并利用RS232異步串口與PC機通信。其功能相當于一個接入點,一方面將主機向數據采集端發送的控制信號以無線的方式發射出去,另一方面接收采集數據并上傳給主機。系統硬件結構框圖如圖4所示。

MCU選用STC89C51RC單片機,它超強抗干擾、高速、低功耗,指令代碼完全兼容傳統8051單片機,在系統可編程,無需編程器,無需仿真器。MCU通過兩個全雙工串口分別與現場設備和ZigBee模塊相連,主要實現數據的讀取、處理和傳送功能。微處理器與ZigBee模塊采用串行通信模式,實現微處理器對ZigBee模塊的初始化和與它之間的數據交換功能。

選用CC2420芯片作為射頻收發模塊,CC2420符合2.4GHz IEEE 802.15.4

標準的無線收發芯片。可確保短距離通信的有效性和可靠性。利用此芯片開發的無線通信設備支持數據傳輸率高達250kbps,可以實現多點對多點的快速組網。

四、結論

將ZigBee技術應用在火災自動報警系統中,將有利于改善防火系統的性能,大大降低現有的火災自動報警系統的安裝和運行成本。特別是其可移動性及可擴展性,大大方便了火災自動報警系統的調整、更新,提高了現有火災自動報警系統的靈活性。并增加了移動定位功能,也方便了火災救援和滅火工作。

參考文獻:

[1]楊艷華、張鳳登、馬進明,ZigBee技術在火災自動報警系統中的應用[J].上海電力學院學報,2008,24(4):393～396.

[2]劉靜、趙望達,基于ZigBee技術的火災報警系統設計[J].單片機與嵌入式系統應用,2007(1):56～59.

[3]肖昕宇,基于ZigBee技術的無線消防報警定位系統[D],湖南長沙:湖南大學,2007.

[4]王文君、胡國珍,基于IP-LINK1221模板的ZigBee應用系統[J].單片機與嵌入式系統應用[J].2007(12):63～70.

[5]顏學義、葉湘濱,基于Zigbee技術的火災報警傳感器節點設計[J].岳陽職業技術學院學報,2007,22(6):69～72.

作者簡介:

汪洋文杰(1981-),男,滿族,吉林人,北京中外建建筑設計有限公司西北分公司,助理工程師,從事建筑電氣設計工作。