基于ZigBee的無(wú)線智能消防報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

曹 健

（泰州師范高等專科學(xué)校，泰州 225300）

0 引言

火災(zāi)作為一種發(fā)生頻率較高的災(zāi)害，極易造成巨大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。因此，消防報(bào)警系統(tǒng)已成為機(jī)關(guān)、賓館、學(xué)校等公共場(chǎng)所必備設(shè)施之一，并且隨著智能家居的興起，也日益成為住宅安全設(shè)施的重要組成部分。然而，目前市場(chǎng)普遍采用的有線制信號(hào)傳輸與編碼火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)存在施工周期長(zhǎng)、建筑物破壞面大、成本高、維護(hù)保養(yǎng)困難等問(wèn)題，已經(jīng)滯后于社會(huì)和實(shí)際應(yīng)用的發(fā)展需求。特別是在火災(zāi)發(fā)生時(shí)，存在兩方面的不足。一方面，線路是系統(tǒng)中最易受損的環(huán)節(jié)，一旦損壞，則極易導(dǎo)致大范圍探測(cè)信號(hào)傳輸中斷，無(wú)法對(duì)火場(chǎng)進(jìn)行有效監(jiān)控。另一方面，在某一撤離路徑遭到破壞的情況下，無(wú)法自動(dòng)選擇其他路徑，迅速調(diào)整撤離標(biāo)志指向而喪失最佳撤離時(shí)間。針對(duì)上述問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)新型無(wú)線智能消防報(bào)警系統(tǒng)，將ZigBee無(wú)線組網(wǎng)技術(shù)、智能預(yù)測(cè)與撤離算法相結(jié)合，具有功耗低、安裝快捷、時(shí)延短和可靠性高等特點(diǎn)，可大幅度改善救災(zāi)的時(shí)效性。

1 系統(tǒng)組成與工作原理

ZigBee是一種基于IEEE802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)的短距離、低速率無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。該技術(shù)主要解決了低成本、低功耗、低復(fù)雜度、低傳輸速率、近距離的設(shè)備聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用問(wèn)題，主要用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)和測(cè)量控制方面[1]。ZigBee提供了網(wǎng)絡(luò)層(NMK: Network) 和應(yīng)用層(APL: Application Layer)框架的設(shè)計(jì)[2]。在網(wǎng)絡(luò)層，ZigBee聯(lián)盟制訂了星型、樹型和網(wǎng)狀網(wǎng)三種拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)[3]。根據(jù)設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中的角色，ZigBee三種邏輯設(shè)備類型：協(xié)調(diào)器、路由器和終端設(shè)備。每個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)理論上可支持64K個(gè)節(jié)點(diǎn)，是低速、低功耗無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的首選解決方案。

本文設(shè)計(jì)的無(wú)線智能消防報(bào)警系統(tǒng)基于ZigBee無(wú)線組網(wǎng)技術(shù)，主要由監(jiān)控中心和傳感器網(wǎng)絡(luò)組成，其系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示：監(jiān)控中心由PC機(jī)、GPRS模塊、聲光報(bào)警器及無(wú)線消防報(bào)警信息管理系統(tǒng)組成。實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器探測(cè)信息的顯示、存儲(chǔ)、分析、處理與響應(yīng)等功能。利用無(wú)線消防報(bào)警系統(tǒng)管理軟件，監(jiān)控人員可以通過(guò)界面直觀、清晰地看到火災(zāi)位置與現(xiàn)場(chǎng)溫度、煙霧信息。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)由ZigBee協(xié)調(diào)器、探測(cè)節(jié)點(diǎn)和指示節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，根據(jù)參考文獻(xiàn)[2]中對(duì)ZigBee網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的劃分，探測(cè)節(jié)點(diǎn)屬于ZigBee網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備，指示節(jié)點(diǎn)屬于ZigBee網(wǎng)絡(luò)路由設(shè)備，同時(shí)具有信息顯示與路由功能，能自動(dòng)完成網(wǎng)絡(luò)探測(cè)、加入與路徑選擇。

系統(tǒng)工作時(shí)，探測(cè)節(jié)點(diǎn)定時(shí)檢測(cè)監(jiān)控區(qū)域的煙霧和溫度，將數(shù)據(jù)通過(guò)ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至監(jiān)控中心PC機(jī)，系統(tǒng)管理軟件將檢測(cè)數(shù)據(jù)在界面相應(yīng)位置顯示出來(lái)，并進(jìn)行存儲(chǔ)與分析，若檢測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)處理后超過(guò)報(bào)警閥值，則驅(qū)動(dòng)聲光報(bào)警模塊進(jìn)行報(bào)警，提醒監(jiān)控工作人員進(jìn)行相應(yīng)處理，同時(shí)，系統(tǒng)對(duì)撤離路徑進(jìn)行計(jì)算，向指示節(jié)點(diǎn)發(fā)出相應(yīng)撤離路徑方向調(diào)整命令，引導(dǎo)火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)人員進(jìn)行疏散與撤離。若監(jiān)控中心工作人員超過(guò)規(guī)定時(shí)間未對(duì)系統(tǒng)報(bào)警進(jìn)行響應(yīng)，系統(tǒng)軟件將通過(guò)GPRS終端根據(jù)優(yōu)先次序向指定人員或119重復(fù)發(fā)出報(bào)警信息，直到接受到響應(yīng)處理。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 ZigBee節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

由圖1可知，系統(tǒng)中硬件部分由探測(cè)節(jié)點(diǎn)、指示節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器三種ZigBee設(shè)備組成，由于三種設(shè)備的硬件構(gòu)成相似，所以采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。探測(cè)節(jié)點(diǎn)、指示節(jié)點(diǎn)硬件構(gòu)成如圖2所示，都包含電源模塊、無(wú)線通信模塊、聲光報(bào)警模塊和主控制器模塊，圖2陰影部分表示除共有模塊外，探測(cè)節(jié)點(diǎn)還包含傳感器模塊，指示節(jié)點(diǎn)還包含LED點(diǎn)陣顯示模塊。協(xié)調(diào)器模塊結(jié)構(gòu)如圖3所示，通過(guò)串口電平變換芯片將無(wú)線通信模塊的串口引出即可。上述模塊中，主控制器模塊采用TI公司低功耗芯片MSP430F149實(shí)現(xiàn)，聲光報(bào)警模塊選用四塊16×16點(diǎn)陣屏、壓控陶瓷蜂鳴器完成信息顯示和聲音報(bào)警，接下來(lái)著重闡述傳感器模塊、無(wú)線通信模塊及電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

圖2 探測(cè)、指示節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖

圖3 協(xié)調(diào)器結(jié)構(gòu)圖

2.1.1 傳感器模塊

傳感器模塊包括煙霧和溫度檢測(cè)電路，完成監(jiān)控區(qū)域的環(huán)境溫度和煙量的采集，其電路如圖4所示，左側(cè)虛線框部分為溫度檢測(cè)電路，由高精度電阻R1和NTC型熱敏電阻R2構(gòu)成分壓電路，經(jīng)C1濾波后送MSP430的AD1端口采樣。其中，R2溫度測(cè)量范圍為-55℃-300℃，精度為1%。圖4右側(cè)為煙霧采集電路，選用日本NEMOTO公司生產(chǎn)的NIS-05A型離子煙霧傳感器，該傳感器設(shè)計(jì)有兩個(gè)電離室，其中一個(gè)電離室煙霧和空氣均易進(jìn)入，稱為檢測(cè)電離室，另一個(gè)煙霧難入，空氣可入，稱為補(bǔ)償電離室。圖4中將煙霧傳感器的兩個(gè)電離室串接起來(lái)與電源相連[4]，隨著空氣中煙霧量的增加，進(jìn)入檢測(cè)電離室的煙霧越來(lái)越多，阻擋和干擾了空氣中電離子的移動(dòng)，從而導(dǎo)致檢測(cè)電離室的等效電阻增大，而補(bǔ)償電離室由于煙霧難以進(jìn)入，其等效電阻保持不變，導(dǎo)致圖4中M點(diǎn)的電位升高，經(jīng)由T構(gòu)成的電壓跟隨電路緩沖后，送至MSP430的AD2端口，實(shí)現(xiàn)對(duì)煙霧量的采樣。

圖4 溫度、煙霧傳感器結(jié)構(gòu)圖

2.1.2 無(wú)線通信模塊

由于無(wú)線消防報(bào)警系統(tǒng)中三個(gè)設(shè)備均包含無(wú)線通信模塊，從簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)的角度，無(wú)線通信模塊的設(shè)計(jì)應(yīng)具有可重復(fù)利用，接口簡(jiǎn)單，控制方便的特點(diǎn)。因此，無(wú)線通信模塊采用TI公司CC2530F256芯片，參照參考文獻(xiàn)[5]中典型電路，基于TI公司的ZigBee 2007/PRO全功能協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)。主處理器按照自定義的串行通信協(xié)議通過(guò)RS232接口完成通信參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ埽帘瘟藦?fù)雜的ZigBee通信協(xié)議，無(wú)線通信模塊實(shí)現(xiàn)了串口透明傳輸與自組網(wǎng)的功能。串行通信協(xié)議格式包括幀頭、命令、參數(shù)號(hào)、數(shù)據(jù)、校驗(yàn)和幀尾六個(gè)部分，命令分為數(shù)據(jù)傳輸、設(shè)置PAN ID、設(shè)置波特率、讀取模塊地址等。

2.2 電源模塊設(shè)計(jì)與低功耗實(shí)現(xiàn)

傳統(tǒng)消防報(bào)警系統(tǒng)通常采用工業(yè)或民用交流電供電，安裝不便，降低了系統(tǒng)的可靠性，本設(shè)計(jì)中盡量避免使用電源線供電方式，分別根據(jù)三種設(shè)備的功能設(shè)計(jì)了不同的電源方案。

1）協(xié)調(diào)器：是整個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的信息會(huì)聚點(diǎn)，需長(zhǎng)時(shí)間保持，以保證各節(jié)點(diǎn)與監(jiān)控PC之間的數(shù)據(jù)傳遞，工作時(shí)電流小于60mA，利用PC機(jī)USB口向其供電。

2）指示節(jié)點(diǎn)：基于路由節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)，需長(zhǎng)時(shí)間保持，完成探測(cè)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳遞路徑選擇與中繼，平均工作時(shí)電流約50mA，如圖5中虛線部分所示，采用太陽(yáng)能電池供電，同時(shí)提供220V交流電源接口，便于太陽(yáng)能電池安裝不便的環(huán)境使用，定制3000mAh的鋰電池作為后備電源，保證在主電源失效的情況下鋰電池持續(xù)供電超過(guò)6小時(shí)。

3）探測(cè)節(jié)點(diǎn)：基于終端節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)，定時(shí)進(jìn)行檢測(cè)與數(shù)據(jù)發(fā)送，是無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)中數(shù)量最多的設(shè)備。該節(jié)點(diǎn)采用高容量2000mAh鋰電池供電，其結(jié)構(gòu)如圖5中虛線右側(cè)所示，鋰電池經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓電路后直接給MCU供電，保證MCU始終處于工作狀態(tài)，MCU根據(jù)需要通過(guò)電子開關(guān)控制其余三個(gè)模塊的工作電源。

圖5 探測(cè)節(jié)點(diǎn)、顯示節(jié)點(diǎn)電源模塊結(jié)構(gòu)圖

由于探測(cè)節(jié)點(diǎn)采用電池供電，設(shè)計(jì)時(shí)主要采用兩方面措施降低節(jié)點(diǎn)功耗，一方面是周期工作的方式，探測(cè)節(jié)點(diǎn)在4秒周期內(nèi)，使用約100毫秒時(shí)間執(zhí)行一次檢測(cè)與數(shù)據(jù)上傳，其余時(shí)間進(jìn)入低功耗休眠狀態(tài)。另一方面選用低功耗器件：穩(wěn)壓電路選用TOREX公司XC6206331芯片，其功耗電流僅1uA，MCU選用TI公司MSP430芯片，其休眠時(shí)電流低至uA級(jí)，運(yùn)行時(shí)只有3mA，模塊電源控制開關(guān)選用高阻低漏的MOSFET管，溫度傳感器選用十千歐高精度NTC熱敏電阻，煙霧傳感器選用日本NEMOTO公司的NIS-05A離子煙霧傳感器，采用離子源煙敏傳感器的突出優(yōu)點(diǎn)是功耗極低[6]，工作電流在pA級(jí)。低功耗器件的選用使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)低功耗、延長(zhǎng)電池壽命具有良好的硬件基礎(chǔ)。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)管理軟件設(shè)計(jì)

圖6 系統(tǒng)管理軟件主界面圖

監(jiān)控中心PC機(jī)上工作的系統(tǒng)管理軟件在VB6.0環(huán)境下開發(fā)，利用Access 2003數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)溫度和煙霧信息，并對(duì)其分析、統(tǒng)計(jì)和管理。系統(tǒng)管理軟件主界面如圖6所示，實(shí)現(xiàn)了通信參數(shù)設(shè)置、報(bào)警參數(shù)設(shè)置、指示信息發(fā)送、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與查詢和聲光報(bào)警控制等功能。通信參數(shù)設(shè)置功能包含PC機(jī)與ZigBee協(xié)調(diào)器、GPRS終端之間的串行通信模式設(shè)定。報(bào)警參數(shù)設(shè)置功能用于設(shè)置趨勢(shì)判斷、撤離路徑選擇計(jì)算的參數(shù)值。監(jiān)控人員可通過(guò)指示信息發(fā)送功能調(diào)整指示節(jié)點(diǎn)的箭頭指向或向受困人員發(fā)送救助的文本信息，通過(guò)采集數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與查詢可更好地掌握各個(gè)監(jiān)控區(qū)域的溫度、煙霧特點(diǎn)，對(duì)報(bào)警參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，提高報(bào)警準(zhǔn)確率。

3.2 探測(cè)節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

圖7 探測(cè)節(jié)點(diǎn)程序流程圖

探測(cè)節(jié)點(diǎn)控制程序基于結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)方法，采用C語(yǔ)言編制而成，其工作流程如圖7所示，探測(cè)節(jié)點(diǎn)在上電復(fù)位后, 首先完成MSP430芯片及其外圍功能模塊的初始化，其任務(wù)主要是：設(shè)置AD模塊用于溫度和煙霧的信息采集；設(shè)置TIMER定時(shí)模塊用于產(chǎn)生聲光報(bào)警驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)；設(shè)置串行通信接口以便與無(wú)線通信模塊連接；設(shè)置其他端口初始狀態(tài)及看門狗等。初始化完成后接著打開傳感器模塊工作電源，采集溫度和煙霧數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)采集后關(guān)閉傳感器模塊電源，若采集值經(jīng)計(jì)算后提示有火災(zāi)危險(xiǎn)則打開聲光報(bào)警模塊電源驅(qū)動(dòng)其發(fā)出警報(bào)。接著給無(wú)線通信模塊上電，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)快速恢復(fù)，將采集數(shù)據(jù)上傳后關(guān)閉無(wú)線模塊。最后，程序完成定時(shí)器設(shè)置并進(jìn)入低功耗休眠狀態(tài)，一個(gè)工作周期結(jié)束。

4 系統(tǒng)測(cè)試與分析

4.1 探測(cè)節(jié)點(diǎn)功耗測(cè)試

通過(guò)編制專用的探測(cè)節(jié)點(diǎn)功耗測(cè)試程序，并利用電流表監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)各模塊的工作電流，進(jìn)行200次的數(shù)據(jù)采集與發(fā)送實(shí)驗(yàn)，取其平均值，獲得系統(tǒng)單周期功耗情況如圖8所示，探測(cè)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集時(shí)工作電流約為4.5mA，持續(xù)約15mS, 數(shù)據(jù)傳輸期由無(wú)線模塊激活和發(fā)送兩個(gè)部分組成，激活時(shí)工作電流約為6mA，持續(xù)約85mS, 發(fā)送時(shí)工作電流約為38mA，持續(xù)約3mS；休眠期間功耗主要由穩(wěn)壓電路、MCU、電子開關(guān)產(chǎn)生，電流小于50uA，休眠時(shí)間約3897mS，單周期節(jié)點(diǎn)平均每秒消耗電流As計(jì)算如下：

圖8 探測(cè)節(jié)點(diǎn)周期功耗圖

接下來(lái)將2000mAh鋰電池容量換算為7200000mAS，每天工作24小時(shí)，由此可計(jì)算出持續(xù)工作天數(shù)Ho:

實(shí)際應(yīng)用中一般將采集周期設(shè)為8s，則使用1000mAh容量電池支持系統(tǒng)工作一年以上，從而減小電池體積，便于安裝。

4.2 數(shù)據(jù)采集與響應(yīng)測(cè)試

圖9 近距離實(shí)驗(yàn)測(cè)試環(huán)境實(shí)物局部圖

表1 采集與響應(yīng)測(cè)試數(shù)據(jù)表

為了驗(yàn)證環(huán)境溫度和煙霧信息采集的可靠性及系統(tǒng)響應(yīng)的實(shí)時(shí)性，以典型的高校學(xué)生公寓為原型，搭建了遠(yuǎn)距離和近距離兩種實(shí)驗(yàn)環(huán)境。近距離實(shí)驗(yàn)環(huán)境如圖9所示，采用探測(cè)節(jié)點(diǎn)6只，以及滿足單選路由（表1中用D表示）的指示節(jié)點(diǎn)3只或雙倍冗余路由（表1中用S表示）的指示節(jié)點(diǎn)6只。遠(yuǎn)距離實(shí)驗(yàn)環(huán)境如圖1所示，在學(xué)生公寓安裝探測(cè)節(jié)點(diǎn)16只，以及滿足單選路由的指示節(jié)點(diǎn)10只或雙倍冗余路由的指示節(jié)點(diǎn)14只，采用反復(fù)對(duì)比和多次重復(fù)的方法分別進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和報(bào)警響應(yīng)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表1所示。測(cè)試結(jié)果顯示，近距測(cè)試環(huán)境數(shù)據(jù)采集與響應(yīng)及時(shí)穩(wěn)定，而遠(yuǎn)距測(cè)試環(huán)境存在丟包的問(wèn)題，導(dǎo)致數(shù)據(jù)采集和響應(yīng)失敗，這對(duì)消防報(bào)警系統(tǒng)是難以接受的。產(chǎn)生問(wèn)題的原因在于ZigBee采用2.4GHZ的高頻通信，極易受到障礙物干擾，特別是穿越鋼筋混凝土墻壁能力較差，在測(cè)試過(guò)程發(fā)現(xiàn)，同一房間不同的安裝位置對(duì)信號(hào)質(zhì)量都有直接的影響，加之實(shí)際應(yīng)用中干擾因素的隨機(jī)性強(qiáng)，單路由模式通信的穩(wěn)定性有所欠缺。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，ZigBee作為一個(gè)低功耗的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)，擁有極強(qiáng)的自愈能力，即通信過(guò)程中能根據(jù)鏈路信號(hào)質(zhì)量進(jìn)行自組網(wǎng)，測(cè)試時(shí)通過(guò)布置冗余路由節(jié)點(diǎn)，有效地減少了干擾所造成的信號(hào)盲區(qū)，很好地解決了上述問(wèn)題。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文基于ZigBee技術(shù)設(shè)計(jì)了一種無(wú)線智能消防報(bào)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)選用低功耗器件及周期觸發(fā)式工作方式實(shí)現(xiàn)了低功耗探測(cè)節(jié)點(diǎn)，安裝簡(jiǎn)便；在ZigBee自組網(wǎng)技術(shù)的基礎(chǔ)上采用安裝冗余路由的方法實(shí)現(xiàn)了采集數(shù)據(jù)的穩(wěn)定傳輸，性價(jià)比高；通過(guò)開發(fā)系統(tǒng)管理軟件對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行智能分析與處理，及時(shí)通過(guò)指示節(jié)點(diǎn)調(diào)整撤離路徑，或發(fā)送救助信息，救災(zāi)響應(yīng)更加科學(xué)、高效。智能消防報(bào)警系統(tǒng)相對(duì)目前應(yīng)用的有線系統(tǒng)，具有明顯的優(yōu)勢(shì)，體現(xiàn)了無(wú)線消防報(bào)警系統(tǒng)智能化、數(shù)字化、無(wú)線化的特點(diǎn)，應(yīng)用前景廣闊。

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