基于Zig Bee 的紫外型手持火焰檢測系統設計

褚建平，甄國涌，劉東海，郭柳柳，田 元

(1.中北大學 電子測試技術國家重點實驗室，山西 太原030051;2.太原市華納方盛科技有限公司，山西 太原030051;3.西安電子科技大學 微電子學院，陜西 西安710071)

0 引 言

火災過后的殘余火種有可能引起范圍更大、破壞性更強的火災，因此，對于殘余火種的排查是非常重要的。目前，已有許多用于各個領域的火災檢測的研究資料和經驗，火災檢測器與報警系統也比較多且較成熟。但是這些設備主要是用于火災的發現和預防，它們大多分布固定、不可移動，對于殘余火種的檢測作用不大。

本文設計了一種基于Zig Bee 的紫外(UV)型手持火焰檢測系統，可實時并準確地發現殘余火種。

1 火焰檢測系統的架構

1.1 系統體系結構

系統總體體系結構如圖1 所示，該系統主要由多個手持設備終端和監控中心端組成。每個手持設備終端都由R2868 紫外線型火焰傳感器和Zig Bee 節點構成，實時檢測火場中殘余火種的情況，并通過無線傳輸網絡發送給監控中心。監控中心由Zig Bee 的FFD 設備［1］、監視器和SQL 數據庫組成，主要功能是完成數據的接收、處理、分析、顯示、存儲等功能［2，3］。

圖1 系統總體體系結構設計圖Fig 1 Design of system architecture diagram

1.2 系統拓撲結構

Zig Bee 的網絡拓撲結構有星型網絡、簇—樹型網絡和Mesh 網狀網絡，在結構、建網、控制方面特性各有優劣。針對火場復雜的環境，考慮到系統配置、系統穩定性等問題，本文采用Mesh 網狀網絡拓撲結構。拓撲結構圖如圖2 所示。該拓撲結構的優勢在于:結構簡單、建網容易、網絡控制機制相對簡單。節點間路徑相對星型結構要多，但比簇—樹型結構要簡單。數據的碰掩和阻塞情況相對減少。局部的故障不會影響整個網絡的正常工作，因此，網絡工作的可靠性高［4，5］。

圖2 Zig Bee 網狀拓撲結構圖Fig 2 Zig Bee mesh topology structure diagram

2 手持設備硬件結構設計

手持設備終端主要由微處理器CC2530、火焰傳感器R2868、溫濕度傳感器、撥碼開關、聲光報警、液晶屏顯示和電源管理模塊組成。手持設備終端硬件結構如圖3 所示。

圖3 手持設備終端硬件結構圖Fig 3 Hardware structure of handheld device terminal

2.1 傳感器驅動電路設計

傳感器驅動電路圖如圖4 所示，采用一個1∶70 的變壓器，將5 V 電壓轉換成350 V 電壓。由于紫外線傳感器的工作原理是基于金屬的光電發射效應和電子繁流理論，傳感器一旦開始放電，就會處于一種自保持放電方式，這樣就不能正確地檢測紫外線。由于傳感器本身沒有自動抑制火花的特性，所以，必須從外部加入滅弧電路。采用周期性地減小陽極電壓，使其低于放電維持電壓的方法可以防止放電電流的自保持［6］。

圖4 傳感器驅動電路圖Fig 4 Sensor driver circuit diagram

2.2 信號處理電路設計

CC2530 芯片使用的8051 CPU 內核是一個單周期的8051 兼容內核，同時該芯片可以配置輸入脈沖捕捉模式。信號處理電路如圖5 所示，根據不同情況下傳感器輸出脈沖的特點，利用CC2530 的輸入脈沖捕捉功能，將傳感器的輸出脈沖捕捉回來，輸入到CC2530 的相應引腳內。利用CC2530 內部的計數器計算接收回來的脈沖數。同時結合CC2530 內部的的定時器，設定一個單位時間。單位時間內，如果計數大于設置的閾值，CC2530 的相關管腳則輸出高電平;否則，相關管腳一直處于低電平。

圖5 信號處理電路圖Fig 5 Signal processing circuit diagram

3 系統的軟件設計

系統的軟件設計包括手持終端軟件設計和監控中心管理軟件設計兩部分。本設計主要對手持終端軟件進行設計，對監控中心管理軟件進行部分設計。

3.1 手持終端軟件設計

手持終端的主要職責是檢測火場是否有殘余火種的存在。手持終端軟件工作流程圖如圖6 所示。手持終端開機后先進行系統初始化，完成系統正常工作時需要的基本配置。接下來手持終端會自動檢查自身撥碼開關的情況，根據撥碼開關不同的組合，設置相應的靈敏度。然后手持終端會主動地與監控中心的設備相連，并將自己的ID 號發送給監控中心。利用微處理器輸入脈沖捕捉中斷，實時捕捉R2868 火焰傳感器單位時間內輸入的脈沖個數。判斷有無殘余火種存在。

為了使檢測情況精確無誤，避免誤判情況的出現，軟件設計采用比較限制法解決這一問題。如果第一次檢測到輸入的脈沖數大于設定的閾值，系統不是立刻報警。因為這次可能是系統采集的干擾值。系統接著進行第二次檢測，如果第二次輸入的脈沖數仍然大于閾值，則判定為有殘余火種存在;如果小于閾值，則證明上一次是由背景噪聲引起的誤判。

3.2 監控中心管理軟件設計

圖6 手持終端軟件工作流程圖Fig 6 Work flowchart of handheld terminal software

Zig Bee 監控結點主要負責信息的接收，將TTL 電平轉換成RS—232 電平，通過串口將信息傳送給主機。監控軟件采用VB 作為開發工具編寫，安裝在監控中心的主機上，負責對火場傳回信息的處理、分析、顯示、存儲和統計等功能。數據庫開發軟件采用方便集成和移植的SQL 數據庫，在實時顯示動態數據的同時，將數據錄入到數據庫中。這些數據可以在火災過后進行分析歸納，指導消防人員高效地進行殘余火災的檢測。監控中心軟件功能圖如圖7 所示［7］。

圖7 監控中心軟件功能圖Fig 7 Software function diagram of monitoring center

4 測試結果與分析

在有火焰的時候，R2868 傳感器輸出的脈沖波形如圖8所示。通過分析該波形圖可以看出:輸出脈沖的頻率f ＜2 Hz，即有少量紫外線射入。通過分析此脈沖信號，確定R2868 可以正常的工作。

圖8 有火焰時傳感器輸出信號圖Fig 8 Sensor output signal diagram with flame

設置三個檢測點，檢測點的ID 號分別為000，001，002，將它們分別放置在以下情況下，測試設備在不同環境下聲光報警是否有效，情況如表1 所示。紫外線是電磁波譜中波長從100～400 nm 輻射的總稱，太陽光透過大氣層時波長短于290 nm 的紫外線被大氣層中的臭氧吸收掉，該紫外線傳感器就是利用太陽光譜盲區(日盲區)，只對185～260 nm狹窄范圍內的紫外線進行響應。將手持設備置于太陽光下，手持設備聲光報警均不工作，證明紫外線傳感器確實不受太陽光的影響。用手持設備檢測分別在太陽光環境下、黑暗環境下、煙霧環境下的火焰，均會引起設備的聲光報警功能。只有在火焰的存在的條件下，手持設備才能進行聲光報警，手持設備受外界環境的影響非常小。

表1 不同情況下聲光報警測試情況表Tab 1 Audible optical alarm test case table under different circumstances

利用上述三個檢測點對設備的檢測范圍和可以檢測的火焰大小進行了測試。如表2 所示。在相同環境下，分別改變火焰長度和測試距離。經過多次實驗可以看出:檢測距離與火焰長度的大小呈正比，火焰長度越長，檢測范圍越大。設備可以在5 m 的范圍內，準確地檢測到大于1 cm 的火焰。

表2 火焰長度和測試距離測試表Tab 2 Test table of flame length and test distance

針對系統的穩定性進行測試，在實驗中關掉傳播途徑中的一部分路由器，模擬火場中路由器發生故障時的狀態，手持終端設備可以通過其他路由器傳播數據。通過多次改變手持設備發送的數據與接收端數據的情況對比發現，只要有可用的傳播途徑，手持設備就可以將數據發送給監控中心。

5 結 論

本文通過在不同環境情況下多次測量的結果表明:本系統不受太陽光影響，能夠在5 m 的范圍內準確發現火焰長度大于1 cm 的殘余火種，且測試距離與火焰的長度呈正比，并將信息實時、準確地發送給監控中心。通過將傳感器技術與無線通信技術相結合，將所有設備有機的連接起來。整個系統在實時性、準確性、可靠性及環境適應性等方面可以較好地滿足應用需求。

［1］ 朱 斌，譚 勇，黃江波.基于Zig Bee 無線定位技術的安全監測系統設計［J］.計算機測量與控制，2010，18(6):1247－1252.

［2］ 鄭 凱，趙宏偉，張孝臨.基于Zig Bee 網絡的心電監護系統的研究［J］.儀器儀表學報，2008，29(9):1908－1911.

［3］ 王曉燕，丁啟勝.基于WSNs 與LabVIEW 技術的火災監測系統設計［J］.儀表技術與傳感器，2012(7):35－41.

［4］ 李正明，侯佳佳，潘天紅，等.基于Zig Bee 與GPRS 的無線水文監測系統設計［J］.排灌機械，2009，27(3):184－189.

［5］ 王晨輝，孟慶佳.基于PIC32 和Zig Bee 的地質災害監測系統設計［J］.電子技術應用，2014，40(2):68－70.

［6］ 王洋洋，高國強，張進明.基于C8051 的紫外型火焰探測器設計［J］.傳感器與微系統，2013，32(9):89－92.

［7］ 彭高豐.溫室大棚環境智能自動測量與調節系統研究［J］.計算機測量與控制，2012，20(10):2664－2679.