基于ZigBee技術多層住宅無線消防報警系統的設計

李長明 ，楊小天

(1.吉林建筑大學電氣與電子信息工程學院，吉林長春130118;2.長春師范大學后勤管理處，吉林長春130032)

在我國，傳統的多層住宅火災報警系統設計以總線型火災報警系統居多，此系統設計起來需要考慮的因素很多。施工時需要使用大量管線，工程造價高，同時系統抵抗外界干擾能力弱，工程施工及系統維護任重而道遠，遇有特殊情況發生時，還需要破壞建筑物表面及結構。在安裝過程中時常發生電線保護層被損壞而導致的短路問題，況且管線隨著時間的推移，難免會出現老化、破損等現象，誤報和故障時有發生。同時還存在監控區間和容量小、組網窗口過于死板、人機交互界面簡易、可靠性較不強、響應速度遲緩等現象，若一處出現問題，整個系統將處于半癱瘓狀態［1］。因此，原始的多層住宅火災報警系統已經不能很好地滿足當前人們對于消防安全的需求。本設計采用溫度傳感器、CO傳感器、煙霧傳感器等組建的ZigBee無線傳感器網絡，在規定的時間內通過加權算法來判定火災是否發生，能夠從根本上解決了上述問題。

1 基于ZigBee的無線傳感器網絡

1.1 無線傳感器網絡特點

無線傳感器網絡由大量具有無線通信、傳感、數據處理能力的成本低廉、體積瘦小的傳感器節點組成，傳感器節點由若干功能模塊組成，包括傳感單元、處理單元、收發單元、電源單元［2］。無線傳感器網不僅具有AdHoc網絡的移動性、電源能力局限性和斷接性，還具有如下特點:(1)在一個很廣闊的空間或一個狹窄的空間都放置成千上萬的傳感器節點的大規模網絡;(2)能夠在事先無法預料相鄰節點位置的前提下，實現自動地配置、管理與轉發檢測到的數據的自組織網絡特點;(3)由于節點具有有限的通信距離，因此每個節點既可以發起信息又可以轉發信息的多條路由;(4)節點的環境改變、電量的變化、通電的時斷時續等，都會成為這個節點加入和退出該網絡的理由的網絡動態性;(5)傳感器的自組織和動態性特點決定了節點編號與傳感器的動態關系，與位置沒有必然的聯系，都是以數據為中心的網絡;(6)傳感器網絡和傳統網絡的設計是不同的，每一種應用場景都需要不同的面向應用的網絡。

1.2 ZigBee 技術

1.2.1 ZigBee 技術特點

(1)具有數據傳輸可靠性。屬于共享信道的無線通信，相對于有線網絡有較多的安全威脅，ZigBee將IEEE 802.15.4協議應用在其PHY和MAC層，通過使用傳輸數據為帶時隙和不帶時隙的載波檢測多址訪問與沖突避免的方法，保證了數據傳輸的安全性和可靠性［2］。

(2)極低的成本和較低功耗。由于具有簡單的網絡協議，ZigBee技術對運行環境要求很低。因此，可以采用8－bit MCU和小的存儲器作為通信控制器，從很大程度上降低了成本。ZigBee具有很低的功耗，因為其芯片具有設置節點的定時運行和定時休眠的功能，當系統需要時自動開啟，不需要時自動關閉，大大節省了系統的功耗和電池的儲能。

(3)高安全性。為了提高數據傳輸的安全性，可以使用AES128加密技術，但是對于初級階段，安全性問題可以不予考慮。

(4)低數據速率。無線控制系統對數據傳輸的可靠性和安全性、系統功耗的成本等方面有著特殊的要求，而目前的無線網路協議并沒有很好地解決這些特殊的要求。其傳輸速率會隨著工作頻段的不同而變化，但是都比較低。

(5)組網方式的多樣性和靈活性。ZigBee技術具有靈活的組網方式，既可以接受樹簇型組網和星型組網，還可以接受對等組網，數據傳輸既可以采用單跳方式，也可以采用多跳方式。

1.2.2 系統的功能

原始的多層住宅火災自動報警系統具有如下功能:(1)當火災發生時，運行火災報警功能;(2)當個別線路或者某個設備發生故障后，啟動故障報警功能;(3)進行火災報警時，消防監控室內顯示具體的報警時間、地點等信息;(4)打印出消防監控室顯示器上顯示具體的報警時間、地點等信息。

數據庫功能在本設計中得到了擴展，在數據庫中存儲可以供用戶和消防部門隨時查詢的與火災相關的一些信息，并作出系統的統計，本系統功能如下:(1)通過傳感器監測和采集火災信息的功能;(2)通過使用ZStack傳輸協議來發送無線信息的功能;(3)通過使用加權算法來判斷火災是否發生的數據處理功能;(4)火災報警功能;(5)隨時查看火災歷史記錄功能。

2 系統硬件和軟件的設計

2.1 硬件設計

CC2530芯片均采用增強型C8051內核，具有2.4GHz IEEE 802.15.4標準射頻收發器，有特殊功能寄存器、數據、代碼/外部數據三個不同的存儲器訪問總線［3］。CC2530的Flash具有25KB、26KB、27KB、28KB容量的選擇性，開發環境為高集成且符合IAR標準，功能圖如圖1所示。

圖1 CC2530功能圖

該設計電路主要為:達拉斯公司生產的DS18B20溫度傳感器、CO傳感器和煙霧傳感器電路、CC2530模塊、2.4G無線收發器和電源等。此外，還有DS18B20溫度傳感器模塊、CO傳感器模塊、煙霧傳感器模塊、3.3V轉5V升壓模塊、傳感器模塊、GSM模塊。系統硬件設計結構圖如圖2。

圖2 系統硬件設計結構圖

2.2 軟件設計

系統的軟件設計主要分為上位機和下位機軟件，由上位機組建無線傳感器網絡通過使用Z－Stack協議來驅動CC2530芯片系統，下位機包括客戶終端和消防監控中心的監控系統。ZigBee由協調器、路由器及終端節點組成，各部分在所在的網絡中各司其職。

(1)ZigBee協調器的軟件設計。協調器的主要作用有:一是組織及建立整個無線傳感器網絡;二是管理無線傳感器網絡;三是確定數據通信過程中使用的信道;四是將16位的短地址給其子節點分配;五是數據的收集和數據信息的發送。在本系統中，協調器除了具備以上的功能之外，還要完成與PC機之間的交互，實現觸發短息報警器以及發送消防火災報警信息的功能［4］。另外，還需要對協調器指示燈進行如下配置:火災發生時紅燈亮，接收到火災信息時綠燈亮，組網成功時黃燈亮。

(2)ZigBee路由器及終端節點的軟件設計。ZigBee路由器節點的程序和終端節點的程序大同小異，但路由器在功能上可為子節點及協調器節點傳遞相關數據。路由節點通過函數的調用，完成自我檢查功能，當檢測到有可以連接的節點時，首先判斷其為終端節點還是相鄰節點，如果為相鄰節點，則直接執行數據的傳輸;如果是終端節點，則檢測路由器來完成該節點的匹配，運行成功后進入循環通信階段。若遇有按鍵，鍵入該節點，則發出退出該網絡的請求，下一次收到通信節點反饋信息后執行退出網絡。如果沒有線路和設備故障及火災發生，則發送正常信息給協調器節點，若收到由傳感器節點發送的火災信息，協調器節點則發送火災警報［5］。

3 結語

本設計在避免出現漏報及誤報的前提下，給出家庭火災監測及報警方面的設計，即基于ZigBee技術的多層住宅無線消防報警系統的設計。該系統不僅穩定可靠，而且能夠及時準確地監測火災的發生并報警。

［1］姚小龍.基于ZigBee無線消防報警系統的設計與實現［D］.西安:西安電子科技大學，2012:1－3.

［2］郭淵博，楊奎武，趙儉，等.ZigBee技術與應用［M］.北京:國防工業出版社，2010:3－7.

［3］王小強，歐陽駿，黃寧淋，等.ZigBee無線傳感器網絡設計與實現［M］.北京:化學工業出版社，2015:5－6.

［4］尉志武.基于ZigBee的家庭火災報警系統的設計［D］.太原:太原理工大學，2012:43－50.

［5］王玨.基于ZigBee技術的消防報警及定位系統的研究［D］.太原:太原理工大學，2012:45－51.