基于ZigBee技術的火災探測報警系統設計

吳偉忠，韓 飛，楊曉瑩

（同濟大學 鐵道與城市軌道交通研究院，上海 201804）

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基于ZigBee技術的火災探測報警系統設計

吳偉忠，韓 飛，楊曉瑩

（同濟大學 鐵道與城市軌道交通研究院，上海 201804）

摘 要：文章采用TI公司的CC2530為核心控制芯片，以Z-Stack協議棧作為協議平臺，提出了一種基于ZigBee的煙霧檢測火災報警節點設計方案，系統實現煙霧信息的自動采集、實時信息查詢、故障信息記錄等功能，并將協調器接收到的數據通過串口在Labview界面上顯示。實驗結果表明，系統達到預期設計目標，并具有結構簡單、功耗低、性能可靠和體積小等優點。

關鍵詞：ZigBee；煙霧報警；研究設計

隨著經濟的飛速發展，功能復雜的高層建筑、人員密集的公共場所、大型廠房倉庫越來越多，因此對火災的早期探測，將火災遏制在萌芽狀態顯得異常重要。傳統的有線火災報警系統，不僅耗材多，施工與維護復雜，而且采用硬線連接，線路容易老化，故障率高，隨著無線技術的發展，無線火災報警系統將會是一種趨勢，本文介紹了一種基于ZigBee無線技術的煙霧報警系統。

1　系統總體設計方案

整體方案如圖1所示，主要由煙霧傳感器模塊、路由器模塊、協調器、PC組成，其中：煙霧傳感器模塊主要功能是檢測環境煙霧信息、溫度以及節點自身電池電量（考慮到檢測環境的復雜性，煙霧傳感器采用電池供電），并將采集的信息發送給路由器節點或者協調器。

路由器節點具備煙霧傳感器模塊的功能，并且能夠接收煙霧傳感器模塊的數據并轉發給協調器，Zigbee無線技術在室內點對點的通訊距離在50～70m左右，當煙霧傳感器模塊與協調器的距離比較遠時，增加路由器模塊，增加通訊距離。

協調器實現組建網絡和加入節點，接收并存儲各個煙霧傳感器發來的消息，并將信息通過串口傳給PC。

PC通過串口接收處理協調器發來的數據與發送命令，并在Labview軟件中實現人機交互界面顯示。

圖1　整體方案

2　系統硬件設計

2.1 煙霧傳感器模塊與路由器模塊設計

路由器模塊硬件電路與煙霧傳感器模塊硬件電路基本一致，這里只對煙霧傳感器模塊硬件電路做介紹。煙霧傳感器模塊是組成火災報警系統的基本單元，是構成火災報警系統的基礎，主要由數據采集模塊（傳感器、A/D轉換器）、數據處理模塊（微處理器、存儲單元）、無線通信模塊、電源模塊等組成，如圖2所示。

圖2　煙霧傳感器模塊

（1）電池電壓采集。

煙霧傳感器模塊采用電池供電，因此對該模塊電池電壓的監測是有必要的，電池電量過低的時候會導致整個模塊罷工。模塊周期性采集數據，當采集完數據之后就進入休眠狀態，等待下一次發送數據時才被喚醒，低電待機模式下，2節5號干電池可支持1個節點工作6～24個月，甚至更長，電池不需要頻繁更換，這也使模塊采用電池供電成為可能，將通道5（即CC2530芯片P0_5引腳）作為ADC采樣通道，參考電壓為片上AVDD_SOC（3.3v），12位分辨率，將采集到的值轉換為電壓值，通過無線發給協調器，在上位機界面進行顯示。

（2）煙霧傳感器。

煙霧傳感器采用MQ-2半導體煙霧傳感器，MQ-2傳感器對液化氣、丙烷、氫氣、天然氣和其他可燃氣體靈敏度高，當傳感器所處環境中存在可燃氣體時，傳感器的電導率隨空氣中可燃氣體濃度的增加而增大，其電路原理圖如圖3所示，煙霧傳感器模塊主要由煙霧傳感器MQ-2和電壓比較器LM393組成。LM393將MQ-2輸出的模擬電壓與無火災發生時MQ-2輸出的閾值電壓進行比較，并輸出二值數字信號DOUT。若大于閾值電壓，則說明有火災發生，LM393輸出0；否則，說明無火災發生，LM393輸出1，將DOUT與CC2530芯片P0_6連接，通過檢測P0_6口高低電平，判斷有無火災發生。

圖3　煙霧傳感器電路原理

（3）溫度傳感器。

溫度傳感器采用單總線數字式的DS18B20。測溫范圍可達-55～125℃，精度±0.5℃，工作電壓為3.3V。硬件連接電路上，引腳1與引腳3分別與CC2530芯片的3.3V電源、GND相連，引腳2為數據輸入/輸出引腳，與CC2530芯片的P0_7引腳相連。

2.2 協調器模塊設計

如圖4所示，協調器部分電路主要由CC25030最小應用系統、電源模塊、與上位機通訊的串口電路，上位機界面采用Labview軟件進行編寫。

圖4　協調器電路

3　系統軟件設計

系統各個模塊的編程開發環境為IAR Embedded Workbench for 8051 8.10，采用的協議棧為TI的ZStack-2.3.0-1.4.0，主要包括協調器節點、路由節點及煙霧傳感器模塊程序設計。協調器上電后，組建網絡，煙霧傳感器模塊與路由節點自動發現并加入網絡。上位機通過串口給協調器發送命令，協調器通過判斷命令內容，通過廣播的方式通知網絡中各個節點進行數據采集或者停止數據的采集，當協調器接收到”周期采集”命令時，協調器通過廣播讓網絡中各個節點每隔2分鐘采集一次數據并發送數據，之后節點進入休眠狀態；當協調器接收到”停止采集”的命令時，網絡中各個節點停止數據的采集，直到下次接收到周期采集命令才開始周期性采集。采集的數據通過Labview軟件在電腦上顯示，有異常通過界面報警指示燈通知值班人員，并將發生故障的節點、時間記錄下來。

4　實驗測試

本次實驗通過一個煙霧傳感器模塊（圖6）與協調器（圖7）進行測試，實驗的主要目的是測試煙霧、溫度的檢測功能，報警信號的產生和無線的收發。圖7中①為DS18B20溫度傳感器，②為MQ-2煙霧傳感器，③為模塊電池電壓采集線路，④為模塊電源模塊，采用3節1.5v號電池供電。

在MQ-2傳感器旁用打火機放氣體，并將溫度傳感器放于電腦散熱器出風口，本次測試1s采集一次數據，隨著可燃氣體濃度、溫度增大，如圖5所示，方形指示燈變為紅色，溫度曲線快速上升，并在下面的文本框中記錄下發生異常的位置與時間。

5　結語

本文提出了一種基于ZigBee技術構建的低成本、低功耗的火災報警無線傳感器網絡設計方案，詳細介紹了火災煙霧報警傳感器模塊的設計原理，對系統的硬件部分和軟件部分進行了有機融合，實現了系統功能的智能化，并通過實驗驗證了方案的可行性，在智能火災監測系統中具有一定的實用價值和參考價值。

圖5　Labview上位機顯示界面

圖6　煙霧傳感器模塊實物

圖7　協調器模塊實物

［參考文獻］

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［5］張金.LabVIEW程序設計與應用［M］.北京：電子工業出版社，2015.

The Research and Design of Smoke Detecting Alarm System Based on ZigBee Technology

Wu Weizhong，Han Fei，Yang Xiaoying
（Institute of Rail Transit of Tongji University，Shanghai 201804，China）

Abstract:This passage uses the CC2530 of TI company as the kernel control chip and the Z-Stack protocol stack as the protocol plat form，putting forward a node design scheme which is based on ZigBee of fire detection by smoke alarm，the system can achieve a variet y of functionality such as collecting smoke information automatically，querying information constantly，recording fault information and so on，and the data received by coordinator is displayed at Labview interface through the serial port.The experimental results show that t he system achieves the expected design goals，what’s more，it owns a great deal of advantages，for example，simply construction，low pow er consumption，reliable performance，small size，etc.

Key words:ZigBee；smoke alarm；research and design

基金項目：國家自然科學基金；項目編號：U1534205。

作者簡介：吳偉忠（1991-），男，福建泉州，碩士研究生；研究方向：無線通信技術。