分布式消防報警監控系統的設計與實現

倪建云, 張 薦, 解樹枝, 李子豪

(天津理工大學 天津市復雜系統控制理論及應用重點實驗室，天津 300384)

0 引 言

火災是日常生活中最常見的自然災害，具有可預測性差、蔓延速度快等特點[1]。由于火災險情頻繁發生，無法保證人們的生命和財產安全，造成了極大的生命和財產損失。人們越來越來重視建筑物火災的防范，同時對火災預防報警與控制的技術水平要求也越來越高，火災監控系統的需求量隨之也越來越大。火災報警系統可以分為傳統的布線式和新興的無線式火災報警系統兩大類。傳統火災報警系統火災監控系統[2]利用煙霧、CO、溫度傳感器檢測建筑物內的環境狀況，從而感知火災的出現，并進行報警通知。雖然傳統報警系統在技術水平和實際應用上都已十分完善和成熟，但是其存在著所有布線式系統的通病，功能單一、結構復雜、維護困難、設備利用周期端、成本高、功耗大、抗干擾能力差等缺點，這極大的降低了控制火災的效率，很顯然這種系統已經不適合現代的建筑系統的消防報警與監控。

現在，隨著嵌入式、無線通信、傳感器技術的發展，為遠程監控設備的實現創造了條件[2-3]，使今后的監控設備更加的智能化、網絡化，基于無線網絡的消防報警監控系統的實現也成為可能。無線傳輸的方式解決了在實際應用中傳統火災報警系統所存在的錯綜復雜的線路設計、施工與檢修困難、高故障率和誤報率等問題。本文結合ZigBee 無線通信技術與組態技術對現有的消防報警系統進行了研究和改進，設計基于CC2530芯片的協調器與終端節點，并搭建ZigBee多節點無線星型通信網絡。實時的數據傳送和后臺完善的人機監控界面大幅提高了火災報警監控系統的火災的數據處理能力和智能滅火的能力，增強了系統的可靠性、安全性。此系統具有維護簡單方便、反應迅速靈敏等優點，為現在的火災監控提供了新思路。

1 火災報警監控系統總體結構

本文所設計的基于ZigBee的無線消防報警監控系統主要由組態監測平臺、人機交互界面、協調器、多個終端節點和報警控制器組成。組態技術設計的組態監測平臺主要包括火災報警界面、報警監測主界面、數據報表、實時數據曲線以及連接DCS數據庫；實現現場實時數據的顯示、系統故障提示、遠程火災報警等。

協調器作為主控制器與終端節點的傳輸樞紐，與監測界面平臺經過串口進行連接，主要任務是數據上傳與命令下達；終端節點通過控制器連接現場的報警裝置、檢測模塊、滅火裝置，通過已經搭建的無線通信網絡將現場的溫度、煙霧濃度、CO濃度等參數[4-6]傳送至協調器節點，并通過控制器控制現場的報警裝置，實現底層與上位操作界面結合的系統全面的火災報警監控。基于 ZigBee無線消防報警監控系統的總體結構如圖1所示。

圖1 消防報警監控系統總體結構

2 系統硬件構成

系統硬件主要包括基于CC2530的協調器節點、終端節點硬件電路的設計與實現。協調器節點主要由 CC2530芯片設計的電路板外接LCD顯示屏、天線、電源等模塊組成。終端節點主要由CC2530 芯片設計的電路板外接的溫度、CO濃度、煙霧濃度等傳感器和天線、控制器、報警裝置、電源等模塊組成。其中CC2530與PL2303HX連接如圖2所示。

圖2 CC2530與PL2303HX連接圖

2.1 煙霧傳感器

本文采用表面離子式N型半導體二氧化錫氣體敏感性材料構成的MQ-2型煙霧傳感器，當周圍環境溫度達到200～300 ℃時，空氣中的氧分子便會被二氧化錫所吸附，從而造成氧負離子的吸附，導致半導體中的電子密度降低，使電阻值極度增大。

當與環境中煙氣、霧氣接觸時，煙霧會影響晶粒間隙處的勢壘，從而導致傳感器表面電導率變化。利用以上兩點即可準確的獲得空氣種煙霧的存在，并且煙霧濃度越大，輸出電阻越小，從而實現環境煙霧的檢測。MQ-2煙霧傳感器電路設計如圖3所示。

圖3 煙霧傳感器電路設計

2.2 溫濕度與CO傳感器

MQ-9型CO氣體傳感器主要用來監測現場CO濃度，實現氣體與煙霧的雙重監測，利用其良好的穩定性和靈敏性，使得火災監控更加準確高效。當空氣中的CO通過氣孔和透氣膜擴散到傳感器的工作電極表面上時，在電極的催化作用下，CO氣體在電極上發生氧化，通過一系列化學反應，電極上便會產生電位差，從而氣體傳感器就會產生出一定大小的電流，再利用參比電極來維持兩個電極間電流穩定，其電流大小與氣體濃度成正比關系。

因此，再在氣體傳感器外接相應的轉換和輸出電路，通過測量傳感器輸出電流的大小從而檢測出空氣中的CO濃度，實現對CO濃度檢測。溫濕度的檢測則是利用DS18B20的穩定性和精確性的特點，對現場的溫度、濕度進行實時檢測。MQ-9 CO濃度傳感器電路設計如圖4所示。

圖4 MQ-9電路設計

3 系統軟件設計

軟件設計包括基于ZigBee協議的多個終端節點與協調器的星型網絡拓撲結構的組網程序設計；采集環境信息的固件程序的編寫；利用IAR Embedded Workbench IDE開發軟件和SmartRF04EB仿真器進行程序設計與調試工作；基于組態技術的組態監測界面、人機交互界面設計以及驅動程序的編寫。

3.1 ZigBee無線網絡協議與網絡拓撲結構

ZigBee協議雖然是基于IEEE802.15.4，但其不僅能處理IEEE能處理的MAC層和物理層協議，同時也對網絡層(NWK)和應用程序編程接口進行了標準化[7-8]。此外，ZigBee堆棧擁有IEEE所不具有堆棧層：應用層(APS)、安全套接層(SSL)等。

ZigBee所包含的網絡拓撲結構[9-10]主要有星形、網狀型、簇狀型3種網絡模型。在ZigBee無線網絡中，不同的網絡拓撲對應于不同的應用領域，對網絡節點的配置也不同。本系統采用的星形網絡結構是利用多個終端節點和一個協調器節點進行組合，形成類似發散型的網絡結構。網絡拓撲模型分類如圖5所示。

圖5 網絡拓撲模型

3.2 消防報警監控系統主程序

在主程序中，首先進行的是終端節點上所集成的傳感器、報警、控制器等模塊的初始化；隨后進行無線網絡ZigBee協議初始化，并將系統中的所有終端節點和協調器加入到無線網絡中；通過查詢單個終端上的溫度和CO濃度，確定組網是否成功。查詢報文與響應報文組成如表1、2所示。

表1 查詢報文

表2 響應報文

成功組網后進入火災報警程序中，終端節點傳感器檢測CO濃度、溫度、煙霧濃度信息。根據傳感器所采集檢測到的信息，處理器進行判斷、分析是否有火災發生，若是數據異常，現場報警響起，主控制器并控制消防設備進行滅火；若是數據無異常則系統延時60 s后繼續進行監測。主程序設計流程如圖6所示。

圖6 系統主程序流程

3.3 程序設計

程序設計基于IAR Embedded Workbench IDE開發平臺，運用模塊化編程[11]的思想，分別是系統初始化、無線網絡組建、數據處理等功能模塊。系統數據通信結構如圖7所示。

(1) 系統初始化。主要是對終端節點和協調器節

圖7 數據通信結構

數成員如下所示：

osal_int_disable( )；//首先關閉所有的中斷。

HAL_BOARD_INIT()；//初始化底層的相關硬件。

zmain_ram_init()；//初始化棧內存。

InitBoard(OB_COLD)；//初始化 I/O。

HalDriverInit()；//初始化HAL層驅動。

osal_nv_init( NULL)；//初始化NV系統。

ZMacInit()；//初始化MAC層。

osal_init_system()；//初始化運行系統。 osal_int_enable(INTS_ALL)；//開啟中斷。

(2) 無線網絡組建。搭建多個終端節點與一個協調器節點的星型無線網絡模型[12]。該類主要函數成員如下所示：

Void SampleApp_Init(unit8 task_id)；//配置串口。

MT_UartInit()；//串口初始化。

MT_UartRegisterTaskID(task_id)；//注冊串口任務。

HalUARTWrite(0,”UartInit-OK ”,sizeof(“UartInit -OK ”))；//串口配置成功。

SampleApp_ProcessEvent()；//進程處理函數。

SampleApp_SendPeriodicMessage()；//信息發送函數。

SampleApp_MessageMSGCB(afIncomingMSGPacket_t *pkt)；//信息接收函數。

(3) 數據處理。組態監測平臺通過決策算法對檢測數據進行評估.

DataFiltering()：//數據去燥處理函數。

GetDataFromCorN()：//評估算法的數據是從協調器器獲取，并將數據保存在WriteData。

SaveDataToTXT()：//數據保存，實現TXT文檔存儲。

4 系統的實現與運行

系統的實現主要包括協調器、終端節點的硬件連接，組態監測界面的設計和人機操作界面的設計等。

4.1 協調器與終端節點設計

分析協調器與終端節點在系統中的作用，將各個模塊與利用CC2530所設計的節點進行連接，測試。各模塊的連接如圖8所示。

終端節點主要連接煙霧、溫度、CO傳感器等組成的檢測模塊[12-13]、控制器、報警裝置、外設天線等模塊；協調器節點作為傳輸紐帶主要連接LCD顯示屏和天線兩個模塊。硬件設計如圖9所示。

圖8 模塊連接圖示意圖

圖9 協調器與終端節點

4.2 組態監測界面設計

組態設計軟件[14-16]的適應能力強、開放程度高、擴展方便、工程開發周期短等優點，使其在上位機監控界面的設計中應用非常廣泛。本文所設計的消防報警監控系統可以劃分為底層檢測層、連接層、操作監控層。其中連接層下連接檢測層，上連接監控層，在系統中作為底檢測層與監控層的通信紐帶，主要作用上傳檢測信息與命令下達。連接如圖10所示。

圖10 連接示意圖

通過對消防系統要求及實現功能的分析，尤其考慮三方面問題：界面簡單明了、數據呈現完整、動畫實時顯示。本文中的操作界面主要是基于組態王進行設計的，充分調用類似Windows的圖形界面的編輯功能，構成實時組態監控界面，結合實時報警窗口、歷史趨勢曲線、生成實時和歷史報表等等，以動態的方式呈現控制設備的工作狀態、數據變化等。人機交互界面如圖11所示。

4.3 消防報警記錄界面

主要對現場的CO濃度、煙霧濃度和溫度進行監測，設置溫度值、CO和煙濃度報警參數，并設計相應的狀態顯示燈，當這些參數超標時，顯示燈為紅色，正常時為綠色；經測試各個傳感器工作正常，數值誤差較小。具體報警結果記錄界面如圖12所示。

圖11 系統組態監測界面設計

圖12 消防報警記錄界面

5 結 語

將CC2530單片機與組態技術相結合，對系統從底層到上位進行完整的設計，底層主要是利用檢測模塊、報警裝置等模塊與CC2530單片機結合，設計了底層檢測結構。基于ZigBee協議組建網絡，搭建多終端節點與單一協調器的星型網絡，實現數據的無線網絡通信。協調器與組態監測界面平臺通過串口進行連接，實現檢測數據從底層到上位的傳輸。再利用組態技術設計組態監測界面、人機操作界面、報警記錄界面等等，實現了整個系統底層與上位機的設計，實現了數據的傳送與報警功能。經試運行，該系統運行穩定，響應迅速，良好的人機交互界面，能很好的實現無線消防報警監控系統的實時監控與遠程監控功能。

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