基于ZigBee的無線傳感網絡在火災探測中的應用

鄧理文，劉曉軍，扶宣伊，賈 南

(中國人民警察大學，河北 廊坊 065000)

建筑物內部的火災探測系統承擔火災初期的探測工作，并為后續的火災聯動系統提供信號支持。目前，建筑物內設置的火災探測系統大多采用有線連接，有線系統數據傳輸比較穩定，很少存在掉包漏數據的情況，但在一些特定場所，如古建筑、老舊居民小區或者未安裝火災報警系統需后續加裝的場所等，有線系統就存在布線困難的問題。無線火災報警系統利用無線傳感技術，不僅解決了布線困難、安裝不靈活等問題，而且還能與智能建筑設施結合，為消防救援和日常管理提供更多的有效信息。

1 無線火災探測技術

近年來，國內外出現了無線火災報警系統，這種系統的出現得益于微電子技術和通信技術的快速發展，也彌補了有線制系統在特定場所布線困難的缺點。目前應用較多的幾種無線通信技術有：RFID無線射頻技術，WiFi無線網絡通信技術，Bluetooth藍牙技術，UWB超寬帶技術以及ZigBee無線通信技術。表1列出了這幾種技術的技術參數[1]。通過表中對比發現，ZigBee技術成本低、功耗小，其通信速率可以滿足一般的低速率數據傳輸需求，故本文采用ZigBee技術作為無線火災探測系統的傳輸方式，并對其網絡的軟硬件進行設計。

表1 技術參數

2 基于ZigBee的無線火災探測系統

2.1 ZigBee網絡及協議

ZigBee的組網系統一般包括協調器、路由器、終端三種設備。其中協調器是整個網絡的核心，負責網絡的初始化和對其他設備進行分址，所有的數據都匯集于此，通過協調器再傳輸到PC端[2]。一個ZigBee網絡一般只有一個協調器，所以這個協調器必須是全功能設備，且對它的日常維護也非常重要。路由器相當于傳輸過程中的中繼站，終端如果離協調器太遠，超過了額定傳輸距離，就可在網絡中加入路由器，數據從終端流出通過路由器傳送給協調器。ZigBee的組網方式一般有星型、簇型、網狀三種，如圖1所示。星型組網是最簡單的組網方式，終端設備直接將數據信息傳給協調器，且終端設備間的信息傳遞也需要通過協調器進行中轉，所以這種組網方式需要限制終端的數量，從而導致網絡的通信距離縮短。簇型組網又稱樹狀組網，幾個終端設備可將信息匯集到路由節點，再由路由節點傳輸至協調器，這種組網方式可降低節點能耗，延長網絡壽命，不過一旦路由節點損壞，就會造成相應區域的數據癱瘓。網狀組網是節點之間完全點對點傳輸，終端節點會自動搜尋周邊加入到網關節點最短路徑的節點，但這種組網方式能耗大，并且網絡中節點的信標不統一[3]。

圖1 ZigBee組網方式

ZigBee網絡協議采用分層結構，每一層都有各自的任務。其中PHY(物理層)負責射頻信號的接收與發射，信號頻率的選擇，根據IEEE 802.15.4標準，ZigBee信號可在868～868.6 MHz、902～928 MHz、2 400～2 483.5 MHz三種頻道上工作；MAC(網絡層)作用是網絡信標的分配和接收，確保設備的同步時隙，為兩個設備間的連接提供可靠的保證；NWK層是為節點的加入和離開分配路由；APL層負責維持綁定路由表和轉發兩個綁定設備間的信息，對設備進行定義，以及負責發送和接收數據[4]。

2.2 基于ZigBee的無線火災報警硬件設計

無線火災報警系統由主機、協調器、路由器和終端四部分組成。為充分體現各節點的工作方式，本次試驗組網方式采用網狀組網，其中終端為探測節點，可對溫度、煙霧濃度和CO濃度信號進行采集，路由節點接受采集信息并將數據傳輸至網關節點，最后網關節點通過串口上傳至主機，系統組成如圖2所示。探測用的溫度傳感器為DS18B20數字式溫度傳感器，它采用導熱性較高的密封膠灌封，具有高靈敏性，且溫度延遲小；MQ-2氣體傳感器利用電導率隨煙霧濃度的增大而增加，通過電壓的變化作為輸出信號，可檢測可燃氣體和水蒸氣，火災產生的煙霧為多種可燃氣體和水蒸氣的混合物，所以可將它作為煙霧探測器；MQ-7氣體傳感器采用在空氣中電導率低的二氧化錫(SnO2)作為氣敏材料，利用高低溫循環檢測方式檢測CO，傳感器的電導率隨空氣中CO氣體濃度的增加而增大，從而轉化為電壓的變化作為輸出信號，MQ-7傳感器成本低，使用范圍廣，安裝方便，作為本系統CO探測器較合適。射頻芯片采用TI公司生產的CC2530，這款芯片結合了RF收發器的優良性能，具備良好的射頻功能，CPU采用增強型的8051CPU，可在芯片內編寫程序，在單片機內實現功能[5]。同時，CC2530具有多種運行模式，使得它尤其適應超低功耗要求的系統。最重要的是，CC2530結合了德州儀器的黃金單元ZigBee協議棧(Z-Stack)，適用于ZigBee無線傳輸系統的開發。

圖2 無線火災報警系統組成圖

2.2.1 傳感器模塊的硬件設計

DS18B20是常用的數字溫度傳感器，測溫范圍-55～+125 ℃，工作電源是DC3.0～5.5 V，直接輸出數字信號。其獨特的單線接口方式，使其與單片機等微處理器連接時僅需要一條口線即可實現雙線通信；并且它的體積小，可將其封裝后應用于多種場合。每片DS18B20都有唯一的一個可讀出的序列號，同時DS18B20還采用了寄生電源技術，可以不用外接電源，特別適合于多點測溫系統。由于DS18B20的數據線要求空閑狀態為高電平，所以可以在DS18B20的數據線與電源線VCC之間加一個4.7 K的上拉電阻。此次設計使用的是給DS18B20外接電源的方式，如圖3所示。

圖3 CC2530與DS18B20連接

MQ-2煙霧傳感器與CC2530的連接電路如圖4所示。圖中R是限流電阻，用來限制報警電流，防止報警電流過大損壞探測器。但是也不能太小，否則報警不明顯或失效，這里限流電阻取3 K。此時報警電流為6 mA，報警后探測器兩端電壓為6.5 V。MQ-7CO傳感器與MQ-2類似，連接方式如圖5。

圖4 CC2530與MQ-2的連接

圖5 CC2530與MQ-7的連接

2.2.2 路由節點的硬件設計

ZigBee是一個多跳網絡，需要路由對數據進行中繼[6]。路由節點的主要功能是信息的中繼與傳輸，所以節點硬件設計同終端節點類似。在本系統中，路由節點的主要工作是將三種火災探測參量傳送至協調節點，并為每一組數據找尋一條最佳路徑。這條最佳路徑的選擇可通過計算不同路徑的開銷來實現，有最低路徑開銷的路由成功發送數據包的幾率最大。通過路由節點組網，可以大大提高通信速度，減輕網絡系統的通信負荷，節約網絡系統資源，提高網絡系統的暢通率，從而讓網絡系統發揮更大效益。路由節點構成如圖6所示。

圖6 路由節點基本構成

2.2.3 網關節點的硬件設計

在實際應用中，網關節點要完成網絡的維護、數據的上傳、命令的下達、系統的監測和管理等功能，所以需要長時間不間斷運行，功耗較大，因而網關節點最好工作在有外接電源或容量較大的電池供電的條件下，這樣才能保證系統長時間連續工作。網關節點的硬件結構如圖7所示。網關節點主要構成：微處理器+無線模塊+USB接口+JTAG接口+以太網+存儲設備。

圖7 網關節點硬件結構圖

微處理器采用MSP430，功耗低、性能穩定，可對采集的火災信息進行處理；無線模塊采用CC2530，通過SPI接口與單片機相連，可完成設置和收發數據的功能，使用RESETn引腳可將芯片復位，VREG_EN引腳調整CC2530的電壓，產生所需的1.8 V電壓，在芯片內部配有PCB天線完成通信；節點采用CH340G轉換芯片，將IO口轉換為USB口與電腦相連，數據經過無線模塊的接收，通過串口將數據上傳至串口調試助手，Labview上位機再調用串口數據，可對數據進行處理；SDRAM和FLASH分別為內部存儲和外部存儲設備，負責存儲采集的火災信息和設定的程序；JTAG調試接口用于對芯片程序進行燒寫，以太網接口用于與網絡平臺實現數據共享。在網關節點設置了總報警燈，當任一報警參數超過設計閾值時，總報警燈D6常亮。

2.3 基于ZigBee的無線報警軟件設計

基于ZigBee的無線火災探測系統在軟件上實現的功能包括網絡的組建、火災參量的采集與判斷、主機監控界面的設計。軟件的設計使用C語言在IAR平臺下實現。其中網關節點負責建立網絡，分配網絡的PANID，同時還要兼具數據的發送和接收，向其他節點發送命令，并接收路由或終端節點發送的數據信息。最后通過串口接收PC的命令，并將信息傳輸至PC。路由節點開機后會自動掃描網絡，然后加入網絡，在接收到其他節點的數據后，會首先判斷其發送的目的地址，如這個地址不是本身地址，則將此信息轉發至目的地址。終端節點負責數據的采集與傳輸，在接收到協調器發送的命令后，將采集的數據發送至其他節點。網絡的組建直接通過現有的Z-Stack協議實現，數據采集與判斷需要對傳感器節點進行編號，然后通過C語言和IAR平臺對單片機進行程序燒寫。上位機采用Labview進行設計，消防控制室的主機可直接調用Labview程序，在程序中進行設定，當只有發生報警時，才把報警信號傳輸至火災監控主機，不僅能實時監控溫度、煙霧濃度、CO濃度的值，還能對報警結果和歷史數據進行查詢。

2.3.1 終端軟件設計

終端節點在加入網絡前，必須要對協議棧、時鐘、硬件等進行初始化，然后節點會自動搜索周圍的信道，當找到可利用的信道時，會立即向協調器發送一個入網請求，若收到協調器分配的地址和入網響應幀，則表明入網成功。這時，終端節點會周期性的對周圍環境的火災特征參數進行采集，此時使用CSMA-CA方式發送數據給協調器，即當設備想要發送信息時，必須要先執行一條空閑信道評估指令來確保該信道沒有被其他設備占用，然后才發送信號。終端主程序軟件設計流程圖如圖8所示。

圖8 終端節點軟件設計流程圖

2.3.2 協調器軟件設計

協調器首先要進行初始化工作，即對整個ZigBee網絡的協議棧和設備進行初始化，然后才能進行組網；此時協調器會為網絡選擇一個唯一的PAN標識符，當協調器收到其他設備的入網請求時，協調器會為設備分配一個16位的短地址，網絡的PAN標識符使得網絡中的設備可以使用這個地址與其他設備通信，而后協調器會發送一個入網響應幀給設備，當設備接收到這個響應幀時，表明此設備入網成功，協調器此時可接收設備發送的數據信息[7]。若需要后續在此網絡中添加節點，協調器會周期性地監測周圍環境中是否有終端或路由器發送的入網請求，這也進一步體現了ZigBee網絡的組網靈活性。協調器主程序軟件設計流程圖如圖9所示。

圖9 協調器軟件設計流程圖

2.3.3 上位機設計與測試

上位機采用Labview進行設計，界面實時顯示溫度、煙霧濃度、CO濃度值，可對報警結果和歷史數據進行查詢。通過設置報警閾值，當采集的參數值超過設定值時，實時報警并顯示報警結果，在界面最下方設計了總報警顯示，當三種火災探測參數有一種超過報警閾值時，總報警燈亮起。測試前，要對系統的硬件和軟件進行調試，硬件保證連線的正確與可靠，并利用串口調試助手觀察數據能否上傳；對各設備的軟件程序進行下載，包括終端節點和路由節點的采集與傳輸，網關節點的地址分配和類型設置；對電腦監控界面進行設置，包括串口通信波特率的設置等。本實驗串口設置為12 800 bps，通過查看電腦資源配置屬性，可得到串口號，串口資源為COM5，數據比特率8，輸出數據為十六進制顯示，無校驗位。界面如圖10所示，參考一般火災探測器閾值的經驗值，考慮現場環境因素，將溫度報警閾值設定為50 ℃，煙霧報警閾值和CO報警閾值分別為50%和50%。為驗證報警效果，采用打火機對系統進行測試，將打火機火靠近探測節點，系統采集到的實時數據如圖10所示。此時環境實時溫度為27 ℃，未達到報警溫度上線，溫度報警燈不亮；實時煙霧顯示值為40%，煙霧報警燈不亮；實時CO顯示值為71%，

圖10 上位機顯示界面

超過報警閾值，CO報警燈亮起，并且此時總報警燈亮起。

此次試驗證明本系統能對環境溫度、煙濃度、CO濃度進行實時采集，并通過無線傳輸的方式將數據傳至電腦，報警閾值設定有效，報警邏輯正確無誤。

3 結論

本文針對傳統有線火災探測方式的局限性，提出火災信號無線傳輸的探測方法，對目前比較熱門的無線傳輸方式進行了對比，選擇了成本低、耗電量小的ZigBee作為無線傳輸方式。并對基于ZigBee的無線火災探測網絡進行軟硬件設計，采用CC2530單片機+不同傳感器完成實物模型搭建，能在上位機實現對溫度、煙濃度、CO濃度的探測報警。在試驗過程中，也發現了一些問題：(1)ZigBee無線傳輸方式傳輸距離短，本試驗設備條件下最多只能達到6 m；穿透性弱，易受到墻等阻隔物的影響，無法滿足大空間、障礙物較多場所的探測。(2)采用的MQ系列傳感器易受到環境因素干擾，探測效果一般。(3)報警算法采用閾值法報警，在進行打火機火試驗時，不能將打火機火判定為干擾火源，發生誤報警。如果將三種參數進行數據融合，采用智能算法進行處理，得到的報警結果應該會更準確。