基于Zigbee的無線火災報警系統

杜 哲，張立臣，耿 蕊，孫 潔,賈 鵬

（1.華北理工大學電氣工程學院，河北唐山 063000；2.華北理工大學以升創新教育基地，河北唐山 063000；3.唐山市產品質量監督檢驗所，河北唐山 063000）

0 引言

火災報警系統[1]在物聯網應用中備受關注，到目前為止，火災報警系統的采集方式大部分應用CAN（Controller Area Network,控制器局域網絡）總線制[2]，通過有線方式傳輸檢測模塊與報警模塊信號，這種采集方式存在很多缺陷，例如布線復雜、火災發生時容易導致連接線損壞。此外，大部分報警系統使用單一傳感器獲取住戶居住的環境信息，對于火災不能提供及時響應，從而造成誤報和漏報。對此，提出應用多傳感器獲取住戶居住的環境信息，并將信息通過無線數據傳輸技術輸出，進一步完善火災報警系統技術，使其報警性能在傳統的基礎上有所提高。除了傳統的傳感器信息采集模塊和報警電路外，還加入了Zigbee無線自組網，可將信息通過無線形式傳送到小區物業中心，減少住戶的財產損失[3]。

1 總體設計方案

無線火災報警系統主要分為兩部分：第一部分以STC89C52單片機為核心,外接MQ-2離子式煙霧傳感器、DS18B20數字溫度傳感器2個傳感器模塊和CC2530芯片無線數據傳輸模塊；第二部分同樣用STC89C52單片機作為控制核心，不同的是外接聲光報警電路和CC2530芯片無線數據接收模塊[4]。當發生火災時，傳感器會把檢測到的火災信號通過無線方式傳遞出去，1號和2號報警電路都發出警報，分別通知家庭住戶和物業管理中心。收到信息后，聲光電路發出報警信號通知物業人員及時處理，防止災害進一步擴大。雙重報警提高安全系數。

2 硬件設計

2.1 單片機最小系統

選擇STC89C52作為系統處理核心。STC89C52是8位內部自帶振蕩器且具有128字節內部數據存儲器的單片機,它有豐富的接口資源，功能強大，片內自帶64 k字節的外部數據存儲器和程序存儲器。由石英晶體振蕩器Y1、微調電容C2和C3組成的時鐘電路和由開關S1、微調電容C1和電阻組成的復位電路，共同組成單片機的最小系統。其中Y1是一個為單片機提供12 MHz時鐘的石英振蕩器，C2和C3是推薦值為22 pF的微調電容。

2.2 單片機與傳感器連接電路

2.2.1 DS18B20溫度傳感器

系統采用比較通用的溫度傳感器DS18B20。DS18B20無需外部電源，可以通過單數據總線獲得讀寫數據和溫度轉換需要的電源。DS18B20的溫度輸出信號是數字信號，無需模數轉換電路信號，可直接被單片機識別。通常在（-55～+125）℃的測溫范圍內，DS18B20的分辨力可達到0.5℃。DS18B20傳感器的編程可以分為9到12位，通過實際RAM對不同系統的需要進行不同分辨率之間的運用，有利于實際測量溫度。

微處理器在控制DS18B20完成溫度轉換時，必須經過3個步驟：①每次測溫之前必須進行清零操作；②清零操作成功后向單片機發送一條ROM（Read Only Memory image，只讀內存鏡像）指令；③發送RAM（Random Access Memory，隨機存儲器）指令。

2.2.2 MQ-2煙霧傳感器

火災的發展一般分為4個階段：無可見煙階段、可見煙階段、燃燒階段和劇烈燃燒階段。在無可見煙階段，當外部提供一定熱量時，可燃物本身發熱產生緩慢的分解作用，產生可燃氣體（CO，H2等）。此階段沒有可見煙和火焰，并伴隨著少量熱量。進入可見煙階段時，隨著物質進一步發熱，熱解作用更為劇烈，釋放出氣體、直徑為（0.01～10）μm的液體或固體顆粒形成煙霧。

以往應用的氣體傳感器氣敏電阻型占絕大多數，離子型煙霧探測器這種微電流變化裝置通過電離室引起的電壓變化感知煙霧粒子，性能類似于煙敏電阻。如果有煙霧粒子進入電離室，電離室空氣的電離狀態就會發生改變，電離室兩端的電壓，受到電離室等效電阻增加的影響而增大，由此確定空氣中的煙霧狀況。氣敏式傳感器工作原理是檢測空氣中是否存在大量可燃氣體，相比離子傳感器，性能存在不足，探測火災時，離子式傳感器更加可靠。

MQ-2煙霧傳感器是比較常用的離子型煙霧探測器，使用二氧化錫作為氣敏材料,二氧化錫的電導率與可燃氣體成正比，在未出現可燃氣體時，二氧化錫的電導率很低，而在可燃氣體濃度很高時，電導率升高，因此系統電路就能檢測出目標氣體，輸出信號后系統報警。由于MQ-2煙霧傳感器輸出的是模擬信號，所以需要增加模數轉換模塊。這里的模數轉換模塊采用芯片ADC0832。

2.2.3 聲光報警電路

聲光報警電路主要由LED（Light-Emitting Diode，發光二極管）燈、蜂鳴器和三極管組成。蜂鳴器在低電平時發出聲音。當煙霧濃度或者溫度達到限定值時，引腳P3.6變為低電平，三極管導通，LED燈發光，蜂鳴器發聲，直到煙霧濃度或者溫度低于閾值或者手動解除警報。2.3 Zigbee無線模塊

Zigbee技術是一種新型的、基于IEEE 802.15.4標準的短距離無線通信技術，以其低數據速率、功耗低、傳輸距離短的優點而被廣泛應用，在傳輸家電和小型電子設備的無線指令中尤為適用。其典型的傳輸數據類型有以傳感器為代表的周期性數據傳輸，以照明控制為代表的間歇性數據傳輸和以鼠標為代表重復低反映時間數據傳輸。其目標功能是實現自動化控制。它采用跳頻技術，選擇有效覆蓋范圍（10～275）m的免執照頻段。在美國是 915 MHz，歐洲是 868 MHz，ISM（Institute for Supply Management，美國供應管理協會）是2.4 GHz。為了增加數據傳輸的可靠性，可將傳輸范圍擴大到334 m應對網絡速率＜28 kb/s的情況。

CC2530無線片是比較常用的Zigbee芯片，以較低成本建立可靠的網絡節點。CC2530擁有良好的RF（Radio Frequency，射頻）收發性能，在2.4 GHz頻率下工作。它屬于增強型8051單片機，8 kb的RAM擁有編程等多種強大的功能。新一代的CC2530芯片提高原有的可操作性，而且具有更強的抗干擾性，可以進行更遠距離的無線信號傳輸，是新一代家電遙控的首選。CC2530的P2.0口與單片機的P2.1口連接。

3 軟件設計部分

3.1 Kendall-τ趨勢算法

火災發生時，警報器對現場的溫度、煙霧濃度等信息進行收集并判斷是否報警，收集到的數據滿足2個特性：①幅值有明顯上升或者下降的趨勢，是趨勢算法判斷火災的依據。②信號呈現相對持續性變化，以此判斷火災信號瞬時脈沖的上升或者下降是否為干擾信號。將計算得出的相對趨勢值τ與預先確定的閾值比較，得出是否發生火災的結論。

3.2 火災信號發送部分

STC89C52單片機使用前先進行初始化，然后設置溫度和煙霧閾值。之后數字溫度傳感器DS18B20開始采集溫度數據，離子式煙霧傳感器MQ-2采集煙霧信號并經過A/D電路轉換被單片機識別。然后重復上次采集數據的操作，兩次數據均超過閾值，說明發生火災，單片機將通過CC2530芯片發出火災信號。

3.3 火災信號接收部分

報警部分由CC2530芯片不間斷按時掃描，收到無線信號，經STC89C52單片機處理后，控制聲光報警電路發出報警信息。

4 結語

相對于傳統的火災報警系統，該系統采用溫度和煙霧傳感器結合進行火災報警，大大減小了誤報警的概率。系統采用Zigbee無線傳輸方式，沒有傳統布線的繁瑣與線路損耗，火災信息更加快捷精準地傳遞給室內人員和小區物業人員，保障用戶的生命財產安全。