基于ZigBee技術的高層火災自救指引系統設計

肖雄亮

摘 要：本課題應用ZigBee技術在住戶、樓道、樓棟中分別設置傳感模塊、路由模塊、協調器網關，將火災信息實時通過以太網傳到小區監控中心，再以短信形式發送到小區住戶手機，及時指引住戶采取必要措施進行自救避險。通過實驗仿真可知，該設計能及時準確地發出報警信息，能較好地實現功能要求。

關鍵詞：ZigBee;多傳感器數據融合;火災自救;高層

Abstract： In this project， ZigBee technology was applied to set up sensor module， routing module and coordinator gateway in the household， corridor and building respectively. The fire information is transmitted to the monitoring center of the community through Ethernet in real time， and then sent to the cell phone of the community residents in the form of SMS to guide the residents to take necessary measures to save themselves. It can be seen from the simulation that the design can send out the alarm information timely and accurately， and can better achieve the functional requirements.

Keywords： ZigBee;multisensor data fusion;fire self rescue;high level

傳統火災自動報警系統的功能少、性能差、誤報警率高，不能滿足發展需要;同時，目前的火災報警設備的主要功能為報警，缺乏對火場內人員的自救指引。因此，設計一套及時、準確無誤地發送火災險情、指引人員準確采取必要措施進行自救的系統十分必要。本文就該系統的硬件部分進行設計和開發，通過實驗達到預定要求。

1 系統總體方案

本文設計的家庭火災報警系統以低功耗、低成本和高可靠性為目標。ZigBee技術是一種有自愈、自組網、低功耗的網絡協議，具有高容量的特點，一個ZigBee網絡可以包含65 000個模塊[1]，可以同時滿足65 000個模塊之間的互聯，也正好滿足高層住戶多的特點。

1.1 網狀拓撲網絡結構

ZigBee網絡目前有星型、樹型和網狀網三種構架。其中，星型網絡有一個中心節點，所有消息都經它傳輸。樹型路由把網絡看成是以協調器為根的一棵樹，雖然不需要構建路由表，但是不夠靈活[2]。網狀網路由是無線自組網按需平面距離矢量路由協議（Ad hoc On-Demand Distance Vector Routing，AODV）路由算法的一個簡化版本。在AODV中，一個網絡節點要建立連接時才廣播一個連接建立的請求，其他的AODV節點轉發這個請求消息，并記錄源節點和回到源節點的臨時路由。其可以用于較大規模的網絡，需要節點維護一個路由表，耗費一定的存儲資源，但往往能達到最優的路由效率，而且使用靈活?？紤]到高層建筑住戶多、距離長、阻隔多，為保障信號傳輸的準確性，本系統采用無線網狀拓撲結構。

1.2 整體設計思路

系統整體結構如圖1所示。從圖1可知，在用戶端和不同樓層樓道設置終端傳感器節點，即“傳感模塊”，在同一層樓設置路由器節點，即“路由模塊”，每一棟樓設置協調器網關節點，即協調器網關，小區物業設置監控模塊四級傳輸網絡，通過這種方式管理眾多的樓層。每個終端傳感器節點帶有火焰傳感器、煙霧傳感器、溫度傳感器，接收路由器節點的喚醒信號后，采集環境數據發送至路由器節點，一個路由器節點管理一層樓的傳感模塊，各個路由器節點可互相通信，可由任意一個路由器節點把所有信息發送至協調器網關節點。最終所有信息匯總到協調器網關節點模塊。協調器網關節點通過以太網與控制中心監控模塊聯系。監控模塊由火災報警管理平臺系統和短信硬件模塊組成。前者負責管理數據和信息，后者負責具體發送。

2 硬件設計

2.1 路由模塊與傳感模塊設計

路由模塊與傳感模塊在硬件結構上基本一樣。路由器節點主要放在各樓層的公共樓道中，監測樓道中火災情況的同時，將傳感模塊的火災上傳給協調器。傳感模塊位于各住戶家庭中，監測各住戶家中的火災情況，并通過數據融合技術進行火災判斷。通過數據融合技術，可以減少硬件，并降低火災誤判。傳感模塊主要包括火焰傳感器、煙霧傳感器、溫度傳感器、電源模塊、Zigbee通信模塊、報警模塊?；鹧鎮鞲衅?、煙霧傳感器、溫度傳感器三類傳感器檢測環境的火災信息[3]，分別接CC2530的P1-3、P1-2、P1-5端口，并利用由電池組組成的電源模塊進行供電。通過使用多傳感器和加權算法可以有效減少探測器的誤報警。傳感模塊結構如圖2所示。

煙霧傳感器MQ_9對CO氣體、煤氣、液化石油氣體、天然氣具有較高的靈敏度和良好的選擇性。空氣中煙霧的濃度越高，煙霧傳感器MQ_9輸出的電壓值也越高。煙霧傳感器MQ_9的表面電阻[Rs]是通過與其串聯的負載電阻[RL]上的有效電壓信號[VRL]輸出而獲得的。煙霧傳感器MQ_9的電路原理如圖3所示，關系式如式（1）所示。MQ-9型氣敏元件的敏感層是用非常穩定的二氧化錫制成的，具有優秀的長期穩定性，在正常使用條件下，其使用壽命可達5年。

火焰傳感器可以檢測波長在760～1 100nm內的光源?；鹧鎮鞲衅鬟x用帶有溫度補償型紅外線傳感器SPS532CA，其是專門為火災探測和氣體分析開發的熱釋電紅外線傳感器。該傳感器為真空密封，并且內部充滿了惰性氣體，非?？煽?，且當特制的紅外線接收管接收到火焰信號時，就把火焰的亮度轉化為電壓信號?；鹧娴牧炼仍酱螅漭敵龅碾妷褐翟酱蟆?/p>

溫度傳感器使用的是DS18B20數字溫度傳感器[4]，其輸出的是數字信號，溫度轉換時的延時時間由2 s減為750 ms。其具有高精度、高可靠性的優點，并且感測的溫度以單線數字方式輸出，體積小，抗干擾能力強，適用于火災探測系統。

ZigBee模塊選用TI公司的RF收發器芯片CC2530。CC2530結合了領先的RF收發器的優良性能，業界標準的增強型8051 CPU，系統內可編程閃存，8 kB RAM和許多其他強大的功能[3]。CC2530具有多種工作模式，能夠在短時間內從休眠模式切換到主動工作模式，這保證了系統的超低功耗。其還自帶模數轉換功能，傳感器無須再外接模數轉換模塊，簡化了電路。每一個節點都有一個獨一無二的設備號用于與其他傳感模塊相區別，各節點安裝在不同的特定位置，實現定位功能。

2.2 協調器網關設計

協調器網關一方面要負責調度各路由器和傳感器模塊工作及信息采集;另一方面，要將火災信息通過以太網發送給監控模塊。由于CC2530受處理器速度與內存的限制，無法運行TCP/IP協議。要實現ZigBee網絡與以太網絡連接，必須依靠其他網絡芯片。本設計在CC2530協調器上外接RTL8019AS以太網模塊以實現以上功能。臺灣RETLTEK公司的網卡芯片RTL8019AS具有價格低、接口簡單、無須外加轉換芯片、兼容性強、ISA總線高度集成的優勢。CC2530與RTL8019AS連接結構如圖4所示。

2.3 監控模塊

PC主機通過串口與短信模塊連接組成。系統選用的短消息收發模塊是深圳百億科技公司生產的GPRS MODEM，而GPRS MODEM的核心是SIMENS的MC35i模塊。MC35i是新一代GSM/GPRS雙頻模塊，其實質上是一塊可以二次開發的無線調制解調器，可以快速、安全、可靠地實現數據和語音傳輸、短消息服務。

3 軟件簡述

內網系統中協調器和終端程序設計都通過在IAR Embedded Workbench for 8051開發環境下修改Z-Stack-CC230-2.5.1的SampleApp例程來完成。糾錯采用了經典推理技術中的Neyman-Pearson準則進行三類傳感器信息融合，進行加權計算。住戶手機數據存儲采用SQLite數據庫搭建。監控模塊火災報警管理平臺系統采用JSP技術開發，分為接口與后臺管理層、業務層、數據層、短信模塊4層。

4 結語

本文設計了一款基于ZigBee技術的高層火災自救指引系統，該系統通過ZigBee技術檢測和傳輸高層住宅火災情況，并把火災情況通過短信形式發送給住戶，以便住戶及時了解火災發生情況，并指引其采取自救措施，降低損失。

參考文獻：

[1]徐鴿.基于ZigBee的智能農業大棚監控系統設計[D].長沙：湖南農業大學，2014.

[2]于海濱，王中鋒.分布式無線傳感器網絡通信協議研究[J].通信學報，2004（10）：102-110.

[3]侯向鋒，毛涌，陳禮源，等.基于多傳感器信息融合的無線火災定位報警系統[J].湖北師范學院學報（自然科學版），2016（1）：34-40.

[4]王捷，田紅芳，周振渝.基于可組網數字溫度傳感器火災報警系統設計[J].儀表技術與傳感器，2007（1）：28-29.