基于ZigBee無線網絡的火災監控系統設計

譚涵

【摘要】在本論文中，設計了一種低功耗、多參數的復合火災探測節點，該節點可以檢測溫度、煙霧濃度和CO氣體濃度，并結合無線傳感器網絡（WSN），建立了一套實時無線火災監控系統。該系統應用于以古建筑為代表的特殊情況下的火災檢測。其中，系統的硬件和軟件實現基于2.4GHz無線通信芯片CC2430。系統中采用ZigBee協議，形成可靠的無線通信。實驗結果表明，傳感器節點之間能夠自動連接并形成網絡，系統在無線火災探測中能夠有效、穩定地工作。

【關鍵詞】ZigBee;無線網絡;火災監控系統? ? ? ? ? ?【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021.34.034

1、引言

是否發生火災通過機器去判別，就要了解火災發生的特點[1]。傳統的火災監控系統需要在區域內布置線路，安裝過程繁瑣，且對環境造成破壞。無線網絡是一個伴隨新興技術發展而發展起來的重要項目的優勢越來越明顯。因此，將火災探測技術與無線傳感器網絡相結合，逐漸成為探測火災發生的重要研究點。

ZigBee技術是一項無線通信技術，其主要的一些優點有損耗低而且適合短距離強信號傳輸的設備，主要用于無線傳感網絡，自動控制和遠程控制區域。它通常被認為是一種最佳的無線方式通信協議，因為它完全滿足要求并具有較高的無線傳感器網絡應用性能可靠性、自組織網絡、自修復能力大型網絡卷[2]。

2、消防監控系統結構

在火災監測系統中，一般都會采用一些成本較低的傳感設備用于信息檢測和傳輸，用于檢測區域內的火災參數。組成ZigBee網絡需要三種節點：檢測節點、路由器和協調器。將傳感器節點配置為ZigBee網絡中的檢測節點，實現CO氣體濃度、煙霧濃度、溫度等火災參數信號的實時數據采集。協調員負責PAN（個人局域網）的形成，并從所有檢測節點收集數據。路由器主要負責數據的存儲和發送、發現與連接設備、路由表的維護、數據的轉發和網絡鏈路的維護，再通過rs485傳輸協議進行通信。該系統采用ZigBee雜波樹網絡拓撲結構，采用CSMA/CA原理，傳輸模塊具有更好的信息隱藏、抗干擾、自愈和覆蓋范圍大等優點。在計算機中運行專門的火災監控后臺軟件，接收協調器上傳的信息進行處理和顯示，實現監控區域的快速狀態反映。

檢測節點不僅可以通過多跳路由自動配置網絡，還可以感知溫度、濕度和煙霧濃度。基站負責收集各檢測節點的數據，并將數據傳遞給計算機進行處理和顯示。

3、硬件設計

3.1 火災探測節點的結構

ZigBee的無線檢測主要的數據接收是CO的數據，另外還包括溫度和煙霧濃度等。數據處理單元控制節點對檢測數據進行處理。數據傳輸單元完成與路由器和協調器的交互。電源單元負責節點的能源[5]。

3.2 無線收發和處理模塊

本系統采用CC2430作為無線收發和處理模塊的核心，CC2430是本文所選取的實現火災報警的單片機設備。CC2430收發器的核心是一個高效能的8051控制器，有128 kb的 Flash，定時器為看門狗，其中的輸入輸出口有22個[3]。外圍電路包括晶體振蕩器時鐘電路、射頻輸入輸出匹配電路和微控制器接口電路。模塊采用高增益垂直天線，采用2.4G SMA專用接口。

由于芯片的功能非常強大，它只需要很少的外部組件就可以工作，大大簡化了設計。考慮到其集成度高、功耗低的特點，因此我們就選擇CC2430為信息處理部件。這樣既可以在很大程度上減少硬件投資，又能滿足工程的要求。

3.3 火災參數檢測模塊

火災剛起時，明火不大但能產生更多的CO氣體，而且溫度會升高。基于這些參數，我們設計了一個火災檢測模塊，包括煙霧檢測單元、一氧化碳氣體檢測單元和溫度檢測單元三部分。這三個部分共同實現了煙霧濃度、CO氣體濃度和溫度的檢測。

本文的光帶你探測電路，主要工作原理是煙顆粒會發出紅外光，紅外光會使二極管產生電信號。發射機晶體管的基極連接到CC2430的I/O管腳，輸出一個脈沖控制紅外發射二極管的開/關，產生的信號通過前置放大電路和后置放大電路進行調節放大。最后將信號發送到CC2430中的AD轉換器，脈沖引腳低電平關閉采用紅外發光二極管，以節省電源。

（1）系統采用低功耗數字溫度傳感器TMP102進行實時溫度檢測。TMP102是一種工業上所采用的比較靈敏的溫度傳感設備，可在一個微小的SOT563封裝，其能采集到的溫度值的精度達0.0625°C[4]。由于其具有低功耗和數字化的優點，TMP102是火災監控系統中理想的溫度測量工具。TMP102通過IIC總線與CC2430的I/O管腳相連。

（2）本系統采用選擇的采集一氧化碳有毒氣體的檢測設備為RAE_4CO-500。其檢測范圍可以達到0-500ppm，分辨率為1ppm，線性度非常好。4CO-500傳感器檢測CO氣體并輸出微弱電流信號，實現氣體濃度轉化為電流信號，電流信號由電流電壓轉化模塊轉成電壓信號，最后再通過電子元器件將模擬信號轉化為數字信號。經相關數據處理后，信號由射頻模塊發出。

4、軟件設計

4.1 軟體開發平臺

在系統通信程序設計中，經常使用IAR的嵌入式工作臺，它是目前世界上最完整、最簡單的嵌入式應用專業開發工具。

4.2? ZigBee技術

與Wi-Fi和藍牙技術類似，ZigBee也可以在ISM無線頻段運行，數據傳輸速率250kbps，ZigBee （IEEE 802.15.4）技術為低速率無線PAN指定了物理和介質訪問控制層，傳輸速率高達10米，16個通道定義在2.4 GHz頻段，但更窄的2 MHz頻段，也不重疊，因此，多達16個ZigBee網絡可以在同一區域同時共存。最新的ZigBee版本支持ZigBee Pro標準中的頻率跳頻，這允許ZigBee PAN在前一個頻道發生重載時從一個頻道移動到另一個頻道。該通信模型要求它將工作分配到多個不同的設備中，這些設備駐留在單獨的ZigBee節點中，這些節點又形成了一個網絡。ZigBee是一種低功耗、低成本的無線網狀網絡標準，為用戶提供網絡、安全和應用支持服務另外其還具有高容量的特性。ZigBee網絡可以構造成不同的類型，一個主節點可以管理254個節點，每個節點還可以擴展到更大的網絡。整個網絡理論上可以有65535個節點。

4.3 軟件流程

ZigBee無線傳感器網絡中的檢測節點部署在檢測區域，采集和傳輸信息，協同完成分配的任務。在每個節點上運行的程序可以完全相同，但ID是唯一的。為了達到低損耗，主要采用的是傳感器定時喚醒機制，降低信息碰撞的概率，延長網絡的壽命。協調器建立標識符，而且將短地址設置為零，主要實現節點與路由器的連接。當節點接收到信號后。

我們采用微軟的軟件設計平臺，選取VC++語言為編程語言，該軟件通過串口與協調器連接來獲取數據。通過處理和分析，顯示溫度、煙霧濃度、CO濃度信息，便于實驗觀察。利用神經網絡算法確定火災的發生，進一步降低了誤報的可能性。當火災被證實時，就發出警報。

5、實驗與統計分析

通過實驗驗證了我們所采用的硬件以及ZigBee協議的有效性。結果表明，檢測節點能在有效通信距離內自動形成網絡，單個節點故障不影響整個網絡的數據傳輸。

我們采用國標GB 4715 - 2005對點型起火點火災探測設備選取6檢測節點，節點1到節點6，分別安排在三米循環標準火災實驗室和標準的棉繩火是用于測試。此外，我們還安裝了標準的光學煙霧密度計來檢測煙霧數據，以供參考。變化趨勢相似，但節點1、3對煙度的響應時間小于有線光密度計。實驗結果表明，所設計的檢測節點具有較高的靈敏度。

結果表明，由于火災開始時存在陰燃階段，溫度變化較慢。由于節點與火源的距離不同，節點檢測到的溫度也不同，但上升趨勢是一致的。

實驗中使用多個檢測器同時檢測給定濃度的CO標準氣體，并根據采集的數據對每個檢測器進行重復分析和校準。并安排各檢測器檢測不同濃度的標準CO氣體，通過檢測數據分析其線性關系。CO的標準濃度分別為99ppm、203ppm、303ppm、50.3ppm、397ppm、502ppm。該檢測器響應時間極短，可檢測相應濃度的標準值。當濃度不變時，數據保持穩定。該檢測器線性度好，靈敏度可達1ppm。實驗結果表明，該探測器線性度好，靈敏度高。因此，該探測器能在火災早期靈敏地檢測出CO氣體濃度的變化。

結論：

基于ZigBee構建的無線火災自動報警系統克服了有線報警系統的局限性，避免了其他無線通信技術的高功耗。與現有的無線傳感器網絡相比，具有成本低、網絡容量大、使用壽命長等優點。該系統采用多探測節點協同工作，多參數精確識別火情。采用CO濃度作為火災參數，既可以快速檢測火災，又可以補償酒精火災等無煙火災的檢測。系統選用了低功耗芯片，設計了低功耗硬件電路。在不適合布置有線火災報警系統的特殊場所的消防安全和監控方面，這種系統有其獨特的優勢，具有廣闊的應用前景和重大意義。

參考文獻：

[1]劉世興，涂德峰，張永明.基于無線傳感器網絡的多參數火災探測，Proceedings 2009 IEEE International Conference on icis2009.11 vol .3，P203-206。

[2]張云洲，薛定宇，吳成東，等.一種無線傳感器網絡節點的設計與實現，P：1 - 4.DOI：1109 / WiCom.2008.906。

[3]王慶柱，劉榮昌，馬玉泉，等.基于ZigBee技術的礦井報警系統應用研究，P2537 2540。

[4]德州儀器

[5]Yue， REN， Ru-yue， et al. Soil Temperature and Humidity Monitoring System Design for Farm Land Based on ZigBee Communication Technology[C]// 2019.