基于ZigBee的室內安全報警系統

王陳政，范 恩，曹良波，邱云明，胡珂立

（1.紹興文理學院，浙江 紹興 312000；2.深圳大學 物理與光電工程學院，廣東 深圳 518060）

0 引 言

物聯網技術、傳感器技術、無線通信技術的快速發展為構建有效的室內環境報警系統提供了良好的技術支持[1-4]。ZigBee具有成本低、功耗低等優點，適合室內傳感器間周期性、間歇性和低響應時間的數據傳輸[5-9]。

傳統的室內安全警報系統一般由多個傳感器和相關線路組成，布線繁瑣、結構復雜、成本高，且不便于維修和拓展[10-11]。為解決上述問題，本文設計了一種基于ZigBee的室內安全報警系統。該系統首先采用低功耗無線專用芯片CC25300以及ZigBee技術構建無線傳感器網絡，然后將傳感器采集的煙霧濃度、室內溫度等數據通過無線傳輸網絡發送給協調器，最后協調器對數據進行過濾分析后傳輸給上位機。因此，用戶可以通過該系統實時獲取室內信息，有效避免有線火災警報系統存在的不足，同時滿足低成本、低功耗、低速率的市場要求，可廣泛應用于學校、工廠和小區等場所。

1 系統的設計思想

為減少火災、煤氣中毒等安全事故的發生，本文設計了一種基于ZigBee的室內安全報警系統，設計思路如下：

（1）信息采集：利用煙霧傳感器、溫濕度傳感器采集相關數據并發送給協調器，通過協調器將數據傳輸給上位機；

（2）信息處理：收到數據后，協調器實時過濾，剔除無效數據，對有效數據進行綜合分析，判斷是否需要啟動聲光報警器；

（3）信息顯示：利用基于Python開發的程序實時顯示下位機傳輸的信息，通過程序界面修改報警閾值；

（4）信息存儲：上位機程序利用MySQL數據庫保存下位機采集的數據；

（5）數據查詢：建立Web網站，通過瀏覽器訪問數據庫。

2 系統開發與實現

2.1 系統組成

如圖1所示，室內安全報警系統主要由4個模塊組成，即數據采集處理模塊、報警模塊、數據傳輸模塊以及圖形化界面顯示模塊。數據采集處理模塊由多個傳感器組成，主要負責數據采集，并對數據進行預處理；報警模塊由聲光報警器組成，實時監聽報警命令，接收到指令后立即報警；數據傳輸模塊由ZigBee協調器、路由器、終端節點組成，主要負責ZigBee組網、數據傳輸；圖形化界面顯示模塊包括數據庫以及上位機應用程序，數據庫保存下位機采集的數據，上位機應用程序將采集的數據顯示在圖形用戶界面上。

圖1 系統功能架構

MQ-2型煙霧傳感器：該傳感器屬于二氧化錫半導體氣敏材料、表面離子式N型半導體。當室內溫度處于200～300 ℃時，二氧化錫會吸附空氣中的氧氣，使半導體的電子密度減少、電阻值增加。當與煙霧接觸時，如果晶粒間界處勢壘受到煙霧的調制而發生變化，那么電導率就會發生變化。煙霧濃度越大，電導率越大，電阻越低。

DHT11溫濕度傳感器：該傳感器是一款含有校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器，具有響應快、抗干擾能力強、性價比高等優點。本系統通過CC2530 I/O口讀取DHT11傳感器的溫濕度數據。

聲光報警傳感器：該傳感器包括紅、綠、藍3種顏色，當報警燈的引腳為高電平時報警燈滅，低電平時報警燈亮。

ZigBee無線通信協議：該協議是一種低速短距離傳輸的無線網上協議，底層采用IEEE 802.15.4標準的媒體訪問層與物理層。ZigBee無線通信一般含有3類節點類型：協調器（負責建立ZigBee網絡、信息收發）、終端節點（信息采集、接受控制）和路由節點，其運行流程如圖2所示。

圖2 無線通信協議運行流程

2.2 系統數據庫設計

圖3所示為室內安全報警系統的數據庫表結構。數據表中主要包括的字段：id，表示記錄的索引；time，表示數據采集的時間；temp，表示溫濕度傳感器的溫度信息；air，表示煙霧傳感器采集煙霧和可燃氣體的濃度。通過數據庫能夠實時存儲各傳感器采集的數據以及相關信息，方便用戶查詢、管理和分析。

圖3 數據庫表結構

3 系統測試

3.1 傳感器數據采集測試

將協調器通過串口與PC相連，然后啟動所有節點并燒錄程序，待節點全部加入網絡后，在串口助手中查看節點發送的數據，如圖4所示。節點全部啟動并加入網絡后，可在LCD上查看傳感器采集的數據，如圖5、圖6所示。如果使用打火機對煙霧傳感器噴氣，此時聲光報警器發出警報。

圖4 串口數據接收測試結果

圖5 溫濕度傳感器采集數據顯示

3.2 實時數據顯示測試

將協調器通過串口與PC相連，啟動上位機應用程序，在用戶圖形界面上可以看到實時顯示的溫度、煙霧濃度、有無人活動和環境安全狀態，通過折線圖顯示數值的變化情況。用戶可通過修改溫度和煙霧濃度的閾值改變系統的報警狀態，如圖7所示。通過瀏覽器訪問服務器時，可通過設置時間表單查看指定時段采集的數據，如圖8所示。

圖7 圖形用戶界面顯示效果

圖8 歷史數據查詢測試效果

4 結 語

室內安全監測對生產、生活十分重要。傳統的室內安全警報系統布線繁瑣、結構復雜、成本高，不便于維修和拓展。為此，本文根據室內實際安全監測需求，開發了一套基于ZigBee的室內安全警報系統。該系統基于ZigBee技術，采用溫濕度傳感器、聲光電傳感器、煙霧傳感器等組網，利用數據庫實現多傳感器數據的存儲和管理，同時開發軟件實時顯示數據。實驗表明，該系統能夠實時監測室內的溫度、煙霧濃度等環境參數，實現智能報警，從而有效減少室內安全隱患。此外，用戶可以實時查看各項傳感器數據，根據具體需求對室內安全級別進行優化。