無線通信技術在地鐵火災自動報警系統中的應用

吳 輝 梁金桃 孫小通

（1.廣州地鐵設計研究院股份有限公司，廣東 廣州 510010；2.廣州保得威爾電子科技股份有限公司，廣東 廣州 510535）

隨著城市的發展，城市規模不斷擴大，城市交通面臨日益巨大的壓力。在地面交通設施不能解決城市客運和貨運的情況下，地下鐵路運輸已經成為一種非常重要的城市交通方式。我國大多數一線城市都有地鐵系統或者正在進行地鐵建設。地鐵運輸是緩解城市交通壓力的重要方式，但地鐵運輸也存在一定程度的安全隱患，主要是來自火災的威脅[1]。因為地鐵系統的主體部分位于地下，并且運輸的人員數量多且較為密集，逃生出口有限且狹小，所以一旦發生火災將導致重大的生命和財產損失。地鐵系統專業設置多，設備、管線布置密集，部分區域檢修空間不足，探測效果不好，為了盡量減少設置管線，保證探測器及時、快速地探測到火情，有效地解決地鐵消防安全問題，最理想的措施就是配置齊全的報警系統，能夠在第一時間發現火災并發出警報，為人員逃生爭取更多的時間[2]。該文對基于無線通信技術的火災自動報警系統進行研究，如何配置數量豐富的檢測和報警節點，成為地鐵火災自動報警系統設計的關鍵。其中，無線通信技術是最佳的通信方案[3]。該文以地鐵系統的火災報警為研究對象，基于無線通信技術進行軟硬件設計，進而通過試驗加以驗證。

1 地鐵火災自動報警系統無線通信節點的硬件設計

在無線通信技術框架下，每個無線節點配置主控芯片、傳感器、無線通信模塊，就可以監測地鐵是否存在災情。一旦發生火災，就可以通過傳感器采集到，進而一邊報警一邊將信息通過無線協議傳輸到上級控制系統。因此，無線通信節點即無線傳感器節點是該文設計的重點。

在該文無線傳感器網絡節點設計中，選用了FPGA 作為主控芯片，選用ZigBee 協議作為無線通信的基礎協議，因此，通過這兩項核心技術進行相應的硬件設計。

先來構建無線傳感器網絡節點的硬件總體結構方案。因為選擇了FPGA 芯片作為主控芯片，所以各部分功能的實現都要通過FPGA，ZigBee 無線通信模塊也屬于各種功能的一部分。依據這個思路，給出該文無線傳感器網絡節點硬件設計的總體方案如圖1 所示。

從圖1 可以看出，圍繞著FPGA 芯片，周圍分別設置了配置功能模塊、電源功能模塊、氣霧傳感器模塊、二氧化碳傳感器模塊、顯示模塊、報警模塊、串口通信功能模塊、I/O 口功能模塊。其中，串口通信功能模塊可以和ZigBee 無線通信功能模塊進行連接，I/O 口功能模塊又進一步可以和數模轉換模塊進行連接。

圖1 無線傳感器網絡節點硬件結構方案

其中，氣霧傳感器模塊、二氧化碳傳感器模塊可以采集地鐵內的環境信息，用于判斷是否發生火災。ZigBee 無線通信模塊的功能是無線組網并與上位機聯系。顯示模塊用于在采集處完成視頻顯示，提示現場人員逃離。報警模塊通過蜂鳴器產生報警信息，用聲音的形式提示現場人員逃離。

對應于這個總體結構方案，該文先要針對FPGA 核心處理器和ZigBee 協議處理模塊進行主要芯片的選型工作。

1.1 FPGA 芯片選型

FPGA 芯片是該文無線傳感器網絡節點硬件結構中的核心處理器，最終選用Xilinx 公司的Spartan-3 型號的FPGA 芯片。這款FPGA 芯片的功能豐富、功耗管理性能優良，同時其成本低并且可以執行多域優化處理。

從制造工藝上看，Spartan-3 型號的FPGA 芯片，內置的門數目可以達到500 萬個，邏輯單元的數量接近75000 個。

從集成功能上看，Spartan-3 型號的FPGA 芯片，整合了存儲功能、I/O 功能、運算功能、邏輯功能、資源管理功能。

從外聯部件上看，Spartan-3 型號的FPGA 芯片，可以連接穩壓器部件、緩沖器部件、驅動器部件、電容部件等。

從復雜系統得定制性能上看，Spartan-3 型號的FPGA 芯片，具備了非常齊全的IP 庫，特別有利于網絡的快速定制。

在Spartan-3 系列中，該文最終選定了XC3S400 這一型號的芯片作為核心處理器芯片，該型號的FPGA 切片數目達到4032 個，分布式內存大小為56kB，塊內存大小為288kB，內部時鐘為4 個，輸入輸出結構為264 個，可用乘法器為16個。從這些技術參數可知，這種FPGA 芯片可以實現無線傳感器網絡節點的各種功能，包括ZigBee 無線通信功能的實現。

1.2 ZigBee 芯片選型

在該文的 ZigBee 無線通信模塊中選取Chipcon 公司的CC2430 芯片。這款芯片廣泛應用于智能家居領域、遠程抄表領域、地下停車場監控領域、醫療服務監控領域、物聯網領域。其協議標準為IEEE802.15.4，具有功耗低、抗干擾以及抗噪強等優點。在無線接收狀態下，CC2430 芯片僅消耗27mA 的電流；在發送狀態下，CC2430 芯片僅消耗25mA 的電流。

從結構上看，CC2430 芯片內置了高性能8051 控制器，配置了無線射頻收發器，內置了14 位大小的A/D 轉換器，配備了AES 安全控制器，內嵌1 個16 位計時器和2 個8 位計時器。

2 地鐵火災自動報警系統無線通信節點的軟件設計

2.1 ZigBee 與上位機的通信軟件設計

這部分的設計是為了測試 ZigBee 無線通信模塊上串口功能的有效性。從硬件上將ZigBee 無線通信模塊的串口和PC 上的串口進行連接，進而通過相應的軟件設計實現串口之間的通信過程。

相應的軟件設計流程如圖2 所示。

從圖2 中所示的流程可知，當ZigBee 無線通信模塊上電以后，先檢測LED 指示燈的狀態，進而對串口執行初始化處理，然后開始向PC 機發送接通的初始數據信息，接收到來自PC 的反饋信息后，開始向PC 串口發送數據信息。

圖2 ZigBee 模塊與上位機通信的軟件設計流程

2.2 ZigBee 模塊間的通信軟件設計

在無線傳感器網絡的實際組網和使用過程中，各個節點之間的通信就是通過ZigBee模塊之間的無線通信實現的。因此，該文對ZigBee 模塊之間的通信進行相應的軟件設計。

軟件設計的具體流程如圖3 所示。

圖3 ZigBee 模塊之間通信的軟件設計流程

從這個流程圖中可以看出，先分別設定2個ZigBee 模塊通信的源地址和目的地址，之后進行射頻工作的初始化處理。這個初始化的工作需要在DMA 管理模塊中申請通信所用的傳輸信道，以及配置無線通信過程的發送頻率信息等。初始化工作完成后，設定發送次數有關的計數器狀態，2 個ZigBee 模塊分別進入發送狀態和接收狀態。

兩個ZigBee 模塊中的LED 指示燈輪流閃爍，標志著模塊之間的通信過程在持續進行。

2.3 無線模塊顯示功能軟件設計

在地鐵火災監測系統中，每個無線節點上的顯示模塊和報警模塊，是用于提示人群躲避火災的重要模塊。其中，報警模塊采用蜂鳴器，其軟件控制比較簡單。顯示模塊則需要給出詳細的軟件設計。

顯示功能可以使地鐵內的人員直接查看是否發生火災以及是否需要疏散的信息。該文的顯示模塊，在硬件上選用了12864 型號的LCD 液晶顯示模塊。這個芯片上設置三種不同類型的控制接口，即1 個8 位的處理器接口、1 個4 位的處理器接口、1 個串口。從功能封裝上來看，包括內存顯示和字型設置的所有功能都集成在這個芯片中，使用這些功能時只需要1 個處理器即可。

12864 型號的LCD 液晶顯示模塊的具體功能包括顯示屏畫面清楚功能、開關顯示功能、光標的移位處理和歸位處理功能、光標的顯示處理功能和隱藏處理功能、顯示屏垂直畫面的旋轉功能、模塊整體的待機處理功能、顯示屏的反色處理功能。

從顯示字型上看，12864 型號的LCD 液晶顯示模塊的ROM 中封裝了8192 種中文字型，同時還提供了一個64×256 個點陣的顯示繪圖區域。顯示模塊的流程圖設計如圖4 所示。

3 地鐵火災自動報警系統驗證試驗

為了驗證該文設計的基于無線通信技術的地鐵火災報警系統的有效性，接下來進行測試試驗。測試的過程中，以一個100m2的密閉房間為試驗場地，以消防演習用煙餅點燃作為模擬火源。點燃煙餅后，將產生煙霧、二氧化碳氣體。在整個密閉試驗場地內的隨機位置處，布置10 個該文設計的無線傳感器節點。

這10 個節點采集的氣霧濃度變化見表1。

為了便于直觀地顯示表1 中的數據，將其繪制成曲線的形式，如圖5 所示。

根據表1 中的數據和圖5 中的曲線結果可知：隨著試驗的進行，試驗環境內氣霧濃度的增加，10 個無線節點采集到的氣霧濃度信息都發生了變化。但是變化的強弱和變化的時間存在一定差異，這與10 個無線節點所在的位置不同有關。但無論位置如何，10 個無線節點都采集到了氣霧濃度的異常信息，當氣霧濃度超過10%以后，節點的顯示模版和報警模塊，分別通過視頻和聲音的形式發出警報，從而證明了該文研究對地鐵內火災自動報警是準確、有效和實時的。

圖5 無線通信節點采集的氣霧濃度變化曲線

表1 試驗中10 個節點采集氣霧濃度的變化

4 結論

因地下空間局促和逃生口數有限等條件的限制，地鐵空間內發生火災將造成重大的生命和財產損失。為此，該文依托無線通信技術設計了地鐵火災自動報警系統。這一套系統，以FPGA 為核心控制芯片，以ZigBee 技術為無線通信協議。每個無線節點上分別設置了配置氣霧傳感器、二氧化碳傳感器、顯示模塊、報警模塊、無線通信功能模塊。在硬件設計的基礎上，進一步對每個無線節點的通信功能進行了軟件設計，給出了具體的流程圖。驗證試驗表明：參與試驗的10 個無線節點，氣霧傳感器準確監測到火災的發生，并能通過顯示模塊和報警模塊以視頻和聲音的形式報警，而無線通信模塊也將火災監測信息順利發送到上位機。后續對筆者技術對無線探測的運營管理方式進行探索，推進無線火災探測技術在地鐵環境的實際應用。