基于ZigBee技術(shù)的建筑火災(zāi)低壓配電報警系統(tǒng)設(shè)計

劉 璐 翟大成 魏立明

（吉林建筑大學(xué) 電氣與計算機(jī)學(xué)院 長春 130118）

引言

本系統(tǒng)采用的控制芯片為CC2530芯片，復(fù)合型火災(zāi)感應(yīng)器檢測各種火災(zāi)信號，并通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)，將節(jié)點(diǎn)傳送到上位機(jī)服務(wù)器，顯示界面用的是LabView虛擬儀器。服務(wù)器負(fù)責(zé)系統(tǒng)的維護(hù)和管理，火災(zāi)確認(rèn)后，將采集的火警信息上傳到數(shù)據(jù)庫中，運(yùn)行相關(guān)的聯(lián)動控制裝置，客戶端具有監(jiān)測以及對火災(zāi)歷史數(shù)據(jù)的查詢功能，并清楚的顯示操作以及報警信息。

1 系統(tǒng)整體方案設(shè)計

系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)框架圖如圖1所示[1]。復(fù)合式火災(zāi)探測器檢測煙霧濃度、CO濃度以及溫度大小對火災(zāi)進(jìn)行一個初期的判斷，通過Zigbee無線通信將火災(zāi)信號經(jīng)路由節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)到協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)，然后經(jīng)協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)到服務(wù)器，服務(wù)器對該信號進(jìn)行分析，判斷是否發(fā)生火災(zāi)，若是，則經(jīng)過客戶端顯示出來，同時蜂鳴器立即報警最后由消防控制中心采取應(yīng)對措施。若不是，則復(fù)合式火災(zāi)探測器將繼續(xù)采集火災(zāi)的信息[2]。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

整個系統(tǒng)設(shè)計完成后，可實(shí)現(xiàn)以下幾個功能。

1）數(shù)據(jù)采集功能。通過復(fù)合式火災(zāi)探測器來檢測火災(zāi)信號，對采集的火災(zāi)信息進(jìn)行分析，來初期判斷火災(zāi)是否發(fā)生。

2）數(shù)據(jù)傳輸功能。利過Zigbee無線通訊技術(shù)對系統(tǒng)中的火災(zāi)信息進(jìn)行傳遞。

3）數(shù)據(jù)處理功能。處理分析接收到的火災(zāi)信息，處理判斷的最終結(jié)果在服務(wù)器端顯示出來。

4）火災(zāi)報警功能。一旦火災(zāi)發(fā)生，無線傳感器啟動蜂鳴器報警，通知消防控制中心，采取滅火措施。

5）聯(lián)動控制功能。發(fā)生火災(zāi)之后，控制相關(guān)硬件啟動。

2 復(fù)合式火災(zāi)探測器電路結(jié)構(gòu)設(shè)計

由于火災(zāi)的發(fā)生過程非常復(fù)雜，為了能夠?qū)κ占降幕馂?zāi)信號更加精準(zhǔn)的分析，需對收集到的這些火災(zāi)信息進(jìn)行全面的分析。其結(jié)構(gòu)框圖的設(shè)計如圖2所示。從結(jié)構(gòu)框圖中可以看到,對火災(zāi)信號進(jìn)行分析，當(dāng)檢測到的數(shù)據(jù)達(dá)到了報警要求時,就將煙霧，溫度以及CO濃度信息傳遞給相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)。

圖2 火災(zāi)探測器系統(tǒng)構(gòu)圖

3 系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計

3.1 報警電路設(shè)計

如圖3所示。蜂鳴器通過 PNP 型三極管進(jìn)行動作，在低電平時有效[4]。當(dāng)檢測的溫度，煙霧和CO 的數(shù)據(jù)達(dá)到報警的臨界數(shù)據(jù)時，芯片的I/O 口則置為低電平。發(fā)出報警信號。

圖3 報警器電路圖

3.2 溫度檢測電路設(shè)計

DS18B20數(shù)據(jù)溫度傳感器有著接線簡便的特點(diǎn)，在不同的包裝后可使用在不同的場所。關(guān)鍵是外觀可以依據(jù)應(yīng)用程序的不同而對其進(jìn)行修改。隨附的DS18B20可用于測量主機(jī)房溫度，測量蔬菜溫室溫度，等溫度高的場合。不易磨損，抗沖擊，體積小，方便使用，以多種形式封裝，可以用于在各種狹窄的室內(nèi)測試空間機(jī)械設(shè)備數(shù)據(jù)和各種操縱行業(yè)。結(jié)合系統(tǒng)所需和DS18B20的優(yōu)點(diǎn)特性，系統(tǒng)選用DS18B20傳感器進(jìn)行設(shè)計[5]如圖4所示。

圖4 溫度檢測電路圖

3.3 CO檢測電路設(shè)計

MQ-7氣體濃度傳感器在室內(nèi)空氣中檢測主要使用低導(dǎo)電率的氮氧化物和放射性氣體作為檢測材料[6]。隨著室內(nèi)空氣中所含一氧化碳?xì)怏w濃度的進(jìn)一步增，MQ-7傳感器的溫度和導(dǎo)電率進(jìn)一步的增加。在室內(nèi)高溫下被吸附的相對松弛的一氧化碳?xì)怏w，在室內(nèi)低溫下被快速洗滌。CO檢測控制電路設(shè)計原理如圖5所示，發(fā)生火災(zāi)時空氣中產(chǎn)生的大量一氧化碳有毒氣體可以利用MQ-7傳感器對電信號進(jìn)行檢測和采集，當(dāng)一氧化碳?xì)怏w濃度高時，輸出的電信號輸出值就會變高，從而可以判斷空氣中是否已經(jīng)發(fā)生了火災(zāi)。

圖5 CO檢測電路圖

3.4 煙霧檢測電路設(shè)計

采用了光電式的煙霧傳感器，在正常的工作時，通過發(fā)光器件二極管發(fā)出的一定的二極管發(fā)光量完全可以被受光器件準(zhǔn)確地接收得到；而當(dāng)空氣中有煙霧的時候，發(fā)光器件的二極管發(fā)射光會自然地被煙霧所遮擋，這樣就完全可以感覺到二極管發(fā)光量自然地減少，光電流的功率降低，探測器便可以準(zhǔn)確地發(fā)出報警的信號。

3.5 聯(lián)動控制設(shè)備設(shè)計

本火災(zāi)報警系統(tǒng)中繼電器采用的工作電壓是12 V，聯(lián)動電路控制的相關(guān)設(shè)備依靠繼電器進(jìn)行驅(qū)動，如圖6所示，當(dāng)繼電器火災(zāi)未及時發(fā)生，報警未啟動時，二極管開關(guān)一直置于常開，接入如圖6所示，二極管起著安全保護(hù)和放大的作用。其P0_7引腳輸出為高電平時，控制與滅火相關(guān)的設(shè)備啟動，起著對報警和聯(lián)動控制的保護(hù)作用[7]。

圖6 繼電器電路設(shè)計

4 火災(zāi)自動報警系統(tǒng)軟件設(shè)計

4.1 協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)設(shè)計

每個新的無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)只有一個新的協(xié)調(diào)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，所以所有的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)都必須在建立新的無線網(wǎng)絡(luò)之后，才能通過網(wǎng)絡(luò)請求新節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)。在Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)中除了一個完全固定的協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)，其他的節(jié)點(diǎn)地址都自由的分配，固定的地址設(shè)置為0×0000。協(xié)調(diào)的節(jié)點(diǎn)收集和發(fā)送無線網(wǎng)絡(luò)命令的途徑和方式實(shí)際上有很多種，在這里我們采用的是廣播的形式，收集處理由路由節(jié)點(diǎn)發(fā)送來的數(shù)據(jù)。如圖7，我們通過串口調(diào)試助手對協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)建立網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行測試，在圖中可以看到地址和波特率，我們的波特率設(shè)置為9 600 bps[8]。

圖7 協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)建立網(wǎng)絡(luò)

4.2 路由節(jié)點(diǎn)設(shè)計

在此系統(tǒng)中，路由節(jié)點(diǎn)主要協(xié)助完成復(fù)合式命令，與其他協(xié)調(diào)式節(jié)點(diǎn)之間傳遞報警信息,以及接到報警命令后使其他聯(lián)動設(shè)備發(fā)生動作。先進(jìn)行初始化,然后管理人員確認(rèn)路由節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建了一個無線網(wǎng)絡(luò)。如果用戶通過路由節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信件向節(jié)點(diǎn)申請加入，節(jié)點(diǎn)管理人員可以在協(xié)調(diào)的階段節(jié)點(diǎn)回復(fù)感應(yīng)器的。

申請加入網(wǎng)絡(luò)成功后，再綁定地址，傳送數(shù)據(jù)到無線監(jiān)控中心，對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

4.3 聯(lián)動控制設(shè)備設(shè)計

發(fā)生火災(zāi)時，服務(wù)器通過客戶端的Zigbee無線通訊向終端節(jié)點(diǎn)的各層發(fā)送報警信號，并通過終端節(jié)點(diǎn)控制道路調(diào)整終端節(jié)點(diǎn)，通過各層的通訊向路徑節(jié)點(diǎn)發(fā)送火災(zāi)報警信號。

4.4 復(fù)合式火災(zāi)探測器設(shè)計

在發(fā)生火災(zāi)時，火災(zāi)的信息通過設(shè)計的復(fù)合式火災(zāi)探測器被及時的采集，并將采集的數(shù)據(jù)傳遞給路由節(jié)點(diǎn)[9]。采集到的煙霧濃度、CO濃度以及溫度的信號都是模擬信號，正常需要額外設(shè)計電路進(jìn)行轉(zhuǎn)換。由于本系統(tǒng)采用的CC2530芯片自帶轉(zhuǎn)換的功能[10]。轉(zhuǎn)換后的火災(zāi)信號與構(gòu)成報警動作的臨界值直接進(jìn)行比較，當(dāng)超出報警的臨界值后，便通過ZigBee通信網(wǎng)絡(luò)傳遞給服務(wù)器，等待服務(wù)器回復(fù)命令。

4.5 上位機(jī)顯示界面設(shè)計

在火災(zāi)事故自動報警設(shè)備中，主計算機(jī)軟件接收到推送來的監(jiān)測數(shù)據(jù)后，必須對每個傳感器收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，分析數(shù)據(jù)是否超過了設(shè)置的閾值，然后判斷是否進(jìn)行報警。主要是對溫度，一氧化碳濃度和煙氣濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。其數(shù)據(jù)分析頁面如圖8所示。其中設(shè)置了溫度，CO濃度和一氧化碳煙霧的濃度三個數(shù)據(jù)的閾值。數(shù)據(jù)分析的重點(diǎn)是在數(shù)據(jù)采集中包括每個房間的信號、溫度、煙霧和一氧化碳的實(shí)時顯示信息位于數(shù)據(jù)的匹配部分。一旦設(shè)置了溫度，煙霧和相應(yīng)一氧化碳煙霧數(shù)據(jù)的濃度超過了閾值，數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)處的指示燈和相應(yīng)的系統(tǒng)監(jiān)督管理軟件警報的指示燈將會實(shí)時閃爍,并且每個數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)和相應(yīng)火災(zāi)計算機(jī)警報系統(tǒng)軟件記錄的溫度變化的曲線將會實(shí)時存儲在上位火災(zāi)計算機(jī)警報軟件和系統(tǒng)監(jiān)督管理軟件中，提示用戶監(jiān)督管理人員及時解決。

圖8 火災(zāi)自動報警系統(tǒng)上位機(jī)

5 系統(tǒng)測試

5.1 數(shù)據(jù)采集測試

在投入使用前，對采集到的信號是否傳遞成功進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的測試。該測試?yán)么谡{(diào)試助手觀察所收到集的煙霧、CO 和溫度等測試數(shù)據(jù)。并檢測在火災(zāi)信號發(fā)生變化之后，信號是否可以正常的進(jìn)行傳遞。系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)如圖9所示。

圖9 數(shù)據(jù)接收

5.2 數(shù)據(jù)接收測試

需要對系統(tǒng)進(jìn)行測試，以確定是否可以接收到下層網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。數(shù)據(jù)信息通過串口調(diào)試助手向服務(wù)器端發(fā)送。在客戶端，收集的火災(zāi)報警信息將被發(fā)送至服務(wù)器端，隨后彈出如圖10所示的報警頁面。說明發(fā)送的火災(zāi)信號能夠被服務(wù)器順利接收，說明火災(zāi)數(shù)據(jù)的接收過程能夠正常運(yùn)作。

圖10 報警窗口

6 結(jié)論

本文針對火災(zāi)頻繁發(fā)生，但傳統(tǒng)火災(zāi)報警系統(tǒng)的布線繁瑣、誤報警率高等問題進(jìn)行了深入研究，將ZigBee無線傳感技術(shù)應(yīng)用到火災(zāi)報警控制系統(tǒng)中，硬件采用CC2530芯片，經(jīng)濟(jì)且低功耗。軟件方面采用Labview對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行訪問，設(shè)計客戶端顯示界面。通過實(shí)驗測試測得該系統(tǒng)可以準(zhǔn)確對火災(zāi)進(jìn)行分析和處理，為未來消防專業(yè)人士開發(fā)出更好的更全面的無線方式火災(zāi)自動報警監(jiān)控系統(tǒng)提供了參考與借鑒。