鄧理文，劉曉軍，扶宣伊，賈 南

(中國人民警察大學，河北 廊坊 065000)

建筑物內(nèi)部的火災探測系統(tǒng)承擔火災初期的探測工作，并為后續(xù)的火災聯(lián)動系統(tǒng)提供信號支持。目前，建筑物內(nèi)設置的火災探測系統(tǒng)大多采用有線連接，有線系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸比較穩(wěn)定，很少存在掉包漏數(shù)據(jù)的情況，但在一些特定場所，如古建筑、老舊居民小區(qū)或者未安裝火災報警系統(tǒng)需后續(xù)加裝的場所等，有線系統(tǒng)就存在布線困難的問題。無線火災報警系統(tǒng)利用無線傳感技術(shù)，不僅解決了布線困難、安裝不靈活等問題，而且還能與智能建筑設施結(jié)合，為消防救援和日常管理提供更多的有效信息。

1 無線火災探測技術(shù)

近年來，國內(nèi)外出現(xiàn)了無線火災報警系統(tǒng)，這種系統(tǒng)的出現(xiàn)得益于微電子技術(shù)和通信技術(shù)的快速發(fā)展，也彌補了有線制系統(tǒng)在特定場所布線困難的缺點。目前應用較多的幾種無線通信技術(shù)有：RFID無線射頻技術(shù)，WiFi無線網(wǎng)絡通信技術(shù)，Bluetooth藍牙技術(shù)，UWB超寬帶技術(shù)以及ZigBee無線通信技術(shù)。表1列出了這幾種技術(shù)的技術(shù)參數(shù)[1]。通過表中對比發(fā)現(xiàn)，ZigBee技術(shù)成本低、功耗小，其通信速率可以滿足一般的低速率數(shù)據(jù)傳輸需求，故本文采用ZigBee技術(shù)作為無線火災探測系統(tǒng)的傳輸方式，并對其網(wǎng)絡的軟硬件進行設計。

表1 技術(shù)參數(shù)

2 基于ZigBee的無線火災探測系統(tǒng)

2.1 ZigBee網(wǎng)絡及協(xié)議

ZigBee的組網(wǎng)系統(tǒng)一般包括協(xié)調(diào)器、路由器、終端三種設備。其中協(xié)調(diào)器是整個網(wǎng)絡的核心，負責網(wǎng)絡的初始化和對其他設備進行分址，所有的數(shù)據(jù)都匯集于此，通過協(xié)調(diào)器再傳輸?shù)絇C端[2]。一個ZigBee網(wǎng)絡一般只有一個協(xié)調(diào)器，所以這個協(xié)調(diào)器必須是全功能設備，且對它的日常維護也非常重要。路由器相當于傳輸過程中的中繼站，終端如果離協(xié)調(diào)器太遠，超過了額定傳輸距離，就可在網(wǎng)絡中加入路由器，數(shù)據(jù)從終端流出通過路由器傳送給協(xié)調(diào)器。ZigBee的組網(wǎng)方式一般有星型、簇型、網(wǎng)狀三種，如圖1所示。星型組網(wǎng)是最簡單的組網(wǎng)方式，終端設備直接將數(shù)據(jù)信息傳給協(xié)調(diào)器，且終端設備間的信息傳遞也需要通過協(xié)調(diào)器進行中轉(zhuǎn)，所以這種組網(wǎng)方式需要限制終端的數(shù)量，從而導致網(wǎng)絡的通信距離縮短。簇型組網(wǎng)又稱樹狀組網(wǎng)，幾個終端設備可將信息匯集到路由節(jié)點，再由路由節(jié)點傳輸至協(xié)調(diào)器，這種組網(wǎng)方式可降低節(jié)點能耗，延長網(wǎng)絡壽命，不過一旦路由節(jié)點損壞，就會造成相應區(qū)域的數(shù)據(jù)癱瘓。網(wǎng)狀組網(wǎng)是節(jié)點之間完全點對點傳輸，終端節(jié)點會自動搜尋周邊加入到網(wǎng)關節(jié)點最短路徑的節(jié)點，但這種組網(wǎng)方式能耗大，并且網(wǎng)絡中節(jié)點的信標不統(tǒng)一[3]。

圖1 ZigBee組網(wǎng)方式

ZigBee網(wǎng)絡協(xié)議采用分層結(jié)構(gòu)，每一層都有各自的任務。其中PHY(物理層)負責射頻信號的接收與發(fā)射，信號頻率的選擇，根據(jù)IEEE 802.15.4標準，ZigBee信號可在868～868.6 MHz、902～928 MHz、2 400～2 483.5 MHz三種頻道上工作；MAC(網(wǎng)絡層)作用是網(wǎng)絡信標的分配和接收，確保設備的同步時隙，為兩個設備間的連接提供可靠的保證；NWK層是為節(jié)點的加入和離開分配路由；APL層負責維持綁定路由表和轉(zhuǎn)發(fā)兩個綁定設備間的信息，對設備進行定義，以及負責發(fā)送和接收數(shù)據(jù)[4]。

2.2 基于ZigBee的無線火災報警硬件設計

無線火災報警系統(tǒng)由主機、協(xié)調(diào)器、路由器和終端四部分組成。為充分體現(xiàn)各節(jié)點的工作方式，本次試驗組網(wǎng)方式采用網(wǎng)狀組網(wǎng)，其中終端為探測節(jié)點，可對溫度、煙霧濃度和CO濃度信號進行采集，路由節(jié)點接受采集信息并將數(shù)據(jù)傳輸至網(wǎng)關節(jié)點，最后網(wǎng)關節(jié)點通過串口上傳至主機，系統(tǒng)組成如圖2所示。探測用的溫度傳感器為DS18B20數(shù)字式溫度傳感器，它采用導熱性較高的密封膠灌封，具有高靈敏性，且溫度延遲??；MQ-2氣體傳感器利用電導率隨煙霧濃度的增大而增加，通過電壓的變化作為輸出信號，可檢測可燃氣體和水蒸氣，火災產(chǎn)生的煙霧為多種可燃氣體和水蒸氣的混合物，所以可將它作為煙霧探測器；MQ-7氣體傳感器采用在空氣中電導率低的二氧化錫(SnO2)作為氣敏材料，利用高低溫循環(huán)檢測方式檢測CO，傳感器的電導率隨空氣中CO氣體濃度的增加而增大，從而轉(zhuǎn)化為電壓的變化作為輸出信號，MQ-7傳感器成本低，使用范圍廣，安裝方便，作為本系統(tǒng)CO探測器較合適。射頻芯片采用TI公司生產(chǎn)的CC2530，這款芯片結(jié)合了RF收發(fā)器的優(yōu)良性能，具備良好的射頻功能，CPU采用增強型的8051CPU，可在芯片內(nèi)編寫程序，在單片機內(nèi)實現(xiàn)功能[5]。同時，CC2530具有多種運行模式，使得它尤其適應超低功耗要求的系統(tǒng)。最重要的是，CC2530結(jié)合了德州儀器的黃金單元ZigBee協(xié)議棧(Z-Stack)，適用于ZigBee無線傳輸系統(tǒng)的開發(fā)。

圖2 無線火災報警系統(tǒng)組成圖

2.2.1 傳感器模塊的硬件設計

DS18B20是常用的數(shù)字溫度傳感器，測溫范圍-55～+125 ℃，工作電源是DC3.0～5.5 V，直接輸出數(shù)字信號。其獨特的單線接口方式，使其與單片機等微處理器連接時僅需要一條口線即可實現(xiàn)雙線通信；并且它的體積小，可將其封裝后應用于多種場合。每片DS18B20都有唯一的一個可讀出的序列號，同時DS18B20還采用了寄生電源技術(shù)，可以不用外接電源，特別適合于多點測溫系統(tǒng)。由于DS18B20的數(shù)據(jù)線要求空閑狀態(tài)為高電平，所以可以在DS18B20的數(shù)據(jù)線與電源線VCC之間加一個4.7 K的上拉電阻。此次設計使用的是給DS18B20外接電源的方式，如圖3所示。

圖3 CC2530與DS18B20連接

MQ-2煙霧傳感器與CC2530的連接電路如圖4所示。圖中R是限流電阻，用來限制報警電流，防止報警電流過大損壞探測器。但是也不能太小，否則報警不明顯或失效，這里限流電阻取3 K。此時報警電流為6 mA，報警后探測器兩端電壓為6.5 V。MQ-7CO傳感器與MQ-2類似，連接方式如圖5。

圖4 CC2530與MQ-2的連接

圖5 CC2530與MQ-7的連接

2.2.2 路由節(jié)點的硬件設計

ZigBee是一個多跳網(wǎng)絡，需要路由對數(shù)據(jù)進行中繼[6]。路由節(jié)點的主要功能是信息的中繼與傳輸，所以節(jié)點硬件設計同終端節(jié)點類似。在本系統(tǒng)中，路由節(jié)點的主要工作是將三種火災探測參量傳送至協(xié)調(diào)節(jié)點，并為每一組數(shù)據(jù)找尋一條最佳路徑。這條最佳路徑的選擇可通過計算不同路徑的開銷來實現(xiàn)，有最低路徑開銷的路由成功發(fā)送數(shù)據(jù)包的幾率最大。通過路由節(jié)點組網(wǎng)，可以大大提高通信速度，減輕網(wǎng)絡系統(tǒng)的通信負荷，節(jié)約網(wǎng)絡系統(tǒng)資源，提高網(wǎng)絡系統(tǒng)的暢通率，從而讓網(wǎng)絡系統(tǒng)發(fā)揮更大效益。路由節(jié)點構(gòu)成如圖6所示。

圖6 路由節(jié)點基本構(gòu)成

2.2.3 網(wǎng)關節(jié)點的硬件設計

在實際應用中，網(wǎng)關節(jié)點要完成網(wǎng)絡的維護、數(shù)據(jù)的上傳、命令的下達、系統(tǒng)的監(jiān)測和管理等功能，所以需要長時間不間斷運行，功耗較大，因而網(wǎng)關節(jié)點最好工作在有外接電源或容量較大的電池供電的條件下，這樣才能保證系統(tǒng)長時間連續(xù)工作。網(wǎng)關節(jié)點的硬件結(jié)構(gòu)如圖7所示。網(wǎng)關節(jié)點主要構(gòu)成：微處理器+無線模塊+USB接口+JTAG接口+以太網(wǎng)+存儲設備。

圖7 網(wǎng)關節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)圖

微處理器采用MSP430，功耗低、性能穩(wěn)定，可對采集的火災信息進行處理；無線模塊采用CC2530，通過SPI接口與單片機相連，可完成設置和收發(fā)數(shù)據(jù)的功能，使用RESETn引腳可將芯片復位，VREG_EN引腳調(diào)整CC2530的電壓，產(chǎn)生所需的1.8 V電壓，在芯片內(nèi)部配有PCB天線完成通信；節(jié)點采用CH340G轉(zhuǎn)換芯片，將IO口轉(zhuǎn)換為USB口與電腦相連，數(shù)據(jù)經(jīng)過無線模塊的接收，通過串口將數(shù)據(jù)上傳至串口調(diào)試助手，Labview上位機再調(diào)用串口數(shù)據(jù)，可對數(shù)據(jù)進行處理；SDRAM和FLASH分別為內(nèi)部存儲和外部存儲設備，負責存儲采集的火災信息和設定的程序；JTAG調(diào)試接口用于對芯片程序進行燒寫，以太網(wǎng)接口用于與網(wǎng)絡平臺實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。在網(wǎng)關節(jié)點設置了總報警燈，當任一報警參數(shù)超過設計閾值時，總報警燈D6常亮。

2.3 基于ZigBee的無線報警軟件設計

基于ZigBee的無線火災探測系統(tǒng)在軟件上實現(xiàn)的功能包括網(wǎng)絡的組建、火災參量的采集與判斷、主機監(jiān)控界面的設計。軟件的設計使用C語言在IAR平臺下實現(xiàn)。其中網(wǎng)關節(jié)點負責建立網(wǎng)絡，分配網(wǎng)絡的PANID，同時還要兼具數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，向其他節(jié)點發(fā)送命令，并接收路由或終端節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)信息。最后通過串口接收PC的命令，并將信息傳輸至PC。路由節(jié)點開機后會自動掃描網(wǎng)絡，然后加入網(wǎng)絡，在接收到其他節(jié)點的數(shù)據(jù)后，會首先判斷其發(fā)送的目的地址，如這個地址不是本身地址，則將此信息轉(zhuǎn)發(fā)至目的地址。終端節(jié)點負責數(shù)據(jù)的采集與傳輸，在接收到協(xié)調(diào)器發(fā)送的命令后，將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送至其他節(jié)點。網(wǎng)絡的組建直接通過現(xiàn)有的Z-Stack協(xié)議實現(xiàn)，數(shù)據(jù)采集與判斷需要對傳感器節(jié)點進行編號，然后通過C語言和IAR平臺對單片機進行程序燒寫。上位機采用Labview進行設計，消防控制室的主機可直接調(diào)用Labview程序，在程序中進行設定，當只有發(fā)生報警時，才把報警信號傳輸至火災監(jiān)控主機，不僅能實時監(jiān)控溫度、煙霧濃度、CO濃度的值，還能對報警結(jié)果和歷史數(shù)據(jù)進行查詢。

2.3.1 終端軟件設計

終端節(jié)點在加入網(wǎng)絡前，必須要對協(xié)議棧、時鐘、硬件等進行初始化，然后節(jié)點會自動搜索周圍的信道，當找到可利用的信道時，會立即向協(xié)調(diào)器發(fā)送一個入網(wǎng)請求，若收到協(xié)調(diào)器分配的地址和入網(wǎng)響應幀，則表明入網(wǎng)成功。這時，終端節(jié)點會周期性的對周圍環(huán)境的火災特征參數(shù)進行采集，此時使用CSMA-CA方式發(fā)送數(shù)據(jù)給協(xié)調(diào)器，即當設備想要發(fā)送信息時，必須要先執(zhí)行一條空閑信道評估指令來確保該信道沒有被其他設備占用，然后才發(fā)送信號。終端主程序軟件設計流程圖如圖8所示。

圖8 終端節(jié)點軟件設計流程圖

2.3.2 協(xié)調(diào)器軟件設計

協(xié)調(diào)器首先要進行初始化工作，即對整個ZigBee網(wǎng)絡的協(xié)議棧和設備進行初始化，然后才能進行組網(wǎng)；此時協(xié)調(diào)器會為網(wǎng)絡選擇一個唯一的PAN標識符，當協(xié)調(diào)器收到其他設備的入網(wǎng)請求時，協(xié)調(diào)器會為設備分配一個16位的短地址，網(wǎng)絡的PAN標識符使得網(wǎng)絡中的設備可以使用這個地址與其他設備通信，而后協(xié)調(diào)器會發(fā)送一個入網(wǎng)響應幀給設備，當設備接收到這個響應幀時，表明此設備入網(wǎng)成功，協(xié)調(diào)器此時可接收設備發(fā)送的數(shù)據(jù)信息[7]。若需要后續(xù)在此網(wǎng)絡中添加節(jié)點，協(xié)調(diào)器會周期性地監(jiān)測周圍環(huán)境中是否有終端或路由器發(fā)送的入網(wǎng)請求，這也進一步體現(xiàn)了ZigBee網(wǎng)絡的組網(wǎng)靈活性。協(xié)調(diào)器主程序軟件設計流程圖如圖9所示。

圖9 協(xié)調(diào)器軟件設計流程圖

2.3.3 上位機設計與測試

上位機采用Labview進行設計，界面實時顯示溫度、煙霧濃度、CO濃度值，可對報警結(jié)果和歷史數(shù)據(jù)進行查詢。通過設置報警閾值，當采集的參數(shù)值超過設定值時，實時報警并顯示報警結(jié)果，在界面最下方設計了總報警顯示，當三種火災探測參數(shù)有一種超過報警閾值時，總報警燈亮起。測試前，要對系統(tǒng)的硬件和軟件進行調(diào)試，硬件保證連線的正確與可靠，并利用串口調(diào)試助手觀察數(shù)據(jù)能否上傳；對各設備的軟件程序進行下載，包括終端節(jié)點和路由節(jié)點的采集與傳輸，網(wǎng)關節(jié)點的地址分配和類型設置；對電腦監(jiān)控界面進行設置，包括串口通信波特率的設置等。本實驗串口設置為12 800 bps，通過查看電腦資源配置屬性，可得到串口號，串口資源為COM5，數(shù)據(jù)比特率8，輸出數(shù)據(jù)為十六進制顯示，無校驗位。界面如圖10所示，參考一般火災探測器閾值的經(jīng)驗值，考慮現(xiàn)場環(huán)境因素，將溫度報警閾值設定為50 ℃，煙霧報警閾值和CO報警閾值分別為50%和50%。為驗證報警效果，采用打火機對系統(tǒng)進行測試，將打火機火靠近探測節(jié)點，系統(tǒng)采集到的實時數(shù)據(jù)如圖10所示。此時環(huán)境實時溫度為27 ℃，未達到報警溫度上線，溫度報警燈不亮；實時煙霧顯示值為40%，煙霧報警燈不亮；實時CO顯示值為71%，

圖10 上位機顯示界面

超過報警閾值，CO報警燈亮起，并且此時總報警燈亮起。

此次試驗證明本系統(tǒng)能對環(huán)境溫度、煙濃度、CO濃度進行實時采集，并通過無線傳輸?shù)姆绞綄?shù)據(jù)傳至電腦，報警閾值設定有效，報警邏輯正確無誤。

3 結(jié)論

本文針對傳統(tǒng)有線火災探測方式的局限性，提出火災信號無線傳輸?shù)奶綔y方法，對目前比較熱門的無線傳輸方式進行了對比，選擇了成本低、耗電量小的ZigBee作為無線傳輸方式。并對基于ZigBee的無線火災探測網(wǎng)絡進行軟硬件設計，采用CC2530單片機+不同傳感器完成實物模型搭建，能在上位機實現(xiàn)對溫度、煙濃度、CO濃度的探測報警。在試驗過程中，也發(fā)現(xiàn)了一些問題：(1)ZigBee無線傳輸方式傳輸距離短，本試驗設備條件下最多只能達到6 m；穿透性弱，易受到墻等阻隔物的影響，無法滿足大空間、障礙物較多場所的探測。(2)采用的MQ系列傳感器易受到環(huán)境因素干擾，探測效果一般。(3)報警算法采用閾值法報警，在進行打火機火試驗時，不能將打火機火判定為干擾火源，發(fā)生誤報警。如果將三種參數(shù)進行數(shù)據(jù)融合，采用智能算法進行處理，得到的報警結(jié)果應該會更準確。