摘要：文章基于建筑智能化實訓(xùn)平臺，分析了利用ZigBee技術(shù)設(shè)計無線火災(zāi)自動報警系統(tǒng)的思路，探討了網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點模塊以及終端控制軟件的設(shè)計，并介紹了測試結(jié)果，還進(jìn)一步討論了系統(tǒng)功能擴(kuò)展、設(shè)備改造和實驗實訓(xùn)課程開發(fā)的可行性。

關(guān)鍵詞：無線火災(zāi)自動報警系統(tǒng)；硬件系統(tǒng)設(shè)計；軟件系統(tǒng)設(shè)計；建筑智能化實訓(xùn)平臺

中圖分類號：TN98????????? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A?????????? 文章編號：1672-4437（2023）03-0047-04

0 引言

建筑智能化實訓(xùn)平臺主要用于高職院校建筑類專業(yè)建筑智能化系統(tǒng)安裝與調(diào)試等實訓(xùn)課程教學(xué)。實訓(xùn)平臺包含“視頻監(jiān)控系統(tǒng)”“門禁系統(tǒng)”“消防系統(tǒng)”“照明系統(tǒng)”“綜合布線系統(tǒng)”等5個子系統(tǒng)^[1-2]，其中，“消防系統(tǒng)”的火災(zāi)自動報警系統(tǒng)模塊的數(shù)據(jù)信號采用有線方式進(jìn)行傳輸。近年來，隨著無線通訊技術(shù)的快速發(fā)展，無線火災(zāi)自動報警系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用在國內(nèi)外建筑行業(yè)當(dāng)中，該系統(tǒng)的全面無線化已成為大勢所趨^[3]。

相較于WiFi、藍(lán)牙、紅外線等其他常用的短距離無線通信方式，Zigbee無線技術(shù)具有低功耗、低成本、易用性強(qiáng)等優(yōu)勢。利用Zigbee進(jìn)行2.4GHz組網(wǎng)是當(dāng)下構(gòu)建無線火災(zāi)報警系統(tǒng)最為成熟的方法，可用于室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測、智能家居控制和相關(guān)數(shù)據(jù)的采集，符合有線系統(tǒng)無線化的設(shè)計需求^[4]。

1 整體設(shè)計

1.1 設(shè)計思路

在建筑智能化實訓(xùn)平臺中，原有線式火災(zāi)自動報警系統(tǒng)主要包括探測器、報警器和控制器3個部分，其數(shù)據(jù)信號通過線纜進(jìn)行傳輸。本設(shè)計意圖在此基礎(chǔ)上通過無線網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)開放式的數(shù)據(jù)傳輸，以擺脫短距離和障礙物等物理限制，同時保證火災(zāi)監(jiān)測數(shù)據(jù)和報警信號的實時反饋。具體工作包括：

一是確定系統(tǒng)設(shè)備的改造方向。原有線式火災(zāi)自動報警系統(tǒng)中，探測器負(fù)責(zé)采集火災(zāi)狀態(tài)數(shù)據(jù)，包括煙霧探測器和溫度探測器兩種類型；報警器是在現(xiàn)場發(fā)生火災(zāi)后負(fù)責(zé)發(fā)出聲光警報的具體設(shè)備。探測器采集數(shù)據(jù)和報警器控制信號是通過有線方式向控制器傳輸?shù)?。為實現(xiàn)無線傳輸，確定將探測器、報警器的數(shù)據(jù)信號改造為通過無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點接收和發(fā)送。

二是確定需要添加的硬件模塊。依據(jù)ZigBee技術(shù)搭建無線自組網(wǎng)絡(luò)，需要設(shè)計添加ZigBee網(wǎng)關(guān)模塊和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點模塊。其中，網(wǎng)關(guān)模塊是由主控芯片搭建ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，實現(xiàn)設(shè)備間的網(wǎng)絡(luò)互連；網(wǎng)絡(luò)節(jié)點模塊安裝在探測器、報警器等設(shè)備的前端，實現(xiàn)對采集數(shù)據(jù)和控制信號的上傳、下達(dá)。

三是提升實訓(xùn)平臺的教學(xué)效果。相較于原有線系統(tǒng)，改造后的無線火災(zāi)自動報警系統(tǒng)，應(yīng)體現(xiàn)行業(yè)技術(shù)發(fā)展和實踐技能提高的最新方向。在應(yīng)用于實驗實訓(xùn)課程教學(xué)時，能夠鍛煉學(xué)生電氣設(shè)備安裝、無線網(wǎng)絡(luò)搭建和終端軟件配置等多方面的實踐動手能力，磨煉高職院校相關(guān)專業(yè)學(xué)生的工匠技藝。

1.2 系統(tǒng)構(gòu)架

該無線火災(zāi)自動報警系統(tǒng)包括5部分（如圖1所示）：Zigbee網(wǎng)關(guān)模塊、Zigbee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點、報警器、探測器（煙霧探測器、溫度探測器）和終端設(shè)備（電腦或手機(jī)）。其中，在基于ZigBee技術(shù)建立的無線網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，原本通過有線系統(tǒng)與控制終端連接的探測器、報警器，現(xiàn)通過無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點將數(shù)據(jù)匯聚至ZigBee網(wǎng)關(guān)，再通過安裝有配套管理軟件的電腦或手機(jī)等終端設(shè)備，即可實現(xiàn)對火災(zāi)狀況的無線監(jiān)控及歷史數(shù)據(jù)查詢等功能。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計

2.1 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計

網(wǎng)絡(luò)節(jié)點由主控芯片、時鐘單元、電源單元和調(diào)試串口組成（如圖2所示），其作用是將探測器監(jiān)測數(shù)據(jù)上傳至網(wǎng)關(guān)，以及將控制命令傳輸至報警器。核心控制芯片采用美國德州儀器（Texas Instruments）公司的CC2530芯片，它符合兼容ZigBee-RF4CE的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧（RemoTI、Z-Stack或SimpliciTI），集成了高性能的RF收發(fā)器、8051微處理器、8kB的RAM，有多種閃存規(guī)格可供選擇以及其他強(qiáng)大的支持功能和外設(shè)接口（2個USART、12位ADC和21個通用GPIO）等^[5]。在此基礎(chǔ)上，探測器采集數(shù)據(jù)通過CC2530中的A/D轉(zhuǎn)換器，實現(xiàn)模擬信號和數(shù)字信號相互轉(zhuǎn)換，采用無線網(wǎng)絡(luò)將信息傳輸至網(wǎng)關(guān)，經(jīng)過控制器進(jìn)行邏輯判斷后向報警器發(fā)出控制信號。

2.2 網(wǎng)關(guān)設(shè)計

網(wǎng)關(guān)，又稱網(wǎng)間連接器、協(xié)議轉(zhuǎn)換器，其作用是實現(xiàn)不同網(wǎng)絡(luò)之間的互連，可用于兩個高層協(xié)議不同的網(wǎng)絡(luò)通信。該系統(tǒng)的網(wǎng)關(guān)在硬件設(shè)計上與網(wǎng)絡(luò)節(jié)點基本一致，由CC2530芯片擴(kuò)展而成，其主要構(gòu)成為ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，它將接收到的各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并通過WiFi模塊發(fā)送至終端控制設(shè)備（電腦或手機(jī)）^[6]，如圖3所示。

與網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的不同在于，ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器中CC2530芯片的USART0接口用于調(diào)試，而USART1接口連接WiFi模塊進(jìn)行通信使用。這里選用的WiFi模塊為ESP8266，該模塊內(nèi)置完整的TCP/IP協(xié)議棧，是一款經(jīng)濟(jì)高效的WiFi主控芯片模塊，支持標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.11b/g/n協(xié)議，內(nèi)置10位高精度ADC，采用低功率32位CPU，支持豐富的外設(shè)接口，時鐘頻率最大為160MHz^[7]。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計

3.1 控制邏輯設(shè)計

該系統(tǒng)軟件模塊面向終端設(shè)備使用，設(shè)計原則為控制邏輯清晰、軟件界面簡潔、操作方式簡易、數(shù)據(jù)查詢便捷。軟件系統(tǒng)整體功能劃分為兩部分：狀態(tài)監(jiān)測和報警管理（如圖4所示）。其中，狀態(tài)監(jiān)測部分分為探測器狀態(tài)、溫度指數(shù)、煙霧指數(shù)、歷史查詢等4個子系統(tǒng)功能；報警管理分為報警器狀態(tài)、閾值設(shè)置、手動開關(guān)等3個子系統(tǒng)功能。

控制軟件的具體工作內(nèi)容包括：一是實時查看探測器監(jiān)測數(shù)據(jù)及變化曲線，顯示設(shè)備狀態(tài)。二是實現(xiàn)報警功能?？梢愿鶕?jù)監(jiān)測環(huán)境的需求對溫度和煙霧濃度設(shè)置閾值，當(dāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時自動發(fā)出報警指令。三是存放和管理數(shù)據(jù)信息。將接收到的監(jiān)測數(shù)據(jù)和設(shè)備狀態(tài)等信息存放在數(shù)據(jù)庫的具體數(shù)據(jù)表中，并可用于任意時間進(jìn)行查詢。

3.2 終端軟件設(shè)計

該系統(tǒng)設(shè)計選用桌面計算機(jī)作為控制終端，選擇Visual Studio 2019軟件并采用C#語言開發(fā)系統(tǒng)管理軟件，選用Access軟件制作數(shù)據(jù)庫用于儲存與管理采集數(shù)據(jù)，通過設(shè)計不同模塊控件實現(xiàn)系統(tǒng)各功能之間的數(shù)據(jù)傳遞。軟件系統(tǒng)整體包含交互層、中間層和數(shù)據(jù)層三層架構(gòu)。其中，交互層面向用戶；中間層用于數(shù)據(jù)與執(zhí)行處理；數(shù)據(jù)層主要為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲提供服務(wù)。在軟件工作流程中，用戶可以在軟件界面上操作，完成數(shù)據(jù)傳遞、調(diào)度事件、消息傳遞以及接口調(diào)用和預(yù)留，通過中間層形成底層數(shù)據(jù)和頂層應(yīng)用的交互融合，實現(xiàn)系統(tǒng)整體功能。

系統(tǒng)軟件操作登錄界面包括系統(tǒng)使用人員的注冊與登錄，主界面包括火災(zāi)報警器狀態(tài)、手動開啟/關(guān)閉警報、報警記錄、探測器狀態(tài)、歷史數(shù)據(jù)查詢等。用戶啟動軟件平臺后，已注冊賬戶的用戶可以直接登錄。新用戶需要重新注冊，注冊完成后，輸入注冊賬號和密碼登錄系統(tǒng)，然后進(jìn)入軟件主界面進(jìn)行相關(guān)操作。

軟件主要工作內(nèi)容包括：一是實時查看探測器、報警器狀態(tài)和環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，查詢歷史數(shù)據(jù)和報警記錄；二是進(jìn)行系統(tǒng)配置，設(shè)置溫度或煙霧濃度的報警值；三是設(shè)備管理，可以手動控制報警器的開啟或關(guān)閉。

4 系統(tǒng)測試

建筑智能化實訓(xùn)平臺是由鋁合金型材和鐵質(zhì)網(wǎng)孔板構(gòu)成的模擬鋼結(jié)構(gòu)建筑模型，空間大小為4.6m×2.2m×2.3m（長×寬×高），共分為“智能小區(qū)”“智能大樓”和“管理中心”三個區(qū)域，原有線式火災(zāi)自動報警系統(tǒng)安裝在智能大樓區(qū)域當(dāng)中。進(jìn)行測試前，先將無線火災(zāi)自動報警系統(tǒng)設(shè)備安裝在對應(yīng)位置處，再完成線路連接和設(shè)備組網(wǎng)，然后進(jìn)行功能調(diào)試。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計要求，探測器、報警器應(yīng)能夠通過無線網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)與控制終端的數(shù)據(jù)信號傳輸，主要對是否能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)功能和傳輸信號的穩(wěn)定度進(jìn)行測試。

完成軟、硬件配置后，對無線火災(zāi)自動報警系統(tǒng)進(jìn)行測試，測試結(jié)果為：一是在建筑智能化實訓(xùn)平臺內(nèi)，ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點、網(wǎng)關(guān)和控制終端運行狀態(tài)良好，連接無線網(wǎng)絡(luò)信號穩(wěn)定，符合使用需要。二是利用控制電腦運行系統(tǒng)管理軟件，能夠正常查看報警器、探測器運行狀態(tài)，實時顯示溫度和煙霧濃度數(shù)據(jù)，手動開啟/關(guān)閉報警器正常，調(diào)取歷史數(shù)據(jù)正常。三是進(jìn)行自動火災(zāi)報警功能測試時，在軟件系統(tǒng)中設(shè)定報警溫度≥50℃、報警煙霧濃度≥5%obs/m，點燃測試火源后，在相應(yīng)指數(shù)達(dá)到設(shè)定值時報警器成功發(fā)出警報（如圖5所示）。測試結(jié)論是該系統(tǒng)滿足設(shè)計要求。

5 討論

本研究為建筑智能化、無線監(jiān)控、火災(zāi)自動報警等系統(tǒng)設(shè)計以及相關(guān)實驗實訓(xùn)課程教學(xué)改革提供了理論依據(jù)和技術(shù)支撐。但是，分析該系統(tǒng)設(shè)計需求、搭建過程和運行狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)還可以進(jìn)一步采取措施完善設(shè)計，以提升研究成果和應(yīng)用效果。

一是增加功能模塊。本設(shè)計是基于建筑智能化實訓(xùn)平臺的原有線火災(zāi)自動報警系統(tǒng)而進(jìn)行的二次開發(fā)，只實現(xiàn)了原有線設(shè)備功能的無線化，沒有在原基礎(chǔ)上增加新的功能?？梢試L試增加新的功能模塊，比如：可燃?xì)馓綔y器、光照強(qiáng)度傳感器等，以實現(xiàn)全方位的環(huán)境監(jiān)測。

二是擴(kuò)展無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍。建筑智能化實訓(xùn)平臺有多個功能子系統(tǒng)，多數(shù)設(shè)備均可以通過改造或替換接入無線網(wǎng)絡(luò)。比如針對視頻監(jiān)控系統(tǒng)，可將現(xiàn)有的有線攝像頭替換為無線攝像頭，通過WiFi將其加入現(xiàn)有無線網(wǎng)，并在軟件系統(tǒng)中設(shè)計相應(yīng)模塊，實現(xiàn)實時的無線視頻監(jiān)控。

三是有針對性地打造實訓(xùn)課程環(huán)節(jié)。建立無線火災(zāi)自動報警系統(tǒng)為高職院校相關(guān)專業(yè)學(xué)生實訓(xùn)課程教學(xué)打下了基礎(chǔ)，教師應(yīng)有針對性地將ZigBee技術(shù)理論、ZigBee模塊搭建、無線網(wǎng)絡(luò)組建和系統(tǒng)軟件設(shè)計等實訓(xùn)環(huán)節(jié)增設(shè)到現(xiàn)有課程中，從理論基礎(chǔ)出發(fā)，讓學(xué)生自己動手完成系統(tǒng)安裝與調(diào)試，對比設(shè)備在有線和無線兩種不同狀態(tài)下的運行效果，學(xué)會獨立思考，切實提升實踐技能水平。

參考文獻(xiàn)：

[1]羅小鎖.高職建筑智能化工程技術(shù)專業(yè)實訓(xùn)課程體系的建設(shè)研究[J].西部素質(zhì)教育，2017，3（05）：122.

[2]劉理.高職院校建筑智能化實訓(xùn)室建設(shè)研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2017.

[3]孔頡.無線通信技術(shù)在火災(zāi)自動報警系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電子技術(shù)與軟件工程，2020（23）：35-37.

[4]王志磊.基于ZigBee協(xié)議棧的2.4G無線局域網(wǎng)通信變壓器智能管理模組設(shè)計[J].電工技術(shù)，2022（14）： 91-92，186.

[5]方紅，孫奧，李曉英，等.基于光伏能源的CC2530無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計[J].計算機(jī)仿真，2022，39（01）： 80-85.

[6]楊怡婷，歐陽名三.基于ZigBee技術(shù)和CC2530模塊的無線溫度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J].湖南工程學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2019，29（02）：40-43.

[7]張恒強(qiáng)，安霆，王乙涵，等.基于ESP8266的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用研究[J].儀表技術(shù)，2022（03）：26-29.