物聯(lián)網(wǎng)架構下的智能火災預警系統(tǒng)

摘要：設計了一種基于物聯(lián)網(wǎng)架構的智能火災預警系統(tǒng)，以ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡為底層的數(shù)據(jù)采集和傳輸網(wǎng)絡，完成對火災信息的準確感知。WSN節(jié)點以CC2530和CC2591為處理和無線收發(fā)單元，以DHT21和MQ傳感器為數(shù)據(jù)采集單元，實現(xiàn)了多傳感器數(shù)據(jù)采集。采用Qt技術設計了系統(tǒng)GUI，基于qextserialport類和SQLite數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)了系統(tǒng)的串口通信和數(shù)據(jù)庫操作。測試表明，系統(tǒng)準確可靠，GUI界面友好，易于操作。
關鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；火災預警；ZigBee；Qt

引言
    物聯(lián)網(wǎng)(Internet Of Things，IOT)技術的提出和快速發(fā)展為火災預警技術的發(fā)展提供了新的思路和解決方案。當前，火災預警系統(tǒng)作為智能家居、樓宇自動化的重要組成部分，已經(jīng)得到廣泛應用和普及。但是，系統(tǒng)的實時性和準確性一直有待提高，傳統(tǒng)的總線制火災系統(tǒng)在使用中已經(jīng)暴露出了很多問題，包括布線的種種弊端以及高虛警率和漏警率等。鑒于此，本文設計了一種基于物聯(lián)網(wǎng)架構的智能火災預警系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)概述
    系統(tǒng)采用物聯(lián)網(wǎng)架構設計，按照其四層結(jié)構模型，以ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(ZigBee—WSN)為底層的感知識別層，以GSM／GPRS或Inter net為網(wǎng)絡構建層，管理層和應用層則采用PC和智能手機相結(jié)合的方式。系統(tǒng)的整體結(jié)構如圖1所示。

    底層數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡采用ZigBee樹簇狀網(wǎng)絡，由傳感節(jié)點、匯聚節(jié)點和管理節(jié)點組成。部署系統(tǒng)時，首先在待監(jiān)測區(qū)域固定若干匯聚節(jié)點，作為單位區(qū)域內(nèi)的路由器，匯聚網(wǎng)絡信息。匯聚節(jié)點采用消防電源長期供電，確保網(wǎng)絡的穩(wěn)定。傳感節(jié)點則可以根據(jù)實際需要隨機布置，具有可任意“播撒”的特點。這樣，若干傳感節(jié)點通過2．4 GHzISM信道不斷地將環(huán)境感知數(shù)據(jù)發(fā)送給匯聚節(jié)點，再由其匯聚給管理節(jié)點。管理節(jié)點作為ZigBee網(wǎng)絡的協(xié)調(diào)器，負責整個網(wǎng)絡的建立、信道選擇、地址分配以及節(jié)點的加入和退出等，并通過RS232與控制管理中心PC通信?？刂乒芾碇行膽峁┝己玫娜藱C交互環(huán)境，實時顯示網(wǎng)絡的狀態(tài)，存儲網(wǎng)絡上傳的數(shù)據(jù)。同時，還可以對多傳感器采集數(shù)據(jù)進行信息融合，達到對火災的智能判別。在確定存在火情的情況下，能夠進行聲光、短信報警，并啟動自動消防設備。

2 系統(tǒng)硬件設計
2．1 處理器單元設計
    感知識別層采用ZigBee—WSN技術，負責完成復雜環(huán)境下的火災信息感知。系統(tǒng)中，各傳感節(jié)點的處理器單元和無線收發(fā)單元分別選擇TI公司的CC2530芯片和CC2591芯片。CC2530內(nèi)部集成了工業(yè)標準的增強型8051內(nèi)核、符合2．4 GHz IEEE 802．15．4的RF收發(fā)器、21個可編程邏輯的GPIO、5通道的DMA、8通道可配置分辨率的ADC、看門狗定時器以及AES安全協(xié)處理器等。因此，CC2530以其較高的性價比成為高校開展科研、企業(yè)進行產(chǎn)品研發(fā)的重要選項，已經(jīng)具有了較高的市場占有率。同時，系統(tǒng)還增加了射頻放大芯片CC2591，其目的就是保證網(wǎng)絡的傳輸距離和復雜室內(nèi)環(huán)境中的穿透能力，確保網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的可靠傳輸。經(jīng)測試，采用了CC2591的WSN節(jié)點的傳輸能力可達500～1000 m，且穿透能力得到了較大的提升。
    系統(tǒng)WSN節(jié)點的硬件電路如圖2所示。

2．2 傳感器單元設計
    參考文獻對火災產(chǎn)生的原因、火災預警原理及火災信號選取做了詳細的分析。基于此，根據(jù)火災發(fā)生的前期特征，系統(tǒng)分別選取了溫度、濕度、煙霧和CO濃度作為火災監(jiān)測對象。各傳感節(jié)點采用多傳感器技術，分別連接了DHT21溫濕度傳感器、MQ2煙霧傳感器和MQ7一氧化碳傳感器。DHT21是含有已校準數(shù)字信號輸出的溫濕度復合傳感器，采用單排4針引腳封裝。使用時，只需將DATA引腳連接到MCU的任意GPIO即可，這里是連接到CC2530的P1 5引腳。另外，為了確保CC2530對DHT21有足夠的驅(qū)動能力，在DHT21 DATA引腳接有5．1 kΩ的上拉電阻，確保芯片有合適的灌電流。這樣，只要按照DHT21的邏輯時序編寫程序，控制MCU引腳的輸入／輸出，就可以從DATA引腳準確讀出溫濕度數(shù)據(jù)。
    MQ2和MQ7傳感器都屬于氣敏型傳感器，兩者的原理相似，都屬于MQ傳感器。MQ傳感器所采用的氣敏材料是在清潔空氣中電導率極低的SnO2，當將它放置于某種敏感氣體環(huán)境中時，電導率將隨該種敏感氣體濃度的增大而增大。因此，在驅(qū)動MQ傳感器時，只需根據(jù)傳感器特性搭建合理的驅(qū)動電路即可。MQ傳感器的輸出均為模擬量，故應交由MCU進行A／D轉(zhuǎn)換。CC2530的P0口是其內(nèi)部ADC的8通道輸入端口，故將MQ2和MQ7的輸出端分別連接至P0_0引腳和P0_1引腳。MQ傳感器有6只針狀引腳，如圖2所示。2引腳和5引腳用于提供加熱電流，供電電壓為5 V，其余引腳用于信號取出。通過電路分析可知，4引腳和6引腳的輸出電壓為。Rs為敏感體電阻，阻值一般為2～20 kΩ。當空氣中的敏感氣體濃度增加時，電導率增加，Rs下降，故輸出電壓Uout增大。電位器RL除了起到限流作用外，最主要的作用就是實現(xiàn)對WSN節(jié)點靈敏度的調(diào)節(jié)和校準。由于MQ傳感器內(nèi)部的氣敏元件在不同環(huán)境下對不同種類、不同濃度的氣體有著不同的阻值Rs，因此為精確考慮，在溫、濕度變化較大的環(huán)境中，需要對節(jié)點的靈敏度進行調(diào)節(jié)，這也是系統(tǒng)增加濕度測量的一個主要原因。

3 系統(tǒng)軟件設計
3．1 ZigBee—WSN軟件設計
    底層的數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡采用ZigBee2007協(xié)議規(guī)范設計，基于TI公司提供的半開源Z-Stack協(xié)議棧開發(fā)。系統(tǒng)的整體流程如圖3所示。

3．2 系統(tǒng)GUI設計
    由于要求控制管理中心PC提供良好的人機交互環(huán)境，故采用圖形用戶界面(Graphical User Interface ，GUI)設計。采用GUI設計的優(yōu)勢就在于它提供的界面具有友好性，可以幫助減少用戶的認知負擔，滿足不同用戶的設計需求。當前較為流行的GUI設計技術包括MiniGUI、OpenGUI、Microwindows／Nano—X、Qt等，另外，采用VC++、VB等也可以完成GUI的開發(fā)。但是，這些軟件在API的封裝性、跨平臺性、代碼量、設計難度和開發(fā)周期上都存在很大差異，擁有各自的優(yōu)點和缺點。因此，綜合考慮各種因素，這里采用Qt技術設計系統(tǒng)的GUI。設計是基于Qt 4．7 SDK完成的，該軟件版本集成了Qt 4．7．4和Qt Creater 2．4．1集成開發(fā)環(huán)境(IDE)。
    設計時，首先在main．cpp文件中創(chuàng)建QApplication類對象。QApplication類主要用于設置和管理GUI應用程序及其控制流，包括控制主事件的循環(huán)、初始化和結(jié)束來自用戶接口或其他系統(tǒng)資源的應用程序、提供會話管理等。然后就可以根據(jù)系統(tǒng)需要添加實際應用，這里設計了一個系統(tǒng)登錄窗口和一個控制管理窗口，分別命名為logindlg．cpp和firesystem．cpp。添加完成后，將自動生成相應的頭文件(logind lg．h、firesystem．h)和界面文件(logindlg．ui、firesystem．ui)。
    控制管理中心PC要接收網(wǎng)絡管理節(jié)點發(fā)送的環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，因此實現(xiàn)串口通信是進行GUI設計的關鍵。Qt本身并沒有提供串口控制類，故需要采用第三方編寫的qextserialport類。qextsetialport類實際上是QIODevice的派生類，使用時，需要為工程添加相應的類文件qextseri albase．cpp、qextserialbase．h以及win_qextserialport．cpp、win_qextserialport．h。設計控制管理窗口時，為了保證系統(tǒng)配置的靈活性，在UI設計窗口中分別添加“端口號”、“波特率”、“數(shù)據(jù)位”、“校驗位”、“停止位”5個Combo BOX下拉列表。然后通過按鍵Push Button進行系統(tǒng)的開啟和關閉設計。Push Button的觸發(fā)采用的是Qt提供的信號與槽機制，所有從QObject類及其子類派生的類都可以使用該機制。信號與槽機制是Qt的核心機制，它為用戶提供了一種高級接口，該接口可用于各類應用對象之間的通信。這里僅給出實現(xiàn)串口通信的幾個重要函數(shù)。
   
    另外，網(wǎng)絡上傳的數(shù)據(jù)還需要通過數(shù)據(jù)庫進行存儲和查詢，至少保證能夠查詢7天內(nèi)的火災監(jiān)控數(shù)據(jù)。Qt支持絕大多數(shù)的數(shù)據(jù)庫，包括Oracle、SQL Server、MySQL等。這些大中型的數(shù)據(jù)庫往往用于較大規(guī)模系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲，開發(fā)和維護都需要專人負責，因此成本較高。而針
對本系統(tǒng)所做的火災環(huán)境監(jiān)測，只需要一個靈活易用的小型數(shù)據(jù)庫即可。SQLite是一個輕量級的開源關系數(shù)據(jù)庫，采用C語言編寫，整體代碼僅3萬行，能夠支持絕大多數(shù)的ANSI SQL92標準。相對于傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，它的實時性強，處理速度快，系統(tǒng)開銷小，底層的控制能力強。具體設
計時，首先在工程文件Firesystem．pro中添加代碼：QT+=SQL。由于Qt默認安裝了SQLite和ODBC的數(shù)據(jù)庫驅(qū)動，因此在使用時，只需添加相應的驅(qū)動語句即可。其具體過程如下：
   
   
    這里，使用QSqlDatabase類實現(xiàn)Qt與SQLite的連接，并驅(qū)動該數(shù)據(jù)庫。若驅(qū)動失敗，可以通過QMessageBox彈出錯誤提示。驅(qū)動成功后，將數(shù)據(jù)存放于數(shù)據(jù)庫文件firedata．db中。此外，還需要使用QSqlQuery類，它為操縱和執(zhí)行SQL語句提供了一種方式，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)庫操作的所有功能。這樣，通過QSqlQuery類可以在QSqlDatabase實例上執(zhí)行SQL語句，完成創(chuàng)建、查詢、修改數(shù)據(jù)庫等操作。
    系統(tǒng)測試時，GUI顯示的實時監(jiān)控狀況如圖4所示。

結(jié)語
    系統(tǒng)根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)架構設計，采用ZigBee-WSN完成數(shù)據(jù)采集與傳輸，保證了系統(tǒng)的實時性、可靠性及可移植性。控制管理中心GUI采用Qt設計，可以實現(xiàn)對火災監(jiān)控數(shù)據(jù)的實時顯示、存儲、查詢等，豐富并完善了火災預警系統(tǒng)的功能。測試表明，系統(tǒng)能夠準確地完成對復雜火災環(huán)境的感知，相對于傳統(tǒng)火災預警系統(tǒng)，系統(tǒng)的魯棒性得到了較大的提升，虛警和漏警等狀況得到了有效改善。同時，系統(tǒng)GUI界面友好，操作簡單，可以很好地服務于火災預警系統(tǒng)。