基于ZigBee的高層建筑無線火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)

摘要 選取CC2430作為無線網(wǎng)絡(luò)的核心芯片，構(gòu)建一個(gè)ZigBee星形網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)無線火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的簡化模型。通過該無線網(wǎng)絡(luò)傳輸樓層各房間的一氧化碳濃度和溫度信息，并由控制中心根據(jù)預(yù)先設(shè)定的規(guī)則，判斷是否有火災(zāi)發(fā)生，定時(shí)報(bào)告該高層建筑的安全情況。該系統(tǒng)具有較好的應(yīng)用前景和經(jīng)濟(jì)效益。
關(guān)鍵詞 ZigBee；星形網(wǎng)絡(luò)；火災(zāi)報(bào)警；高層建筑

    近年來，隨著建筑材料中使用的易燃材料增多，對(duì)樓宇火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)提出了更高的要求。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和ZigBee技術(shù)的應(yīng)用，解決了傳統(tǒng)的有線火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)誤報(bào)警率較高、布線復(fù)雜以及維護(hù)困難的問題，使火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)化、自動(dòng)化、智能化。
    ZigBee技術(shù)是短距離無線通信技術(shù)，其節(jié)點(diǎn)電池工作時(shí)間可達(dá)6個(gè)月至兩年，由于功耗低，被業(yè)界認(rèn)為是最有可能應(yīng)用在工業(yè)控制、傳感器網(wǎng)絡(luò)、家庭監(jiān)控、安全系統(tǒng)等場(chǎng)合的無線方式。使用2．4 GHz波段，采用跳頻技術(shù)和擴(kuò)頻技術(shù)，可與254個(gè)節(jié)點(diǎn)聯(lián)網(wǎng)，節(jié)點(diǎn)可以是各種儀器和家庭自動(dòng)化應(yīng)用設(shè)備。其采用IEEE802．15．4作為其物理層和MAC層規(guī)范，ZigBee聯(lián)盟制定網(wǎng)絡(luò)層(NWwK)規(guī)范，用戶可根據(jù)自己的需要，對(duì)應(yīng)用層進(jìn)行開發(fā)利用，因此該技術(shù)能夠?yàn)橛脩籼峁C(jī)動(dòng)、靈活的組網(wǎng)方式。基于上述原因，文中提出了一種基于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)，完成了對(duì)樓宇火災(zāi)情形的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和報(bào)警。

1 系統(tǒng)的總體方案
    由于構(gòu)建大型的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)需要多個(gè)探測(cè)節(jié)點(diǎn)及復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)，所需成本較大，設(shè)計(jì)周期較長，設(shè)計(jì)采用簡化的模型模擬一個(gè)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)，如圖1所示，采用星形網(wǎng)絡(luò)，用12個(gè)終端節(jié)點(diǎn)和1個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)。其中每個(gè)房間放置2個(gè)終端節(jié)點(diǎn)，分別與一個(gè)溫度傳感器和一個(gè)一氧化碳傳感器相連，采集一氧化碳濃度和溫度信息。

    根據(jù)測(cè)定分析，空氣中的一氧化碳0．01％；當(dāng)空氣中一氧化碳濃度達(dá)到0．06％時(shí)，1小時(shí)便能引起人的中毒；如果達(dá)到0．32％，只需30 min，人便可陷入昏迷致死亡。因此本設(shè)計(jì)CO濃度上限NH設(shè)定為0．06％，溫度上限TH設(shè)定為30～35℃。
    協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)接收到數(shù)據(jù)后，綜合判斷是否有火災(zāi)發(fā)生，其判定的規(guī)則為：(1)如果溫度或一氧化碳濃度超限，則分別置標(biāo)志位為1，否則為0。(2)根據(jù)溫度和一氧化碳濃度的標(biāo)志位來判斷是否發(fā)生火災(zāi)，如有火災(zāi)發(fā)生，則發(fā)出相應(yīng)的警報(bào)：一氧化碳?xì)怏w濃度、溫度標(biāo)志位只有一個(gè)為1時(shí)，發(fā)出警報(bào)I；一氧化碳濃度、溫度標(biāo)志位二者均為1時(shí)，發(fā)出警報(bào)II。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
    文中協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)采用CC2430芯片作為處理器芯片，CC2430芯片以強(qiáng)大的IAR集成開發(fā)環(huán)境為支持，是TI／Chipcon公司推出的系統(tǒng)芯片(SoC)CMOS解決方案，支持2．4 GHz IEEE802．15．4 ZigBee協(xié)議。其片上集成了一個(gè)增強(qiáng)型工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的8位8051微控制器內(nèi)核，片內(nèi)資源豐富，外圍支持電路簡單、超低功耗、高靈敏度、出眾的抗噪聲及抗干擾能力，且所用元件均為低成本型，可支持快速、廉價(jià)的ZigB ee節(jié)點(diǎn)構(gòu)建。結(jié)合了TI／Chipcon業(yè)界領(lǐng)先的ZigBee協(xié)議棧之后，CC2430被認(rèn)為是市場(chǎng)上最具競(jìng)爭(zhēng)力的ZigBee解決方案。
    系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)由3部分組成：終端節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、電源設(shè)計(jì)。其中終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)為文中的重點(diǎn)。
2．1 終端節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)
    設(shè)計(jì)中每個(gè)房間放置2個(gè)終端節(jié)點(diǎn)，分別與一個(gè)溫度傳感器和一個(gè)CO傳感器相連，采集一氧化碳濃度和溫度信息。其中CO傳感器采用TGS 2442，是一種電阻式半導(dǎo)體氣體傳感器，其特點(diǎn)是低功耗、低成本、對(duì)一氧化碳選擇性高、靈敏度高、壽命長、受濕度的影響小，抑制了對(duì)酒精的靈敏度，工作于極短的脈沖加熱方式。TGS2442對(duì)一氧化碳有高選擇性，所以適于一氧化碳?xì)怏w檢測(cè)。其內(nèi)部電路如圖2所示。

    VH用于維持敏感素子處于與對(duì)象氣體(CO氣體)相適應(yīng)的特定溫度而施加在集成的加熱器上，VC則用于測(cè)定與傳感器串聯(lián)的負(fù)載電阻RL上的兩端電壓VOUT，當(dāng)傳感器探測(cè)到一氧化碳?xì)怏w時(shí)，傳感器的內(nèi)阻RS變小，輸出電壓VOUT迅速上升，即一氧化碳?xì)怏w濃度達(dá)到一定程度時(shí)，對(duì)應(yīng)RS阻值會(huì)隨之變化。CO傳感器與終端節(jié)點(diǎn)連接如圖3所示。

    溫度傳感器采用單總線智能溫度傳感器DS18B20，該器件為單片結(jié)構(gòu)、體積小，外部只有3個(gè)引腳。與傳統(tǒng)的熱敏電阻相比，DS18B20不需運(yùn)算放大器，可直接讀出被測(cè)溫度，并根據(jù)實(shí)際要求通過編程來實(shí)現(xiàn)9～12位的數(shù)字值讀數(shù)。而且具有微型化、低功耗、高性能、易于微處理器連接和抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，即適合與單片機(jī)構(gòu)成智能溫度檢測(cè)系統(tǒng)。溫度傳感器與終端節(jié)點(diǎn)連接如圖4所示。

2．2 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)
    協(xié)調(diào)器接收數(shù)據(jù)后，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的規(guī)則，判斷是否有火災(zāi)發(fā)生，其外圍電路包括：蜂鳴器電路、狀態(tài)指示燈電路、液晶顯示電路等。
    (1)蜂鳴器電路。CC2430的P1.3口輸出的是控制信號(hào)，Q1相當(dāng)于一個(gè)電子開關(guān)，用于控制蜂鳴器的供電通斷。當(dāng)P1.3口輸出高電平時(shí)，Q1飽和導(dǎo)通，LS1通電工作發(fā)出聲響，當(dāng)P1.3口輸出為低電平時(shí)，Q1截止，蜂鳴器斷電，停止工作。如圖5所示。

    (2)狀態(tài)指示燈電路。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)外圍電路包括兩個(gè)狀態(tài)指示燈，分別用于表示收發(fā)狀態(tài)和火災(zāi)報(bào)警狀態(tài)。CC2430所有的I／O口可單獨(dú)設(shè)置為通用I／O口，或外設(shè)特殊功能I／O口。其中P1_0，P1_1口具備20 mA的電流驅(qū)動(dòng)能力，為高輸出I／O口，其他I／O口均具備4 mA的電流驅(qū)動(dòng)能力。因此，采用CC2430的P1_0，P1_1口與兩個(gè)LED燈連接，并在二者之間連接上270 Ω的保護(hù)電阻，發(fā)光二極管低電平有效，當(dāng)I／O輸出為低電平時(shí)，LED燈亮。如圖6所示。

    (3)液晶顯示電路。采用Nokia3310液晶顯示屏來顯示房間號(hào)，報(bào)警上限TH，實(shí)測(cè)溫度和CO濃度信息。Nokia3310為84×48點(diǎn)陣液晶屏，工作電壓為3．3 V，其與CC2430的SPI接口相連，如圖7所示，文中采用PCD8544作為其控制驅(qū)動(dòng)芯片，PCD8544是一塊低功耗的CMOS LCD控制驅(qū)動(dòng)器，適用于電池供電系統(tǒng)，芯片集成了LCD電壓發(fā)生器、LCD偏置電壓發(fā)生器、振蕩器。PCD與CC2430的接口使用串行總線。

2．3 電源設(shè)計(jì)
    由于CC2430芯片的休眠模式功耗較低，其供電電壓范圍為2．0～3．6 V，并且兩種傳感器均采用5 V直流電源，因此終端節(jié)點(diǎn)采用2節(jié)干電池供電，并通過AH805升壓穩(wěn)壓器將電壓升至5 V，即數(shù)據(jù)采集部分電源提供3 V和5 V電壓，其中3 V為CC2430芯片供電，5 V電壓為傳感器電路供電。

    而協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)是無線網(wǎng)絡(luò)的中心，不適用低功耗休眠模式，需要長期供電，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)采用交流供電方式，電源部分主要由變壓器、整流橋、濾波電路、穩(wěn)壓管等部分構(gòu)成，輸出電壓為±5 V的直流電壓，再經(jīng)過線性穩(wěn)壓芯片LP2985～3．3 V后輸出3．3 V電壓為協(xié)調(diào)器芯片CC2430供電。其電源原理圖如圖8所示。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
3．1 數(shù)據(jù)采集軟件設(shè)計(jì)
    數(shù)據(jù)采集中CC2430處理器對(duì)溫度的處理有：配置溫度量化分辨率、初始化、跳過ROM匹配、啟動(dòng)轉(zhuǎn)換、匹配ROM、讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果，對(duì)讀取的溫度數(shù)據(jù)首先進(jìn)行CRC校驗(yàn)，然后進(jìn)行正負(fù)數(shù)判斷與格式轉(zhuǎn)換，最后保存溫度值。由于設(shè)計(jì)中每個(gè)終端節(jié)點(diǎn)只與一個(gè)溫度傳感器相連，無需進(jìn)行ROM地址匹配，所以在DS18B20初始化復(fù)位后，MCU發(fā)送跳過ROM地址命令，DS18B20經(jīng)過93．75 ms的延時(shí)，將溫度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在EEPROM中，如圖9所示。

3．2 終端節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)
    終端節(jié)點(diǎn)通電后，自動(dòng)搜索網(wǎng)絡(luò)并發(fā)送綁定請(qǐng)求，申請(qǐng)加入網(wǎng)絡(luò)，在加入網(wǎng)絡(luò)后，終端節(jié)點(diǎn)把自己的網(wǎng)絡(luò)ID號(hào)發(fā)送至協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，以供后期判斷使用。終端節(jié)點(diǎn)采集到溫度和CO氣體數(shù)據(jù)先做一個(gè)預(yù)處理判斷，當(dāng)判斷為有火災(zāi)情形時(shí)，將預(yù)報(bào)警信息送至RF發(fā)射端，通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。由于采用電池供電，為保證終端節(jié)點(diǎn)低功耗，設(shè)計(jì)巾采用定時(shí)／中斷喚醒的方式采集并發(fā)送數(shù)據(jù)，即可以通過CC2430內(nèi)部定時(shí)器定時(shí)喚醒，也呵通過協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)發(fā)送的中斷來喚醒節(jié)點(diǎn)，剩余時(shí)間則進(jìn)入休眠模式，如圖10所示。

3．3 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)
    協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)上電后先建立網(wǎng)絡(luò)，建立成功后自動(dòng)進(jìn)入允許綁定模式，并對(duì)終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送的綁定請(qǐng)求作出響應(yīng)。綁定成功后，當(dāng)協(xié)調(diào)器收到信息時(shí)，根據(jù)數(shù)據(jù)的第一個(gè)標(biāo)識(shí)字符來判斷是終端節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)地址還是終端節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)接收終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送的網(wǎng)絡(luò)地址(16位)并進(jìn)行存儲(chǔ)。當(dāng)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)收到終端節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)時(shí)，通過zb_Send Data Confirm指示應(yīng)答。并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理判斷，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的規(guī)則，作出火災(zāi)報(bào)警的最終判決，如果確認(rèn)有火災(zāi)發(fā)生，則蜂嗚器、LED燈聲光報(bào)警，并將溫度、一氧化碳濃度信息在液晶上顯示，其流程如圖11所示。

4 系統(tǒng)測(cè)試
4．1 數(shù)據(jù)傳輸測(cè)試
    文中設(shè)計(jì)無線傳輸模塊采用CC2430芯片，其數(shù)據(jù)傳輸速率最高為250 kbit·s-1，在較為理想的環(huán)境中，其室內(nèi)傳輸距離可達(dá)10～15 m，室外傳輸距離可達(dá)10～100 m，實(shí)驗(yàn)測(cè)試分別在室內(nèi)和室外進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸測(cè)試，隨機(jī)選取6組數(shù)據(jù)，其室內(nèi)測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。
    由表1可知，相隔3 m的距離，無線模塊能快速準(zhǔn)確的傳輸數(shù)據(jù)，相隔5～8 m的距離，無線模塊也能較快速準(zhǔn)確地傳輸數(shù)據(jù)，當(dāng)相隔15 m的距離時(shí)，信號(hào)變得很微弱，基本上較難接收數(shù)據(jù)。分析得出結(jié)論：在室內(nèi)，由于房間內(nèi)各種障礙物的阻攔，無線傳輸信號(hào)削減較多。而在室外相隔10～20 m的距離，無線模塊能較快速準(zhǔn)確地傳輸數(shù)據(jù)，當(dāng)距離達(dá)到30 m時(shí)，信號(hào)變得微弱，難以接收到數(shù)據(jù)。
4．2 報(bào)警測(cè)試
    報(bào)警測(cè)試在室內(nèi)進(jìn)行，在0203房間對(duì)應(yīng)的終端節(jié)點(diǎn)位置產(chǎn)生泡沫明火；在0102房間對(duì)應(yīng)的位置產(chǎn)生棉花陰燃火當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到有火災(zāi)信息時(shí)，測(cè)得對(duì)應(yīng)的房間號(hào)的一氧化碳濃度和溫度信息，如表2所示：即22日10時(shí)23分46秒CO濃度超限報(bào)警，房間號(hào)為0203，實(shí)時(shí)溫度為29．0℃(TH為33．0℃)，CO濃度為0．09％(NH為0．06％)。此時(shí)發(fā)出警報(bào)I——LED亮，蜂鳴器間隔1 s響一次，表示可能有火災(zāi)發(fā)生。而在22日13時(shí)07分18秒溫度超限(TH為33℃)，一氧化碳濃度超限(NH為0．06％)，發(fā)出警報(bào)II，表示有火災(zāi)發(fā)生。

5 結(jié)束語
    文中采用星形網(wǎng)絡(luò)來構(gòu)建無線傳輸系統(tǒng)，當(dāng)有火災(zāi)發(fā)生時(shí)，蜂鳴器、LED燈聲光報(bào)警，并通過液晶顯示對(duì)應(yīng)的房間號(hào)、溫度和一氧化碳濃度信息，用戶可以主動(dòng)查詢某個(gè)房間的實(shí)時(shí)信息，并通過液晶顯示。此系統(tǒng)開發(fā)成本低，性價(jià)比高，具有較好的應(yīng)用前景和經(jīng)濟(jì)效益。