基于ZigBee的高層建筑無線火災報警系統(tǒng)

李 娟，胡方明

(西安電子科技大學電子工程學院，陜西西安 710071)

基于ZigBee的高層建筑無線火災報警系統(tǒng)

李 娟，胡方明

(西安電子科技大學電子工程學院，陜西西安 710071)

選取CC2430作為無線網(wǎng)絡的核心芯片，構建一個ZigBee星形網(wǎng)絡來實現(xiàn)無線火災報警系統(tǒng)的簡化模型。通過該無線網(wǎng)絡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)預先設定的規(guī)則，判斷是否有火災發(fā)生，定時報告該高層建筑的安全情況。該系統(tǒng)具有較好的應用前景和經(jīng)濟效益。

ZigBee;星形網(wǎng)絡;火災報警;高層建筑

近年來，隨著建筑材料中使用的易燃材料增多，對樓宇火災報警系統(tǒng)提出了更高的要求。無線傳感器網(wǎng)絡和ZigBee技術的應用，解決了傳統(tǒng)的有線火災報警系統(tǒng)誤報警率較高、布線復雜以及維護困難的問題，使火災報警系統(tǒng)實現(xiàn)了網(wǎng)絡化、自動化、智能化。

ZigBee技術是短距離無線通信技術，其節(jié)點電池工作時間可達6個月至兩年，由于功耗低，被業(yè)界認為是最有可能應用在工業(yè)控制、傳感器網(wǎng)絡、家庭監(jiān)控、安全系統(tǒng)等場合的無線方式。使用2.4 GHz波段，采用跳頻技術和擴頻技術，可與254個節(jié)點聯(lián)網(wǎng)，節(jié)點可以是各種儀器和家庭自動化應用設備。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)絡層(NWK)規(guī)范，用戶可根據(jù)自己的需要，對應用層進行開發(fā)利用，因此該技術能夠為用戶提供機動、靈活的組網(wǎng)方式［1］。基于上述原因，文中提出了一種基于ZigBee無線網(wǎng)絡的火災報警系統(tǒng)，完成了對樓宇火災情形的實時監(jiān)測和報警。

1 系統(tǒng)的總體方案

由于構建大型的火災報警系統(tǒng)需要多個探測節(jié)點及復雜的網(wǎng)絡，所需成本較大，設計周期較長，設計采用簡化的模型模擬一個火災報警系統(tǒng)，如圖1所示，采用星形網(wǎng)絡，用12個終端節(jié)點和1個協(xié)調器節(jié)點構成火災報警系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡。其中每個房間放置2個終端節(jié)點，分別與一個溫度傳感器和一個一氧化碳傳感器相連，采集一氧化碳濃度和溫度信息。

圖1 系統(tǒng)的總體結構圖

根據(jù)測定分析，空氣中的一氧化碳0.01%;當空氣中一氧化碳濃度達到0.06%時，1小時便能引起人的中毒;如果達到0.32%，只需30 min，人便可陷入昏迷致死亡。因此本設計CO濃度上限NH設定為0.06%，溫度上限TH設定為30～35℃。

協(xié)調器節(jié)點接收到數(shù)據(jù)后，綜合判斷是否有火災發(fā)生，其判定的規(guī)則為:(1)如果溫度或一氧化碳濃度超限，則分別置標志位為1，否則為0。(2)根據(jù)溫度和一氧化碳濃度的標志位來判斷是否發(fā)生火災，如有火災發(fā)生，則發(fā)出相應的警報［2］:一氧化碳氣體濃度、溫度標志位只有一個為1時，發(fā)出警報I;一氧化碳濃度、溫度標志位二者均為1時，發(fā)出警報II。

2 系統(tǒng)的硬件設計

文中協(xié)調器節(jié)點和終端節(jié)點采用CC2430芯片作為處理器芯片，CC2430芯片以強大的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。其片上集成了一個增強型工業(yè)標準的8位8051微控制器內核，片內資源豐富，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、廉價的ZigBee節(jié)點構建［3］。結合了 TI/Chipcon業(yè)界領先的 ZigBee協(xié)議棧之后，CC2430被認為是市場上最具競爭力的ZigBee解決方案。

系統(tǒng)的硬件設計由3部分組成:終端節(jié)點、協(xié)調器節(jié)點、電源設計。其中終端節(jié)點設計和協(xié)調器節(jié)點設計為文中的重點。

2.1 終端節(jié)點硬件設計

設計中每個房間放置2個終端節(jié)點，分別與一個溫度傳感器和一個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TGS2442，是一種電阻式半導體氣體傳感器，其特點是低功耗、低成本、對一氧化碳選擇性高、靈敏度高、壽命長、受濕度的影響小，抑制了對酒精的靈敏度，工作于極短的脈沖加熱方式。TGS2442對一氧化碳有高選擇性，所以適于一氧化碳氣體檢測。其內部電路如圖2所示。

圖2 TGS2442傳感器內部電路圖

VH用于維持敏感素子處于與對象氣體(CO氣體)相適應的特定溫度而施加在集成的加熱器上，VC則用于測定與傳感器串聯(lián)的負載電阻 RL上的兩端電壓VOUT，當傳感器探測到一氧化碳氣體時，傳感器的內阻RS變小，輸出電壓VOUT迅速上升，即一氧化碳氣體濃度達到一定程度時，對應RS阻值會隨之變化［4］。CO傳感器與終端節(jié)點連接如圖3所示。

圖3 CO傳感器與終端節(jié)點連接圖

溫度傳感器采用單總線智能溫度傳感器DSl8B20，該器件為單片結構、體積小，外部只有3個引腳。與傳統(tǒng)的熱敏電阻相比，DS18B20不需運算放大器，可直接讀出被測溫度，并根據(jù)實際要求通過編程來實現(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等優(yōu)點，即適合與單片機構成智能溫度檢測系統(tǒng)。溫度傳感器與終端節(jié)點連接如圖4所示。

圖4 溫度傳感器與終端節(jié)點連接圖

圖5 蜂鳴器電路

2.2 協(xié)調器節(jié)點硬件設計

協(xié)調器接收數(shù)據(jù)后，根據(jù)預先設定的規(guī)則，判斷是否有火災發(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，Q1相當于一個電子開關，用于控制蜂鳴器的供電通斷。當P1.3口輸出高電平時，Q1飽和導通，LS1通電工作發(fā)出聲響，當P1.3口輸出為低電平時，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)調器節(jié)點外圍電路包括兩個狀態(tài)指示燈，分別用于表示收發(fā)狀態(tài)和火災報警狀態(tài)。CC2430所有的I/O口可單獨設置為通用I/O口，或外設特殊功能I/O口。其中P1_0，P1_1口具備20 mA的電流驅動能力，為高輸出I/O口，其他I/O口均具備4 mA的電流驅動能力。因此，采用CC2430的P1_0，P1_1口與兩個LED燈連接，并在二者之間連接上270 Ω的保護電阻，發(fā)光二極管低電平有效，當I/O輸出為低電平時，LED燈亮。如圖6所示。

圖6 狀態(tài)指示燈電路

(3)液晶顯示電路。采用Nokia3310液晶顯示屏來顯示房間號，報警上限TH，實測溫度和CO濃度信息。Nokia3310為84×48點陣液晶屏，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作為其控制驅動芯片，PCD8544是一塊低功耗的CMOS LCD控制驅動器，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。

圖7 液晶顯示接口電路

2.3 電源設計

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)調器節(jié)點是無線網(wǎng)絡的中心，不適用低功耗休眠模式，需要長期供電，協(xié)調器節(jié)點采用交流供電方式，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)調器芯片CC2430供電。其電源原理圖如圖8所示。

圖8 電源原理圖

3 系統(tǒng)的軟件設計

3.1 數(shù)據(jù)采集軟件設計

數(shù)據(jù)采集中CC2430處理器對溫度的處理有:配置溫度量化分辨率、初始化、跳過ROM匹配、啟動轉換、匹配ROM、讀取轉換結果，對讀取的溫度數(shù)據(jù)首先進行CRC校驗，然后進行正負數(shù)判斷與格式轉換，最后保存溫度值［5］。由于設計中每個終端節(jié)點只與一個溫度傳感器相連，無需進行ROM地址匹配，所以在DS18B20初始化復位后，MCU發(fā)送跳過ROM地址命令，DS18B20經(jīng)過93.75 ms的延時，將溫度數(shù)據(jù)存儲在EEPROM中，如圖9所示。

圖9 溫度采集流程圖

3.2 終端節(jié)點軟件設計

終端節(jié)點通電后，自動搜索網(wǎng)絡并發(fā)送綁定請求，申請加入網(wǎng)絡，在加入網(wǎng)絡后，終端節(jié)點把自己的網(wǎng)絡ID號發(fā)送至協(xié)調器節(jié)點，以供后期判斷使用。終端節(jié)點采集到溫度和CO氣體數(shù)據(jù)先做一個預處理判斷，當判斷為有火災情形時，將預報警信息送至RF發(fā)射端，通過無線網(wǎng)絡傳輸給協(xié)調器節(jié)點。由于采用電池供電，為保證終端節(jié)點低功耗，設計中采用定時/中斷喚醒的方式采集并發(fā)送數(shù)據(jù)，即可以通過CC2430內部定時器定時喚醒，也可通過協(xié)調器節(jié)點發(fā)送的中斷來喚醒節(jié)點，剩余時間則進入休眠模式，如圖10所示。

圖10 終端節(jié)點流程圖

3.3 協(xié)調器節(jié)點軟件設計

協(xié)調器節(jié)點上電后先建立網(wǎng)絡，建立成功后自動進入允許綁定模式，并對終端節(jié)點發(fā)送的綁定請求作出響應。綁定成功后，當協(xié)調器收到信息時，根據(jù)數(shù)據(jù)的第一個標識字符來判斷是終端節(jié)點的網(wǎng)絡地址還是終端節(jié)點采集的數(shù)據(jù)［6］。協(xié)調器節(jié)點接收終端節(jié)點發(fā)送的網(wǎng)絡地址(16位)并進行存儲。當協(xié)調器節(jié)點收到終端節(jié)點采集的數(shù)據(jù)時，通過zb_Send Data Confirm指示應答。并進行數(shù)據(jù)處理判斷，根據(jù)預先設定的規(guī)則，作出火災報警的最終判決，如果確認有火災發(fā)生，則蜂鳴器、LED燈聲光報警，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)測試

4.1 數(shù)據(jù)傳輸測試

文中設計無線傳輸模塊采用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，其室內傳輸距離可達10～15 m，室外傳輸距離可達10～100 m，實驗測試分別在室內和室外進行數(shù)據(jù)傳輸測試，隨機選取6組數(shù)據(jù)，其室內測試實驗結果如表1所示。

圖11 協(xié)調器節(jié)點流程圖

表1 室內測試實驗結果

由表1可知，相隔3 m的距離，無線模塊能快速準確的傳輸數(shù)據(jù)，相隔5～8 m的距離，無線模塊也能較快速準確地傳輸數(shù)據(jù)，當相隔15 m的距離時，信號變得很微弱，基本上較難接收數(shù)據(jù)。分析得出結論:在室內，由于房間內各種障礙物的阻攔，無線傳輸信號削減較多。而在室外相隔10～20 m的距離，無線模塊能較快速準確地傳輸數(shù)據(jù)，當距離達到30 m時，信號變得微弱，難以接收到數(shù)據(jù)。

4.2 報警測試

報警測試在室內進行，在0203房間對應的終端節(jié)點位置產(chǎn)生泡沫明火;在0102房間對應的位置產(chǎn)生棉花陰燃火當系統(tǒng)檢測到有火災信息時，測得對應的房間號的一氧化碳濃度和溫度信息，如表2所示:即22日10時23分46秒CO濃度超限報警，房間號為0203，實時溫度為29.0℃(TH 為33.0 ℃)，CO 濃度為0.09%(NH為0.06%)。此時發(fā)出警報I——LED亮，蜂鳴器間隔1s響一次，表示可能有火災發(fā)生。而在22日13時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II，表示有火災發(fā)生。

表2 火災報警時顯示的結果

5 結束語

文中采用星形網(wǎng)絡來構建無線傳輸系統(tǒng)，當有火災發(fā)生時，蜂鳴器、LED燈聲光報警，并通過液晶顯示對應的房間號、溫度和一氧化碳濃度信息，用戶可以主動查詢某個房間的實時信息，并通過液晶顯示。此系統(tǒng)開發(fā)成本低，性價比高，具有較好的應用前景和經(jīng)濟效益。

［1］PARKER A D.IEEE 802.15.4 standard for low.rate wireless personal area network(LR － WPAN)［J］.IEEE Commun ication Ma，2004，8(5):12 －18.

［2］岳靜.家用火災自動報警裝置的設計［J］.西安航空技術高等專科學校學報，2008，26(1):33 －34.

［3］高守偉，吳燦陽，楊超，等.ZigBee技術實踐教程:CC2430/31的無線傳感器網(wǎng)絡解決方案［M］.北京:北京航空航天出版社，2009.

［4］Figaro.TGS2442 － for the detection of carbon monoxide［EO/OL］.(2010 －08 －30)［2011 －10 －15］http://www.docin.com/p －75470438.html.

［5］王捷，田紅芳，周振渝.基于可組網(wǎng)數(shù)字溫度傳感器火災報警系統(tǒng)設計［J］.儀表技術與傳感器，2007(1):28－29.

［6］陳旭，方康玲，李曉卉.基于CC2430的ZigBee數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計［J］.湖南工業(yè)大學學報，2008(6):58－61.

［7］王建，沈元隆.星形網(wǎng)絡的可靠性分析及其路由選擇［J］.西安郵電學院學報，2006(1):15－18.

Wireless Fire alarm System for High-rise Buildings Based on ZigBee Technique

LI Juan，HU Fangming
(School of Electronic Engineering，Xidian University，Xi'an 710071，China)

A novel simplified model of the fire alarm system is designed by employing the chip CC2430 to constitute a star network of ZigBee.The fire information of each room is transmitted over this wireless network，including the carbon monoxide concentration and temperature information.Then according to the predefined rules，the control center determines whether there's a fire occurring.The security of the high－rise building is also reported regularly.The system has good application prospect and economic benefits.

ZigBee;star network;fire alarm;high－rise building

TN926+.23;TP277.1

A

1007－7820(2012)06－034－04

2011－12－28

李娟(1985—)，女，碩士研究生。研究方向:智能測試控制與傳感器應用。胡方明(1964—)，男，碩士生導師。研究方向:智能測試與控制，系統(tǒng)集成與信息處理，傳感技術基礎及應用。