基于ZigBee的多傳感器智能火災報警系統(tǒng)

王培錦+路佳宣

摘 要：在分析了實際學校環(huán)境的基礎上，創(chuàng)造性地提出了一個基于ZigBee技術的無線多傳感器火災報警與火警監(jiān)控的跨平臺火警系統(tǒng)解決方案。宿舍樓安放的PC機不僅能夠實時對宿舍環(huán)境進行監(jiān)測，當溫度，煙霧超出指標后，還能及時向持有安卓設備的樓層管理員發(fā)出火災警報。該跨平臺的系統(tǒng)是火警探測領域的一個突破，具有極大的實用價值。

關鍵詞：ZigBee；HTML；Android；PHP

中圖分類號：TP274 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2015）07-000-03

0 引 言

近年來，經(jīng)常會看到各種新聞報道中發(fā)生在學校的火災，這些火情不僅會造成巨大的財產(chǎn)損失，而且會嚴重威脅師生的生命安全。因此，擁有一款實用準確的火災報警系統(tǒng)十分必要。目前已有的火災報警系統(tǒng)一般采用有線方式連接，不僅影響美觀，而且不易擴展，布置嚴格受到地形的限制。在很多老舊的教學樓內存在難以布線的問題，并且由于使用有線的方式連接，線路容易發(fā)生老化或遭到腐蝕、鼠咬、磨損等問題，嚴重影響了火情的準確報警。火災報警往往局限于室內的燈光，警鈴和自動的消防設施，而當出現(xiàn)室內消防設施無法解決的嚴重火情時難以與外界取得聯(lián)系，尤其是在室內無人的情況下，極易延誤救火的黃金時期，延誤火情。

本文成功設計了一整套基于安卓手機和Web的跨平臺防火報警系統(tǒng)。本系統(tǒng)可實現(xiàn)火災的有效檢測，當檢測到火災后可對綁定的手機進行報警和火情的服務器上傳，方便消防人員及時了解火災情況，及時采取措施。

本系統(tǒng)分為無線模塊，主機模塊，安卓模塊和Web模塊[1-3]。其中無線模塊使用基于CC2530的ZigBee設備，使用IAR平臺進行開發(fā)。主機模塊搭載在基于Windows系統(tǒng)的PC機上，使用VS2010進行開發(fā)，主要靠MFC來實現(xiàn)。安卓模塊使用Eclipse平臺進行開發(fā)，使用的是2.3.2版本。Web模塊采用SAE平臺進行開發(fā)。

1 系統(tǒng)的總體設計方案

本系統(tǒng)的整體框架由5部分組成，包括4個模塊，無線模塊主要由無線傳感器網(wǎng)絡組成，負責環(huán)境數(shù)據(jù)的采集和無線傳輸，環(huán)境數(shù)據(jù)最終被匯總到協(xié)調器中，協(xié)調器通過串口與主機模塊進行數(shù)據(jù)傳輸。主機模塊對數(shù)據(jù)進行判斷處理，將處理得到的結果通過Socket發(fā)到安卓模塊設備中，此時安卓模塊設備產(chǎn)生報警，并通過HTTP指令將火情的地址發(fā)送至Web模塊。這樣，我們就可以通過瀏覽相應網(wǎng)頁、Web模塊來方便地觀察最新發(fā)生的火情，并進行響應。圖1是該系統(tǒng)的整體框架圖。

圖1 系統(tǒng)整體框架圖

2 各模塊的設計

2.1 無線模塊的設計

無線模塊采用ZigBee標準設計，相比于藍牙，WiFi，紅外線等其他技術，ZigBee技術具有功耗低，設備穩(wěn)定可靠，無線傳輸不受障礙物影響等諸多優(yōu)點。目前使用最廣泛和最受推廣的協(xié)議棧是ZigBee2007協(xié)議，TI公司已經(jīng)生產(chǎn)出了完全兼容該協(xié)議的CC2530芯片及相應的Z-Stack協(xié)議棧，這也是本系統(tǒng)所采用的芯片和協(xié)議棧。

相比于其他的通信協(xié)議，ZigBee在傳輸距離和傳輸速率上都不是很占優(yōu)勢。ZigBee的傳輸速率在20～250 Kb/s，傳輸距離通常為10～100 m。但是比起其他通信方式，ZigBee擁有成本低，功耗小等優(yōu)點，因此特別適用于工業(yè)領域傳輸小量的數(shù)據(jù)。

DS18B20是一款常用的溫度傳感器[4]，這款傳感器的體積小，精度高，同時它也具有較強的抗干擾能力和低廉的價格等諸多優(yōu)點。DS18B20采用單總線接口方式，我們只需要一根線就能完成傳感器與微處理器的連接，十分簡便。它的測量范圍在-55～125 ℃，工作電壓為3.0～5.5 V/DC。無需增加其他外圍原件和外圍電路，可直接通過傳感器進行溫度的測量[5]。

MQ-2煙霧傳感器是一款常被使用的煙霧傳感器，它擁有十分廣泛的探測范圍，優(yōu)異的穩(wěn)定性，很高的靈敏度等諸多優(yōu)點，只需要加簡單的驅動電路就能夠使用。這款傳感器可用于各類工廠的氣體檢測，它同樣適用于家庭，是一款應用十分廣泛的產(chǎn)品。它可以用于丁烷，乙烷，丙烷，液化氣，酒精，氫氣，煙霧等的探測。

本系統(tǒng)將傳感器的驅動和讀取環(huán)境相關參數(shù)的程序加在終端節(jié)點的程序中，使終端節(jié)點在加入ZigBee網(wǎng)絡的同時讀取相關參數(shù)，并實現(xiàn)向協(xié)調器傳遞參數(shù)的工作。

2.2 主機模塊的設計

主機模塊與無線模塊之間采用串口進行通信，串口通常也被叫做COM口，是采用串行通信方式的擴展接口。串口在上個世紀80年代推出，傳輸速率在115 Kb/s～230 Kb/s之間。串口通信的方式分為兩種：同步通信方式和異步通信方式。本系統(tǒng)的ZigBee設備自帶了USB口轉串口的芯片，使用USB連接線即可與PC端相連，不過PC端仍需編寫串口的程序對協(xié)調器傳來的數(shù)據(jù)進行接收。串口接收的流程如圖2所示。

圖2 串口接收流程圖

每個進程都至少需要一個線程，進程是資源分配的基本單位，線程是執(zhí)行操作的基本操作[5]。進程可理解為一個正在運行的程序實例，可用來申請系統(tǒng)資源。一個進程可擁有多個線程，進程是線程的容器，但是具體完成某項操作，還是要靠線程來完成。本系統(tǒng)采用多線程的技術，一個線程負責串口數(shù)據(jù)的接收和處理，另一個線程負責PC端作為服務器對Socket端口的監(jiān)聽和TCP連接的保持。具體流程如圖3所示。

圖3 多線程程序的設計圖

在主機模塊需要對串口接收的數(shù)據(jù)進行判定，本系統(tǒng)使用閾值法進行火情的判斷，閾值法是一種最簡單也是最常用的判斷機制，它根據(jù)專家經(jīng)驗設置一個閾值，當超過閾值后進行相應的反應，當不足閾值時不做反應，繼續(xù)進行檢測。本次實驗采用溫度和煙霧傳感器，通過設置溫度和煙霧的閾值，當超過閾值后進行相應的報警。同時因為采用了2個傳感器，減少了因傳感器不穩(wěn)定造成的短暫超過閾值的誤報警，極大地提高了報警的準確性，并且運行速度較快，能夠及時對變量值的改變進行反應和報警，具有反應時間短等諸多優(yōu)點。

2.3 安卓模塊的設計

Eclipse是一個開發(fā)Java和安卓的主流開發(fā)平臺，和安卓系統(tǒng)一樣，Eclipse同樣是開放源代碼的。它只是一個框架，我們通過給Eclipse加上各種插件完成不同的開發(fā)任務。我們使用ADT插件在Eclipse上進行安卓的開發(fā)。Eclipse開發(fā)界面如圖4所示。

圖4 Eclipse的開發(fā)界面

Java在.net庫中提供了兩個類用于Socket網(wǎng)絡編程供我們調用，他們分別是Socket和ServerSocket。它們分別表示通信的客戶端和服務器端。通過IP號和端口號建立Socket，相應的函數(shù)如下。其中HOST為IP地址，PORT為端口號：

Socket=new Socket（HOST，PORT）；

之后獲取Socket流，并把流包進BufferedWriter進行讀寫。使用過后關閉流。通信中間的管道是通過輸入輸出流實現(xiàn)的，一旦這個通信的管道建立好了之后就可以通過管道在客戶機和服務器之間進行通信。因此如果將通信管道關閉，那么同時也就關閉了Socket。

安卓和MySQL交互可以使用XML和HTTP POST兩種方式。XML是一種可擴展標記語言，它可以用來標記數(shù)據(jù)和定義數(shù)據(jù)的類型，適用于www的傳輸。如果說超文本標記語言是用來顯示的話，那么XML就是用來傳輸數(shù)據(jù)的。XML語言在1998年成為了W3C的推薦標準。XML兼容現(xiàn)有的協(xié)議，可以訪問多種API，比如DOM，SAX，XSLT和Xpath等。對于數(shù)據(jù)的管理，XML同樣有自己統(tǒng)一的格式，這使得數(shù)據(jù)的管理變得十分簡單方便，此外XML允許不同系統(tǒng)間數(shù)據(jù)的交互，使得跨平臺的系統(tǒng)實現(xiàn)成為了可能，不僅如此，XML使得底層數(shù)據(jù)的傳輸更具有可讀性，我們可以通過分析器看出底層究竟傳輸?shù)氖鞘裁磾?shù)據(jù)。

除了XML，還可以通過HTTP GET和HTTP POST兩種方式進行數(shù)據(jù)的傳輸。一般來說GET用于數(shù)據(jù)的獲取，POST用于數(shù)據(jù)的更新，它可以用來改變服務器上的任意資源。使用POST需要用到表單，理論上使用POST是沒有大小限制的，因為HTTP協(xié)議并沒有對它進行限制，不過每個服務器都會有自己的限制。比起GET，POST的安全性更高，因為GET上的信息都會被明文顯示在URL中，但是POST不會。

2.4 Web模塊的設計

Web模塊包括網(wǎng)頁前臺的編寫和網(wǎng)頁后臺的編寫，本系統(tǒng)采用了新浪公司的SAE平臺進行HTML前臺和PHP后臺的開發(fā)[6]。

網(wǎng)頁前臺系統(tǒng)采用HTML語言開發(fā)，HTML語言結構分為頭和主體兩個部分。頭部存放關于網(wǎng)頁的一些信息，主體存放著網(wǎng)頁的具體內容。HTML語言具有諸多優(yōu)點，比如簡易性，可擴展性，平臺無關性和通用性。HTML語言沒有復雜的語法，使用簡單容易上手。與此同時，HTML能夠在Windows，MAC等多種系統(tǒng)上開發(fā)和運行，它與平臺無關的特性成就了www的廣泛使用。最后，HTML是一個通用的標準，任何地方的任何設備都應該遵守這一標準在網(wǎng)上進行數(shù)據(jù)的傳遞和瀏覽。

網(wǎng)頁后臺系統(tǒng)采用PHP語言編寫。PHP語言又叫做超文本預處理器，是一種常用的后臺語言，它是開源的，吸收了C、Java、Perl等多種語言的特點。PHP主要用于Web平臺的開發(fā)。PHP有諸多優(yōu)點，它能夠更快地執(zhí)行網(wǎng)頁，此外PHP支持現(xiàn)有的所有數(shù)據(jù)庫和操作系統(tǒng)，并可以很好的與其他語言進行融合。PHP可以消耗較小的資源進行執(zhí)行，此外具有很好的跨平臺性，這些都為PHP的廣泛使用提供了很好的條件。

可以使用mysql_connect函數(shù)打開數(shù)據(jù)庫的鏈接，該函數(shù)的聲明如下：

mysql_connect（server，user，pwd，newlink，clientflag）；

其中，server規(guī)定要選擇的服務器，user是用戶名，pwd是密碼，newlink和clientflag是可選項，規(guī)定了一些可選的特征。連接數(shù)據(jù)庫成功后就可以調用SQL語句進行數(shù)據(jù)的操作。

Sina App Engine（SAE）是新浪公司2009年開始研發(fā)推出的首個國內App Engine平臺[7]。新浪SAE吸收了Google，Amazon等多個公司的成功開發(fā)經(jīng)驗，為用戶和開發(fā)者提供了一個全新的云計算和存儲平臺。SAE選用Web作為其開發(fā)方式，平臺內部綜合了數(shù)據(jù)庫，HTML等多種開發(fā)環(huán)境，為中小型企業(yè)和個人開發(fā)者的軟件開發(fā)提供了極大的方便。

3 系統(tǒng)的總體測試

3.1 無線模塊的測試

首先將IAR的程序燒制到協(xié)調器和終端節(jié)點中，然后將協(xié)調器通過串口與主機連接，本次實驗采用的ZigBee套件集成了串口轉U口的芯片，可直接通過USB連接線與主機相連，打開協(xié)調器和終端節(jié)點。

接著打開串口助手，本次實驗采用COM4串口，波特率為115 200，可以從串口觀察到各終端節(jié)點傳來的數(shù)據(jù)，其中第一位是節(jié)點的標志。

圖5是串口助手觀察結果示意圖。

圖5 串口助手觀察結果

至此，無線模塊的任務圓滿完成。無線模塊實現(xiàn)了目標區(qū)域溫度和煙霧數(shù)據(jù)的收集，并實現(xiàn)了終端節(jié)點通過ZigBee網(wǎng)絡向協(xié)調器進行數(shù)據(jù)發(fā)送及協(xié)調器通過串口向主機進行數(shù)據(jù)傳輸。

3.2 安卓端報警器的測試

首先打開安卓端報警器，進入初始界面后，在文本框中輸入主機IP地址，與PC端主機建立連接。輸入主機地址后開始進入監(jiān)測模式，等待PC服務器端傳來火情信息，若無火情信息，那么安卓端一直處于監(jiān)測模式。若有火情發(fā)生，安卓端彈出火災報警框并播放警示音樂提醒樓管人員，可通過點擊“解除火警”按鈕來結束報警。圖6是安卓手機端進入監(jiān)測模式示意圖。

圖6 安卓手機端進入監(jiān)測模式

3.3 安卓端火情上傳系統(tǒng)的測試

使用瀏覽器打開網(wǎng)頁，進入數(shù)據(jù)庫可查詢實時的報警消息（見圖7）。當安卓設備持有者確定火情發(fā)生后即可使用這款App方便的將火情地址傳送到服務器上的數(shù)據(jù)庫中。通過這款火情上傳App，宿舍管理員可方便及時的將火情上傳到服務器中，供消防人員和校園警察進行查詢，并且快速的做出反應。

圖7 報警信息的查詢

4 結 語

ZigBee具有短距離、低成本、低功耗、易實現(xiàn)、安全可靠的特點，適合作為自動報警系統(tǒng)的組成部件。本項目設計了一種基于ZigBee技術的無線消防報警系統(tǒng)，實現(xiàn)了室內火警監(jiān)測，解決了現(xiàn)有火災報警系統(tǒng)設計、施工與維護復雜，抗干擾能力低，故障率和誤報率高等問題。因此，基于ZigBee技術的自動報警系統(tǒng)，必將在未來的智能樓宇中得到更普遍的發(fā)展和應用。

參考文獻

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[2] Pengfei L， Jiakun L， Luhua N， et al. Research and application of ZigBee protocol stack[C]. Measuring Technology and Mechatronics Automation （ICMTMA）， 2010 International Conference on. IEEE， 2010（2）： 1031-1034.

[3] 劉明光.基于ZigBee無線技術的電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)應用設計[D].濟南：山東大學，2010.

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