基于ZigBee的高層建筑無線火災報警系統(tǒng)

摘要 選取CC2430作為無線網(wǎng)絡的核心芯片，構(gòu)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。
關(guān)鍵詞 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(shù)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(shù)是短距離無線通信技術(shù)，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(shù)和擴頻技術(shù)，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(NWwK)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(shù)能夠為用戶提供機動、靈活的組網(wǎng)方式?；谏鲜鲈?，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(gòu)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(diào)器節(jié)點構(gòu)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。

    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(diào)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：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(diào)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(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、廉價的ZigB ee節(jié)點構(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(diào)器節(jié)點、電源設計。其中終端節(jié)點設計和協(xié)調(diào)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TGS 2442，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(nèi)部電路如圖2所示。

    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(nèi)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。CO傳感器與終端節(jié)點連接如圖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(gòu)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。

2．2 協(xié)調(diào)器節(jié)點硬件設計
    協(xié)調(diào)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(guān)，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(diào)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(qū)動能力，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。

    (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(qū)動芯片，PCD8544是一塊低功耗的CMOS LCD控制驅(qū)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。

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(diào)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(diào)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(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(zhuǎn)換、匹配ROM、讀取轉(zhuǎn)換結(jié)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(zhuǎn)換，最后保存溫度值。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。

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(diào)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(diào)器節(jié)點。由于采用電池供電，為保證終端節(jié)點低功耗，設計巾采用定時／中斷喚醒的方式采集并發(fā)送數(shù)據(jù)，即可以通過CC2430內(nèi)部定時器定時喚醒，也呵通過協(xié)調(diào)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。

3．3 協(xié)調(diào)器節(jié)點軟件設計
    協(xié)調(diào)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(diào)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)。協(xié)調(diào)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(diào)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，則蜂嗚器、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(nèi)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(nèi)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(nèi)測試實驗結(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(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(nèi)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1 s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。

5 結(jié)束語
    文中采用星形網(wǎng)絡來構(gòu)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。