基于ZigBee技術(shù)的圖書館智能消防監(jiān)控系統(tǒng)

摘要：為加強(qiáng)圖書館消防安全，文章提出基于ZigBee技術(shù)的圖書館智能消防監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。該設(shè)計(jì)由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)等四部分構(gòu)成。其中數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用單片機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送功能；數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)采用ZigBee組網(wǎng)技術(shù)將各個(gè)Zigbee節(jié)點(diǎn)上傳的環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行集中處理，并通過GPRS／GSM無線通訊傳送到后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)；后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)采用LabVIEW技
術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了多個(gè)現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境監(jiān)控。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有高性能、安全、便捷、智能的特點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞：消防監(jiān)控系統(tǒng)；ZigBee；智能化；GPRS／GSM

0 引言
    圖書館是保存人類文化遺產(chǎn)、收藏古今中外文獻(xiàn)資源的寶庫，其資源載體大多屬于可燃物質(zhì)，一旦圖書館發(fā)生火災(zāi)，損失無法估量。例如，2004年9月，被列入世界文化遺產(chǎn)名錄的德國(guó)安娜·阿瑪麗亞公爵夫人圖書館發(fā)生火災(zāi)，三萬冊(cè)圖書被燒毀，有一部分是16至18世紀(jì)的珍貴孤本，整個(gè)火災(zāi)損失高達(dá)幾千萬歐元。同時(shí)，火災(zāi)會(huì)嚴(yán)重威脅到圖書館讀者和工作人員的生命安全和財(cái)產(chǎn)安全。因此，圖書館屬于重點(diǎn)防火單位。而目前國(guó)內(nèi)許多圖書館消防意識(shí)淡薄，消防設(shè)施不夠健全，存在很多消防安全隱患。構(gòu)建科學(xué)合理的智能消防系統(tǒng)，有助于實(shí)現(xiàn)圖書館火災(zāi)的早期探測(cè)、智能化控制，防患于未然。
    圖書館消防系統(tǒng)由火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)和消防聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)組成。其核心思想是對(duì)報(bào)警區(qū)域中發(fā)生的任何火情及時(shí)地感知，并根據(jù)其報(bào)警級(jí)別分別在控制中心給予報(bào)警或進(jìn)行相應(yīng)聯(lián)動(dòng)處理。本文在了解國(guó)內(nèi)外圖書館消防監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)在技術(shù)成熟的無線通訊和無線組網(wǎng)技術(shù)，研制了基于ZigBee技術(shù)的智能消防監(jiān)控系統(tǒng)。ZigBee技術(shù)具有低速率、低功耗、低成本、安全性高的特點(diǎn)。采用無線方式構(gòu)建靈活便捷的安全監(jiān)控系統(tǒng)，成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。

1 圖書館智能消防監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
    圖書館智能消防監(jiān)控的硬件系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)三部分構(gòu)成。圖1為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，圖2為數(shù)據(jù)傳輸模塊結(jié)構(gòu)框圖，圖3為系統(tǒng)具體的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。其中數(shù)據(jù)采集模塊由單片機(jī)、ZigBee模塊、溫度檢測(cè)模塊和煙霧檢測(cè)模塊等部分組成；數(shù)據(jù)通訊模塊由ZigBee模塊、GPRS／GSM模塊和單片機(jī)組成；執(zhí)行機(jī)構(gòu)模塊由聲光報(bào)警模塊和滅火執(zhí)行模塊等組成。

    圖書館智能消防監(jiān)控系統(tǒng)的各個(gè)部分具體功能如下：
    (1)電源模塊：為單片機(jī)以及其它模塊供電；
    (2)單片機(jī)系統(tǒng)：對(duì)溫度采集模塊和煙霧檢測(cè)模塊采集來的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)和GSM／GPRS網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送，并控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)及實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警；
    (3)溫度采集模塊：監(jiān)測(cè)圖書館內(nèi)的溫度，將檢測(cè)結(jié)果傳送給單片機(jī)；
    (4)煙霧檢測(cè)模塊：監(jiān)測(cè)圖書館內(nèi)的煙霧濃度，將檢測(cè)結(jié)果傳送給單片機(jī)；
    (5)執(zhí)行機(jī)構(gòu)模塊：控制相應(yīng)的滅火設(shè)備；
    (6)聲光報(bào)警模塊：出現(xiàn)火災(zāi)狀況時(shí)進(jìn)行聲光報(bào)警；
    (7)ZigBee模塊：實(shí)現(xiàn)ZigBee網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)傳輸；
    (8)GSM／GPRS模塊：實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)從現(xiàn)場(chǎng)到后臺(tái)的無線傳輸和現(xiàn)場(chǎng)與值班人員手機(jī)的通訊。

2 圖書館智能消防監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    本圖書館智能消防監(jiān)控系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)采集模塊監(jiān)測(cè)圖書館各個(gè)區(qū)域及各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的狀態(tài)，并將結(jié)果返回給監(jiān)控室，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、報(bào)警通知、遠(yuǎn)程控制等功能。同時(shí)管理人員還可通過后臺(tái)設(shè)置多項(xiàng)功能，如將現(xiàn)場(chǎng)報(bào)警結(jié)果發(fā)送給值班人員的功能，以及值班人員通過手機(jī)對(duì)遠(yuǎn)程執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制而實(shí)現(xiàn)滅火的功能等。
    圖書館智能監(jiān)控系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)主要包括上位機(jī)監(jiān)控軟件系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通訊軟件系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集軟件系統(tǒng)三部分，下面進(jìn)行詳細(xì)介紹。
2．1 系統(tǒng)的工作流程
    當(dāng)數(shù)據(jù)采集模塊監(jiān)測(cè)到現(xiàn)場(chǎng)的溫度升高或煙霧濃度過大時(shí)，發(fā)出聲光報(bào)警，并通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)將結(jié)果發(fā)送到主ZigBee處理中心進(jìn)行處理，同時(shí)通過GPRS／GSM發(fā)送到后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)。后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)按照相應(yīng)的協(xié)議進(jìn)行解碼，顯示故障點(diǎn)并進(jìn)行聲光報(bào)警，后臺(tái)監(jiān)控中心人員根據(jù)顯示的故障地點(diǎn)采取相應(yīng)的措施，待排除故障之后，報(bào)警將自動(dòng)關(guān)閉；管理人員也可以通過后臺(tái)或現(xiàn)場(chǎng)的按鈕將報(bào)警關(guān)閉，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、報(bào)警通知、遠(yuǎn)程控制等功能。
2．2 數(shù)據(jù)采集模塊軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    數(shù)據(jù)采集模塊的軟件系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境檢測(cè)和數(shù)據(jù)上傳功能。主要軟件包括1)單片機(jī)、ZigBee模塊及傳感器等的初始化；2)圖書館溫度檢測(cè)；3)煙霧濃度的檢測(cè)；4)單片機(jī)與ZigBee模塊間的通訊；5)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制和報(bào)警信息上傳等。數(shù)據(jù)采集模塊的流程圖如圖4所示。

2．3 數(shù)據(jù)通訊模塊軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    數(shù)據(jù)通訊軟件系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)各ZigBee節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的匯總和IGPRS／GSM數(shù)據(jù)的傳輸。主要軟件包括：1)單片機(jī)、ZigBee模塊及GPRS／GSM模塊等的初始化；2)單片機(jī)與ZigBee模塊間的通訊；3)單片機(jī)與GPRS／GSM模塊間的通訊。
2．4 上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)采用LabVIEW軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要實(shí)現(xiàn)多現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的監(jiān)控功能。
    LabVIEW是一種用圖標(biāo)代替文本行創(chuàng)建應(yīng)用程序的圖形化編程語言，提供很多外觀與傳統(tǒng)儀器(如示波器、萬用表)類似的控件，可用來方便地創(chuàng)建用戶界面，其圖形化的界面使得編程及使用過程都非常人性化。
    該上位機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)界面如圖5所示。

    該監(jiān)控界面主要由五大部分：區(qū)域內(nèi)節(jié)點(diǎn)狀況顯示、最高溫度曲線、煙霧指示、設(shè)置與歷史記錄查看、時(shí)間日期顯示。具體功能分別介紹如下。
    (1)區(qū)域內(nèi)節(jié)點(diǎn)狀況顯示。該部分顯示由數(shù)據(jù)采集模塊采集的各個(gè)現(xiàn)場(chǎng)溫度與煙霧數(shù)據(jù)，為了方便著火區(qū)的查找，采用各區(qū)各節(jié)點(diǎn)分別顯示的方式，正常情況顯示為綠燈，如有異常情況則綠燈變?yōu)榧t燈，并且伴有聲音報(bào)警。
    (2)最高溫度曲線。為了及時(shí)發(fā)現(xiàn)火災(zāi)的具體區(qū)域，設(shè)置了各個(gè)區(qū)域最高溫度的顯示面板，方便尋找著火區(qū)。
    (3)煙霧指示。與最高溫度顯示面板作用相同，在由煙霧原因引起報(bào)警時(shí)，方便快速尋找著火區(qū)。
    (4)設(shè)置與歷史記錄查詢。該部分有兩部分功能：查詢歷史報(bào)警記錄和設(shè)置該部分主要實(shí)現(xiàn)后臺(tái)的遠(yuǎn)程控制和設(shè)置系統(tǒng)附加功能，如火警信息的第三方通知等。
    (5)時(shí)間日期。實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前時(shí)間日期，該時(shí)間日期是計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)時(shí)間日期。

3 結(jié)論
    本文給出了智能消防監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，提高了圖書館的消防安全，解決了布線技術(shù)限制系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)所及費(fèi)用較高的問題。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，此系統(tǒng)具有高性能、安全、便捷、智能的特點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。