物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)下的智能火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)

許 馳

（遼寧工程技術(shù)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，葫蘆島125105）

引 言

物聯(lián)網(wǎng)（Internet Of Things，IOT）［1］技術(shù)的提出和快速發(fā)展為火災(zāi)預(yù)警技術(shù)的發(fā)展提供了新的思路和解決方案。當前，火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)作為智能家居、樓宇自動化的重要組成部分，已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用和普及。但是，系統(tǒng)的實時性和準確性一直有待提高，傳統(tǒng)的總線制火災(zāi)系統(tǒng)在使用中已經(jīng)暴露出了很多問題，包括布線的種種弊端以及高虛警率和漏警率等。鑒于此，本文設(shè)計了一種基于物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的智能火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)概述

系統(tǒng)采用物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)設(shè)計，按照其四層結(jié)構(gòu)模型［1］，以ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（ZigBee-WSN）［2］為底層的感知識別層，以GSM／GPRS或Internet為網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建層，管理層和應(yīng)用層則采用PC 和智能手機相結(jié)合的方式。系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

底層數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)采用ZigBee樹簇狀網(wǎng)絡(luò)，由傳感節(jié)點、匯聚節(jié)點和管理節(jié)點組成。部署系統(tǒng)時，首先在待監(jiān)測區(qū)域固定若干匯聚節(jié)點，作為單位區(qū)域內(nèi)的路由器，匯聚網(wǎng)絡(luò)信息。匯聚節(jié)點采用消防電源長期供電，確保網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定。傳感節(jié)點則可以根據(jù)實際需要隨機布置，具有可任意“播撒”的特點。這樣，若干傳感節(jié)點通過2.4GHz ISM 信道不斷地將環(huán)境感知數(shù)據(jù)發(fā)送給匯聚節(jié)點，再由其匯聚給管理節(jié)點。管理節(jié)點作為ZigBee網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器，負責(zé)整個網(wǎng)絡(luò)的建立、信道選擇、地址分配以及節(jié)點的加入和退出等，并通過RS232與控制管理中心PC通信?？刂乒芾碇行膽?yīng)提供良好的人機交互環(huán)境，實時顯示網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)，存儲網(wǎng)絡(luò)上傳的數(shù)據(jù)。同時，還可以對多傳感器采集數(shù)據(jù)進行信息融合，達到對火災(zāi)的智能判別。在確定存在火情的情況下，能夠進行聲光、短信報警，并啟動自動消防設(shè)備。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 處理器單元設(shè)計

感知識別層采用ZigBee-WSN 技術(shù)，負責(zé)完成復(fù)雜環(huán)境下的火災(zāi)信息感知。系統(tǒng)中，各傳感節(jié)點的處理器單元和無線收發(fā)單元分別選擇TI公司的CC2530 芯片和CC2591芯片。CC2530 內(nèi)部集成了工業(yè)標準的增強型8051內(nèi)核、符合2.4GHz IEEE 802.15.4的RF收發(fā)器、21個可編程邏輯的GPIO、5通道的DMA、8通道可配置分辨率的ADC、看門狗定時器以及AES 安全協(xié)處理器等［3］。因此，CC2530以其較高的性價比成為高校開展科研、企業(yè)進行產(chǎn)品研發(fā)的重要選項，已經(jīng)具有了較高的市場占有率。同時，系統(tǒng)還增加了射頻放大芯片CC2591，其目的就是保證網(wǎng)絡(luò)的傳輸距離和復(fù)雜室內(nèi)環(huán)境中的穿透能力，確保網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的可靠傳輸。經(jīng)測試，采用了CC2591的WSN 節(jié)點的傳輸能力可達500～1000m，且穿透能力得到了較大的提升。

系統(tǒng)WSN 節(jié)點的硬件電路如圖2所示。

圖2 WSN節(jié)點電路

2.2 傳感器單元設(shè)計

［4］和參考文獻［5］對火災(zāi)產(chǎn)生的原因、火災(zāi)預(yù)警原理及火災(zāi)信號選取做了詳細的分析。基于此，根據(jù)火災(zāi)發(fā)生的前期特征，系統(tǒng)分別選取了溫度、濕度、煙霧和CO 濃度作為火災(zāi)監(jiān)測對象。各傳感節(jié)點采用多傳感器技術(shù)，分別連接了DHT21溫濕度傳感器、MQ2煙霧傳感器和MQ7一氧化碳傳感器。DHT21是含有已校準數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，采用單排4針引腳封裝。使用時，只需將DATA 引腳連接到MCU 的任意GPIO 即可，這里是連接到CC2530的P1＿5引腳。另外，為了確保CC2530對DHT21有足夠的驅(qū)動能力，在DHT21DATA引腳接有5.1kΩ 的上拉電阻，確保芯片有合適的灌電流。這樣，只要按照DHT21的邏輯時序編寫程序，控制MCU引腳的輸入／輸出，就可以從DATA 引腳準確讀出溫濕度數(shù)據(jù)。

MQ2和MQ7傳感器都屬于氣敏型傳感器，兩者的原理相似，都屬于MQ 傳感器。MQ 傳感器所采用的氣敏材料是在清潔空氣中電導(dǎo)率極低的SnO2，當將它放置于某種敏感氣體環(huán)境中時，電導(dǎo)率將隨該種敏感氣體濃度的增大而增大。因此，在驅(qū)動MQ 傳感器時，只需根據(jù)傳感器特性搭建合理的驅(qū)動電路即可。MQ 傳感器的輸出均為模擬量，故應(yīng)交由MCU 進行A／D 轉(zhuǎn)換。CC2530 的P0口是其內(nèi)部ADC的8通道輸入端口，故將MQ2和MQ7的輸出端分別連接至P0＿0引腳和P0＿1引腳。MQ 傳感器有6只針狀引腳，如圖2所示。2引腳和5引腳用于提供加熱電流，供電電壓為5 V，其余引腳用于信號取出。通過電路分析可知，4引腳和6引腳的輸出電壓為。RS為敏感體電阻，阻值一般為2～20kΩ。當空氣中的敏感氣體濃度增加時，電導(dǎo)率增加，RS下降，故輸出電壓Uout增大。電位器RL除了起到限流作用外，最主要的作用就是實現(xiàn)對WSN 節(jié)點靈敏度的調(diào)節(jié)和校準。由于MQ 傳感器內(nèi)部的氣敏元件在不同環(huán)境下對不同種類、不同濃度的氣體有著不同的阻值RS，因此為精確考慮，在溫、濕度變化較大的環(huán)境中，需要對節(jié)點的靈敏度進行調(diào)節(jié)，這也是系統(tǒng)增加濕度測量的一個主要原因。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 ZigBee-WSN軟件設(shè)計

底層的數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)采用Zig-Bee2007協(xié)議規(guī)范設(shè)計，基于TI公司提供的半開源ZStack協(xié)議棧［6］開發(fā)。系統(tǒng)的整體流程如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)整體流程

3.2 系統(tǒng)GUI設(shè)計

由于要求控制管理中心PC 提供良好的人機交互環(huán)境，故采用圖形用戶界面（Graphical User Interface，GUI）設(shè)計［7］。采用GUI設(shè)計的優(yōu)勢就在于它提供的界面具有友好性，可以幫助減少用戶的認知負擔(dān)，滿足不同用戶的設(shè)計需求。當前較為流行的GUI 設(shè)計技術(shù)包括MiniGUI、OpenGUI、Microwindows／Nano-X、Qt等，另外，采用VC＋＋、VB 等也可以完成GUI的開發(fā)。但是，這些軟件在API的封裝性、跨平臺性、代碼量、設(shè)計難度和開發(fā)周期上都存在很大差異，擁有各自的優(yōu)點和缺點。因此，綜合考慮各種因素，這里采用Qt技術(shù)設(shè)計系統(tǒng)的GUI。設(shè)計是基于Qt 4.7SDK 完成的，該軟件版本集成了Qt 4.7.4和Qt Creater 2.4.1集成開發(fā)環(huán)境（IDE）。

設(shè)計時，首先在main.cpp文件中創(chuàng)建QApplication類對象。QApplication類主要用于設(shè)置和管理GUI應(yīng)用程序及其控制流，包括控制主事件的循環(huán)、初始化和結(jié)束來自用戶接口或其他系統(tǒng)資源的應(yīng)用程序、提供會話管理等。然后就可以根據(jù)系統(tǒng)需要添加實際應(yīng)用，這里設(shè)計了一個系統(tǒng)登錄窗口和一個控制管理窗口，分別命名為logindlg.cpp和firesystem.cpp。添加完成后，將自動生成相應(yīng)的頭文件（logindlg.h、firesystem.h）和界面文件（logindlg.ui、firesystem.ui）。

控制管理中心PC 要接收網(wǎng)絡(luò)管理節(jié)點發(fā)送的環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，因此實現(xiàn)串口通信是進行GUI設(shè)計的關(guān)鍵。Qt本身并沒有提供串口控制類，故需要采用第三方編寫的qextserialport類。qextserialport類實際上是QIODevice的派生類，使用時，需要為工程添加相應(yīng)的類文件qextserialbase.cpp、qextserialbase.h以及win＿qextserialport.cpp、win＿qextserialport.h。設(shè)計控制管理窗口時，為了保證系統(tǒng)配置的靈活性，在UI設(shè)計窗口中分別添加“端口號”、“波特率”、“數(shù)據(jù)位”、“校驗位”、“停止位”5個Combo BOX 下拉列表。然后通過按鍵Push Button 進行系統(tǒng)的開啟和關(guān)閉設(shè)計。Push Button的觸發(fā)采用的是Qt提供的信號與槽機制，所有從QObject類及其子類派生的類都可以使用該機制。信號與槽機制是Qt的核心機制，它為用戶提供了一種高級接口，該接口可用于各類應(yīng)用對象之間的通信。這里僅給出實現(xiàn)串口通信的幾個重要函數(shù)。

另外，網(wǎng)絡(luò)上傳的數(shù)據(jù)還需要通過數(shù)據(jù)庫進行存儲和查詢，至少保證能夠查詢7天內(nèi)的火災(zāi)監(jiān)控數(shù)據(jù)。Qt支持絕大多數(shù)的數(shù)據(jù)庫，包括Oracle、SQL Server、MySQL等。這些大中型的數(shù)據(jù)庫往往用于較大規(guī)模系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲，開發(fā)和維護都需要專人負責(zé)，因此成本較高。而針對本系統(tǒng)所做的火災(zāi)環(huán)境監(jiān)測，只需要一個靈活易用的小型數(shù)據(jù)庫即可。SQLite［8］是一個輕量級的開源關(guān)系數(shù)據(jù)庫，采用C語言編寫，整體代碼僅3萬行，能夠支持絕大多數(shù)的ANSI SQL92標準。相對于傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，它的實時性強，處理速度快，系統(tǒng)開銷小，底層的控制能力強。具體設(shè)計時，首先在工程文件Firesystem.pro中添加代碼：QT＋＝SQL。由于Qt默認安裝了SQLite和ODBC 的數(shù)據(jù)庫驅(qū)動，因此在使用時，只需添加相應(yīng)的驅(qū)動語句即可。其具體過程如下：

這里，使用QSqlDatabase類實現(xiàn)Qt與SQLite的連接，并驅(qū)動該數(shù)據(jù)庫。若驅(qū)動失敗，可以通過QMessage-Box彈出錯誤提示。驅(qū)動成功后，將數(shù)據(jù)存放于數(shù)據(jù)庫文件firedata.db中。此外，還需要使用QSqlQuery類，它為操縱和執(zhí)行SQL語句提供了一種方式，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)庫操作的所有功能。這樣，通過QSqlQuery類可以在QSql-Database實例上執(zhí)行SQL 語句，完成創(chuàng)建、查詢、修改數(shù)據(jù)庫等操作。

系統(tǒng)測試時，GUI顯示的實時監(jiān)控狀況如圖4所示。

圖4 控制管理中心GUI

結(jié) 語

系統(tǒng)根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)設(shè)計，采用ZigBee-WSN 完成數(shù)據(jù)采集與傳輸，保證了系統(tǒng)的實時性、可靠性及可移植性?？刂乒芾碇行腉UI采用Qt設(shè)計，可以實現(xiàn)對火災(zāi)監(jiān)控數(shù)據(jù)的實時顯示、存儲、查詢等，豐富并完善了火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)的功能。測試表明，系統(tǒng)能夠準確地完成對復(fù)雜火災(zāi)環(huán)境的感知，相對于傳統(tǒng)火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)，系統(tǒng)的魯棒性得到了較大的提升，虛警和漏警等狀況得到了有效改善。同時，系統(tǒng)GUI界面友好，操作簡單，可以很好地服務(wù)于火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)。

參考文獻

［1］劉云浩.物聯(lián)網(wǎng)導(dǎo)論［M］.北京：科學(xué)出版社，2011.

［2］許馳，李新春.基于ZigBee-WSN 的溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)［J］.單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2012，12（6）：36-39.

［3］Texas Instruments.CC253xUser's Guide［EB／OL］.（2009-04）［2012-11-7］.http：／／www.ti.com／.

［4］劉靜.基于人工嗅覺系統(tǒng)的智能火災(zāi)探測研究［D］.山西：太原理工大學(xué)，2007.

［5］紀鵬，吳成東，張云洲，等.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在建筑火難救援中的應(yīng)用［J］.計算機測量與控制，2007，15（12）：1785-1787.

［6］高守瑋，吳燦陽.ZigBee技術(shù)實踐教程［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2009.

［7］Jasmin Blanchette，Mark Summerfield.C＋＋GUI Programming with Qt4［M］.Prentice Hall，2008.

［8］張廣斌，宮金林，陳爽.SQLite嵌入式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)［J］.單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2008（6）：11-13.