鄧?yán)砦?，劉曉軍，扶宣伊，賈 南

(中國人民警察大學(xué)，河北 廊坊 065000)

建筑物內(nèi)部的火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)承擔(dān)火災(zāi)初期的探測(cè)工作，并為后續(xù)的火災(zāi)聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)提供信號(hào)支持。目前，建筑物內(nèi)設(shè)置的火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)大多采用有線連接，有線系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸比較穩(wěn)定，很少存在掉包漏數(shù)據(jù)的情況，但在一些特定場(chǎng)所，如古建筑、老舊居民小區(qū)或者未安裝火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)需后續(xù)加裝的場(chǎng)所等，有線系統(tǒng)就存在布線困難的問題。無線火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)利用無線傳感技術(shù)，不僅解決了布線困難、安裝不靈活等問題，而且還能與智能建筑設(shè)施結(jié)合，為消防救援和日常管理提供更多的有效信息。

1 無線火災(zāi)探測(cè)技術(shù)

近年來，國內(nèi)外出現(xiàn)了無線火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)，這種系統(tǒng)的出現(xiàn)得益于微電子技術(shù)和通信技術(shù)的快速發(fā)展，也彌補(bǔ)了有線制系統(tǒng)在特定場(chǎng)所布線困難的缺點(diǎn)。目前應(yīng)用較多的幾種無線通信技術(shù)有：RFID無線射頻技術(shù)，WiFi無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，Bluetooth藍(lán)牙技術(shù)，UWB超寬帶技術(shù)以及ZigBee無線通信技術(shù)。表1列出了這幾種技術(shù)的技術(shù)參數(shù)[1]。通過表中對(duì)比發(fā)現(xiàn)，ZigBee技術(shù)成本低、功耗小，其通信速率可以滿足一般的低速率數(shù)據(jù)傳輸需求，故本文采用ZigBee技術(shù)作為無線火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)的傳輸方式，并對(duì)其網(wǎng)絡(luò)的軟硬件進(jìn)行設(shè)計(jì)。

表1 技術(shù)參數(shù)

2 基于ZigBee的無線火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)

2.1 ZigBee網(wǎng)絡(luò)及協(xié)議

ZigBee的組網(wǎng)系統(tǒng)一般包括協(xié)調(diào)器、路由器、終端三種設(shè)備。其中協(xié)調(diào)器是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的核心，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的初始化和對(duì)其他設(shè)備進(jìn)行分址，所有的數(shù)據(jù)都匯集于此，通過協(xié)調(diào)器再傳輸?shù)絇C端[2]。一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)一般只有一個(gè)協(xié)調(diào)器，所以這個(gè)協(xié)調(diào)器必須是全功能設(shè)備，且對(duì)它的日常維護(hù)也非常重要。路由器相當(dāng)于傳輸過程中的中繼站，終端如果離協(xié)調(diào)器太遠(yuǎn)，超過了額定傳輸距離，就可在網(wǎng)絡(luò)中加入路由器，數(shù)據(jù)從終端流出通過路由器傳送給協(xié)調(diào)器。ZigBee的組網(wǎng)方式一般有星型、簇型、網(wǎng)狀三種，如圖1所示。星型組網(wǎng)是最簡(jiǎn)單的組網(wǎng)方式，終端設(shè)備直接將數(shù)據(jù)信息傳給協(xié)調(diào)器，且終端設(shè)備間的信息傳遞也需要通過協(xié)調(diào)器進(jìn)行中轉(zhuǎn)，所以這種組網(wǎng)方式需要限制終端的數(shù)量，從而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的通信距離縮短。簇型組網(wǎng)又稱樹狀組網(wǎng)，幾個(gè)終端設(shè)備可將信息匯集到路由節(jié)點(diǎn)，再由路由節(jié)點(diǎn)傳輸至協(xié)調(diào)器，這種組網(wǎng)方式可降低節(jié)點(diǎn)能耗，延長網(wǎng)絡(luò)壽命，不過一旦路由節(jié)點(diǎn)損壞，就會(huì)造成相應(yīng)區(qū)域的數(shù)據(jù)癱瘓。網(wǎng)狀組網(wǎng)是節(jié)點(diǎn)之間完全點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸，終端節(jié)點(diǎn)會(huì)自動(dòng)搜尋周邊加入到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)最短路徑的節(jié)點(diǎn)，但這種組網(wǎng)方式能耗大，并且網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的信標(biāo)不統(tǒng)一[3]。

圖1 ZigBee組網(wǎng)方式

ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)議采用分層結(jié)構(gòu)，每一層都有各自的任務(wù)。其中PHY(物理層)負(fù)責(zé)射頻信號(hào)的接收與發(fā)射，信號(hào)頻率的選擇，根據(jù)IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，ZigBee信號(hào)可在868～868.6 MHz、902～928 MHz、2 400～2 483.5 MHz三種頻道上工作；MAC(網(wǎng)絡(luò)層)作用是網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)的分配和接收，確保設(shè)備的同步時(shí)隙，為兩個(gè)設(shè)備間的連接提供可靠的保證；NWK層是為節(jié)點(diǎn)的加入和離開分配路由；APL層負(fù)責(zé)維持綁定路由表和轉(zhuǎn)發(fā)兩個(gè)綁定設(shè)備間的信息，對(duì)設(shè)備進(jìn)行定義，以及負(fù)責(zé)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)[4]。

2.2 基于ZigBee的無線火災(zāi)報(bào)警硬件設(shè)計(jì)

無線火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)由主機(jī)、協(xié)調(diào)器、路由器和終端四部分組成。為充分體現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)的工作方式，本次試驗(yàn)組網(wǎng)方式采用網(wǎng)狀組網(wǎng)，其中終端為探測(cè)節(jié)點(diǎn)，可對(duì)溫度、煙霧濃度和CO濃度信號(hào)進(jìn)行采集，路由節(jié)點(diǎn)接受采集信息并將數(shù)據(jù)傳輸至網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，最后網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)通過串口上傳至主機(jī)，系統(tǒng)組成如圖2所示。探測(cè)用的溫度傳感器為DS18B20數(shù)字式溫度傳感器，它采用導(dǎo)熱性較高的密封膠灌封，具有高靈敏性，且溫度延遲小；MQ-2氣體傳感器利用電導(dǎo)率隨煙霧濃度的增大而增加，通過電壓的變化作為輸出信號(hào)，可檢測(cè)可燃?xì)怏w和水蒸氣，火災(zāi)產(chǎn)生的煙霧為多種可燃?xì)怏w和水蒸氣的混合物，所以可將它作為煙霧探測(cè)器；MQ-7氣體傳感器采用在空氣中電導(dǎo)率低的二氧化錫(SnO2)作為氣敏材料，利用高低溫循環(huán)檢測(cè)方式檢測(cè)CO，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中CO氣體濃度的增加而增大，從而轉(zhuǎn)化為電壓的變化作為輸出信號(hào)，MQ-7傳感器成本低，使用范圍廣，安裝方便，作為本系統(tǒng)CO探測(cè)器較合適。射頻芯片采用TI公司生產(chǎn)的CC2530，這款芯片結(jié)合了RF收發(fā)器的優(yōu)良性能，具備良好的射頻功能，CPU采用增強(qiáng)型的8051CPU，可在芯片內(nèi)編寫程序，在單片機(jī)內(nèi)實(shí)現(xiàn)功能[5]。同時(shí)，CC2530具有多種運(yùn)行模式，使得它尤其適應(yīng)超低功耗要求的系統(tǒng)。最重要的是，CC2530結(jié)合了德州儀器的黃金單元ZigBee協(xié)議棧(Z-Stack)，適用于ZigBee無線傳輸系統(tǒng)的開發(fā)。

圖2 無線火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)組成圖

2.2.1 傳感器模塊的硬件設(shè)計(jì)

DS18B20是常用的數(shù)字溫度傳感器，測(cè)溫范圍-55～+125 ℃，工作電源是DC3.0～5.5 V，直接輸出數(shù)字信號(hào)。其獨(dú)特的單線接口方式，使其與單片機(jī)等微處理器連接時(shí)僅需要一條口線即可實(shí)現(xiàn)雙線通信；并且它的體積小，可將其封裝后應(yīng)用于多種場(chǎng)合。每片DS18B20都有唯一的一個(gè)可讀出的序列號(hào)，同時(shí)DS18B20還采用了寄生電源技術(shù)，可以不用外接電源，特別適合于多點(diǎn)測(cè)溫系統(tǒng)。由于DS18B20的數(shù)據(jù)線要求空閑狀態(tài)為高電平，所以可以在DS18B20的數(shù)據(jù)線與電源線VCC之間加一個(gè)4.7 K的上拉電阻。此次設(shè)計(jì)使用的是給DS18B20外接電源的方式，如圖3所示。

圖3 CC2530與DS18B20連接

MQ-2煙霧傳感器與CC2530的連接電路如圖4所示。圖中R是限流電阻，用來限制報(bào)警電流，防止報(bào)警電流過大損壞探測(cè)器。但是也不能太小，否則報(bào)警不明顯或失效，這里限流電阻取3 K。此時(shí)報(bào)警電流為6 mA，報(bào)警后探測(cè)器兩端電壓為6.5 V。MQ-7CO傳感器與MQ-2類似，連接方式如圖5。

圖4 CC2530與MQ-2的連接

圖5 CC2530與MQ-7的連接

2.2.2 路由節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)

ZigBee是一個(gè)多跳網(wǎng)絡(luò)，需要路由對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行中繼[6]。路由節(jié)點(diǎn)的主要功能是信息的中繼與傳輸，所以節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)同終端節(jié)點(diǎn)類似。在本系統(tǒng)中，路由節(jié)點(diǎn)的主要工作是將三種火災(zāi)探測(cè)參量傳送至協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)，并為每一組數(shù)據(jù)找尋一條最佳路徑。這條最佳路徑的選擇可通過計(jì)算不同路徑的開銷來實(shí)現(xiàn)，有最低路徑開銷的路由成功發(fā)送數(shù)據(jù)包的幾率最大。通過路由節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)，可以大大提高通信速度，減輕網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的通信負(fù)荷，節(jié)約網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)資源，提高網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的暢通率，從而讓網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)發(fā)揮更大效益。路由節(jié)點(diǎn)構(gòu)成如圖6所示。

圖6 路由節(jié)點(diǎn)基本構(gòu)成

2.2.3 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)

在實(shí)際應(yīng)用中，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)要完成網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)、數(shù)據(jù)的上傳、命令的下達(dá)、系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)和管理等功能，所以需要長時(shí)間不間斷運(yùn)行，功耗較大，因而網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)最好工作在有外接電源或容量較大的電池供電的條件下，這樣才能保證系統(tǒng)長時(shí)間連續(xù)工作。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)如圖7所示。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)主要構(gòu)成：微處理器+無線模塊+USB接口+JTAG接口+以太網(wǎng)+存儲(chǔ)設(shè)備。

圖7 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)圖

微處理器采用MSP430，功耗低、性能穩(wěn)定，可對(duì)采集的火災(zāi)信息進(jìn)行處理；無線模塊采用CC2530，通過SPI接口與單片機(jī)相連，可完成設(shè)置和收發(fā)數(shù)據(jù)的功能，使用RESETn引腳可將芯片復(fù)位，VREG_EN引腳調(diào)整CC2530的電壓，產(chǎn)生所需的1.8 V電壓，在芯片內(nèi)部配有PCB天線完成通信；節(jié)點(diǎn)采用CH340G轉(zhuǎn)換芯片，將IO口轉(zhuǎn)換為USB口與電腦相連，數(shù)據(jù)經(jīng)過無線模塊的接收，通過串口將數(shù)據(jù)上傳至串口調(diào)試助手，Labview上位機(jī)再調(diào)用串口數(shù)據(jù)，可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理；SDRAM和FLASH分別為內(nèi)部存儲(chǔ)和外部存儲(chǔ)設(shè)備，負(fù)責(zé)存儲(chǔ)采集的火災(zāi)信息和設(shè)定的程序；JTAG調(diào)試接口用于對(duì)芯片程序進(jìn)行燒寫，以太網(wǎng)接口用于與網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。在網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)設(shè)置了總報(bào)警燈，當(dāng)任一報(bào)警參數(shù)超過設(shè)計(jì)閾值時(shí)，總報(bào)警燈D6常亮。

2.3 基于ZigBee的無線報(bào)警軟件設(shè)計(jì)

基于ZigBee的無線火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)在軟件上實(shí)現(xiàn)的功能包括網(wǎng)絡(luò)的組建、火災(zāi)參量的采集與判斷、主機(jī)監(jiān)控界面的設(shè)計(jì)。軟件的設(shè)計(jì)使用C語言在IAR平臺(tái)下實(shí)現(xiàn)。其中網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)建立網(wǎng)絡(luò)，分配網(wǎng)絡(luò)的PANID，同時(shí)還要兼具數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，向其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送命令，并接收路由或終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)信息。最后通過串口接收PC的命令，并將信息傳輸至PC。路由節(jié)點(diǎn)開機(jī)后會(huì)自動(dòng)掃描網(wǎng)絡(luò)，然后加入網(wǎng)絡(luò)，在接收到其他節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)后，會(huì)首先判斷其發(fā)送的目的地址，如這個(gè)地址不是本身地址，則將此信息轉(zhuǎn)發(fā)至目的地址。終端節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集與傳輸，在接收到協(xié)調(diào)器發(fā)送的命令后，將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送至其他節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)的組建直接通過現(xiàn)有的Z-Stack協(xié)議實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)采集與判斷需要對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行編號(hào)，然后通過C語言和IAR平臺(tái)對(duì)單片機(jī)進(jìn)行程序燒寫。上位機(jī)采用Labview進(jìn)行設(shè)計(jì)，消防控制室的主機(jī)可直接調(diào)用Labview程序，在程序中進(jìn)行設(shè)定，當(dāng)只有發(fā)生報(bào)警時(shí)，才把報(bào)警信號(hào)傳輸至火災(zāi)監(jiān)控主機(jī)，不僅能實(shí)時(shí)監(jiān)控溫度、煙霧濃度、CO濃度的值，還能對(duì)報(bào)警結(jié)果和歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢。

2.3.1 終端軟件設(shè)計(jì)

終端節(jié)點(diǎn)在加入網(wǎng)絡(luò)前，必須要對(duì)協(xié)議棧、時(shí)鐘、硬件等進(jìn)行初始化，然后節(jié)點(diǎn)會(huì)自動(dòng)搜索周圍的信道，當(dāng)找到可利用的信道時(shí)，會(huì)立即向協(xié)調(diào)器發(fā)送一個(gè)入網(wǎng)請(qǐng)求，若收到協(xié)調(diào)器分配的地址和入網(wǎng)響應(yīng)幀，則表明入網(wǎng)成功。這時(shí)，終端節(jié)點(diǎn)會(huì)周期性的對(duì)周圍環(huán)境的火災(zāi)特征參數(shù)進(jìn)行采集，此時(shí)使用CSMA-CA方式發(fā)送數(shù)據(jù)給協(xié)調(diào)器，即當(dāng)設(shè)備想要發(fā)送信息時(shí)，必須要先執(zhí)行一條空閑信道評(píng)估指令來確保該信道沒有被其他設(shè)備占用，然后才發(fā)送信號(hào)。終端主程序軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖8所示。

圖8 終端節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)流程圖

2.3.2 協(xié)調(diào)器軟件設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器首先要進(jìn)行初始化工作，即對(duì)整個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議棧和設(shè)備進(jìn)行初始化，然后才能進(jìn)行組網(wǎng)；此時(shí)協(xié)調(diào)器會(huì)為網(wǎng)絡(luò)選擇一個(gè)唯一的PAN標(biāo)識(shí)符，當(dāng)協(xié)調(diào)器收到其他設(shè)備的入網(wǎng)請(qǐng)求時(shí)，協(xié)調(diào)器會(huì)為設(shè)備分配一個(gè)16位的短地址，網(wǎng)絡(luò)的PAN標(biāo)識(shí)符使得網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備可以使用這個(gè)地址與其他設(shè)備通信，而后協(xié)調(diào)器會(huì)發(fā)送一個(gè)入網(wǎng)響應(yīng)幀給設(shè)備，當(dāng)設(shè)備接收到這個(gè)響應(yīng)幀時(shí)，表明此設(shè)備入網(wǎng)成功，協(xié)調(diào)器此時(shí)可接收設(shè)備發(fā)送的數(shù)據(jù)信息[7]。若需要后續(xù)在此網(wǎng)絡(luò)中添加節(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)器會(huì)周期性地監(jiān)測(cè)周圍環(huán)境中是否有終端或路由器發(fā)送的入網(wǎng)請(qǐng)求，這也進(jìn)一步體現(xiàn)了ZigBee網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)靈活性。協(xié)調(diào)器主程序軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖9所示。

圖9 協(xié)調(diào)器軟件設(shè)計(jì)流程圖

2.3.3 上位機(jī)設(shè)計(jì)與測(cè)試

上位機(jī)采用Labview進(jìn)行設(shè)計(jì)，界面實(shí)時(shí)顯示溫度、煙霧濃度、CO濃度值，可對(duì)報(bào)警結(jié)果和歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢。通過設(shè)置報(bào)警閾值，當(dāng)采集的參數(shù)值超過設(shè)定值時(shí)，實(shí)時(shí)報(bào)警并顯示報(bào)警結(jié)果，在界面最下方設(shè)計(jì)了總報(bào)警顯示，當(dāng)三種火災(zāi)探測(cè)參數(shù)有一種超過報(bào)警閾值時(shí)，總報(bào)警燈亮起。測(cè)試前，要對(duì)系統(tǒng)的硬件和軟件進(jìn)行調(diào)試，硬件保證連線的正確與可靠，并利用串口調(diào)試助手觀察數(shù)據(jù)能否上傳；對(duì)各設(shè)備的軟件程序進(jìn)行下載，包括終端節(jié)點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn)的采集與傳輸，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的地址分配和類型設(shè)置；對(duì)電腦監(jiān)控界面進(jìn)行設(shè)置，包括串口通信波特率的設(shè)置等。本實(shí)驗(yàn)串口設(shè)置為12 800 bps，通過查看電腦資源配置屬性，可得到串口號(hào)，串口資源為COM5，數(shù)據(jù)比特率8，輸出數(shù)據(jù)為十六進(jìn)制顯示，無校驗(yàn)位。界面如圖10所示，參考一般火災(zāi)探測(cè)器閾值的經(jīng)驗(yàn)值，考慮現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境因素，將溫度報(bào)警閾值設(shè)定為50 ℃，煙霧報(bào)警閾值和CO報(bào)警閾值分別為50%和50%。為驗(yàn)證報(bào)警效果，采用打火機(jī)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，將打火機(jī)火靠近探測(cè)節(jié)點(diǎn)，系統(tǒng)采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)如圖10所示。此時(shí)環(huán)境實(shí)時(shí)溫度為27 ℃，未達(dá)到報(bào)警溫度上線，溫度報(bào)警燈不亮；實(shí)時(shí)煙霧顯示值為40%，煙霧報(bào)警燈不亮；實(shí)時(shí)CO顯示值為71%，

圖10 上位機(jī)顯示界面

超過報(bào)警閾值，CO報(bào)警燈亮起，并且此時(shí)總報(bào)警燈亮起。

此次試驗(yàn)證明本系統(tǒng)能對(duì)環(huán)境溫度、煙濃度、CO濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并通過無線傳輸?shù)姆绞綄?shù)據(jù)傳至電腦，報(bào)警閾值設(shè)定有效，報(bào)警邏輯正確無誤。

3 結(jié)論

本文針對(duì)傳統(tǒng)有線火災(zāi)探測(cè)方式的局限性，提出火災(zāi)信號(hào)無線傳輸?shù)奶綔y(cè)方法，對(duì)目前比較熱門的無線傳輸方式進(jìn)行了對(duì)比，選擇了成本低、耗電量小的ZigBee作為無線傳輸方式。并對(duì)基于ZigBee的無線火災(zāi)探測(cè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行軟硬件設(shè)計(jì)，采用CC2530單片機(jī)+不同傳感器完成實(shí)物模型搭建，能在上位機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度、煙濃度、CO濃度的探測(cè)報(bào)警。在試驗(yàn)過程中，也發(fā)現(xiàn)了一些問題：(1)ZigBee無線傳輸方式傳輸距離短，本試驗(yàn)設(shè)備條件下最多只能達(dá)到6 m；穿透性弱，易受到墻等阻隔物的影響，無法滿足大空間、障礙物較多場(chǎng)所的探測(cè)。(2)采用的MQ系列傳感器易受到環(huán)境因素干擾，探測(cè)效果一般。(3)報(bào)警算法采用閾值法報(bào)警，在進(jìn)行打火機(jī)火試驗(yàn)時(shí)，不能將打火機(jī)火判定為干擾火源，發(fā)生誤報(bào)警。如果將三種參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，采用智能算法進(jìn)行處理，得到的報(bào)警結(jié)果應(yīng)該會(huì)更準(zhǔn)確。