譚涵

【摘要】在本論文中，設(shè)計(jì)了一種低功耗、多參數(shù)的復(fù)合火災(zāi)探測(cè)節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)可以檢測(cè)溫度、煙霧濃度和CO氣體濃度，并結(jié)合無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN），建立了一套實(shí)時(shí)無(wú)線火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)應(yīng)用于以古建筑為代表的特殊情況下的火災(zāi)檢測(cè)。其中，系統(tǒng)的硬件和軟件實(shí)現(xiàn)基于2.4GHz無(wú)線通信芯片CC2430。系統(tǒng)中采用ZigBee協(xié)議，形成可靠的無(wú)線通信。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，傳感器節(jié)點(diǎn)之間能夠自動(dòng)連接并形成網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)在無(wú)線火災(zāi)探測(cè)中能夠有效、穩(wěn)定地工作。

【關(guān)鍵詞】ZigBee;無(wú)線網(wǎng)絡(luò);火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)? ? ? ? ? ?【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021.34.034

1、引言

是否發(fā)生火災(zāi)通過(guò)機(jī)器去判別，就要了解火災(zāi)發(fā)生的特點(diǎn)[1]。傳統(tǒng)的火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)需要在區(qū)域內(nèi)布置線路，安裝過(guò)程繁瑣，且對(duì)環(huán)境造成破壞。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)伴隨新興技術(shù)發(fā)展而發(fā)展起來(lái)的重要項(xiàng)目的優(yōu)勢(shì)越來(lái)越明顯。因此，將火災(zāi)探測(cè)技術(shù)與無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，逐漸成為探測(cè)火災(zāi)發(fā)生的重要研究點(diǎn)。

ZigBee技術(shù)是一項(xiàng)無(wú)線通信技術(shù)，其主要的一些優(yōu)點(diǎn)有損耗低而且適合短距離強(qiáng)信號(hào)傳輸?shù)脑O(shè)備，主要用于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)，自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制區(qū)域。它通常被認(rèn)為是一種最佳的無(wú)線方式通信協(xié)議，因?yàn)樗耆珴M足要求并具有較高的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用性能可靠性、自組織網(wǎng)絡(luò)、自修復(fù)能力大型網(wǎng)絡(luò)卷[2]。

2、消防監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，一般都會(huì)采用一些成本較低的傳感設(shè)備用于信息檢測(cè)和傳輸，用于檢測(cè)區(qū)域內(nèi)的火災(zāi)參數(shù)。組成ZigBee網(wǎng)絡(luò)需要三種節(jié)點(diǎn)：檢測(cè)節(jié)點(diǎn)、路由器和協(xié)調(diào)器。將傳感器節(jié)點(diǎn)配置為ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的檢測(cè)節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)CO氣體濃度、煙霧濃度、溫度等火災(zāi)參數(shù)信號(hào)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集。協(xié)調(diào)員負(fù)責(zé)PAN（個(gè)人局域網(wǎng)）的形成，并從所有檢測(cè)節(jié)點(diǎn)收集數(shù)據(jù)。路由器主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和發(fā)送、發(fā)現(xiàn)與連接設(shè)備、路由表的維護(hù)、數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)和網(wǎng)絡(luò)鏈路的維護(hù)，再通過(guò)rs485傳輸協(xié)議進(jìn)行通信。該系統(tǒng)采用ZigBee雜波樹(shù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，采用CSMA/CA原理，傳輸模塊具有更好的信息隱藏、抗干擾、自愈和覆蓋范圍大等優(yōu)點(diǎn)。在計(jì)算機(jī)中運(yùn)行專門(mén)的火災(zāi)監(jiān)控后臺(tái)軟件，接收協(xié)調(diào)器上傳的信息進(jìn)行處理和顯示，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控區(qū)域的快速狀態(tài)反映。

檢測(cè)節(jié)點(diǎn)不僅可以通過(guò)多跳路由自動(dòng)配置網(wǎng)絡(luò)，還可以感知溫度、濕度和煙霧濃度。基站負(fù)責(zé)收集各檢測(cè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳遞給計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理和顯示。

3、硬件設(shè)計(jì)

3.1 火災(zāi)探測(cè)節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)

ZigBee的無(wú)線檢測(cè)主要的數(shù)據(jù)接收是CO的數(shù)據(jù)，另外還包括溫度和煙霧濃度等。數(shù)據(jù)處理單元控制節(jié)點(diǎn)對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。數(shù)據(jù)傳輸單元完成與路由器和協(xié)調(diào)器的交互。電源單元負(fù)責(zé)節(jié)點(diǎn)的能源[5]。

3.2 無(wú)線收發(fā)和處理模塊

本系統(tǒng)采用CC2430作為無(wú)線收發(fā)和處理模塊的核心，CC2430是本文所選取的實(shí)現(xiàn)火災(zāi)報(bào)警的單片機(jī)設(shè)備。CC2430收發(fā)器的核心是一個(gè)高效能的8051控制器，有128 kb的 Flash，定時(shí)器為看門(mén)狗，其中的輸入輸出口有22個(gè)[3]。外圍電路包括晶體振蕩器時(shí)鐘電路、射頻輸入輸出匹配電路和微控制器接口電路。模塊采用高增益垂直天線，采用2.4G SMA專用接口。

由于芯片的功能非常強(qiáng)大，它只需要很少的外部組件就可以工作，大大簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)?？紤]到其集成度高、功耗低的特點(diǎn)，因此我們就選擇CC2430為信息處理部件。這樣既可以在很大程度上減少硬件投資，又能滿足工程的要求。

3.3 火災(zāi)參數(shù)檢測(cè)模塊

火災(zāi)剛起時(shí)，明火不大但能產(chǎn)生更多的CO氣體，而且溫度會(huì)升高?；谶@些參數(shù)，我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)火災(zāi)檢測(cè)模塊，包括煙霧檢測(cè)單元、一氧化碳?xì)怏w檢測(cè)單元和溫度檢測(cè)單元三部分。這三個(gè)部分共同實(shí)現(xiàn)了煙霧濃度、CO氣體濃度和溫度的檢測(cè)。

本文的光帶你探測(cè)電路，主要工作原理是煙顆粒會(huì)發(fā)出紅外光，紅外光會(huì)使二極管產(chǎn)生電信號(hào)。發(fā)射機(jī)晶體管的基極連接到CC2430的I/O管腳，輸出一個(gè)脈沖控制紅外發(fā)射二極管的開(kāi)/關(guān)，產(chǎn)生的信號(hào)通過(guò)前置放大電路和后置放大電路進(jìn)行調(diào)節(jié)放大。最后將信號(hào)發(fā)送到CC2430中的AD轉(zhuǎn)換器，脈沖引腳低電平關(guān)閉采用紅外發(fā)光二極管，以節(jié)省電源。

（1）系統(tǒng)采用低功耗數(shù)字溫度傳感器TMP102進(jìn)行實(shí)時(shí)溫度檢測(cè)。TMP102是一種工業(yè)上所采用的比較靈敏的溫度傳感設(shè)備，可在一個(gè)微小的SOT563封裝，其能采集到的溫度值的精度達(dá)0.0625°C[4]。由于其具有低功耗和數(shù)字化的優(yōu)點(diǎn)，TMP102是火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)中理想的溫度測(cè)量工具。TMP102通過(guò)IIC總線與CC2430的I/O管腳相連。

（2）本系統(tǒng)采用選擇的采集一氧化碳有毒氣體的檢測(cè)設(shè)備為RAE_4CO-500。其檢測(cè)范圍可以達(dá)到0-500ppm，分辨率為1ppm，線性度非常好。4CO-500傳感器檢測(cè)CO氣體并輸出微弱電流信號(hào)，實(shí)現(xiàn)氣體濃度轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)，電流信號(hào)由電流電壓轉(zhuǎn)化模塊轉(zhuǎn)成電壓信號(hào)，最后再通過(guò)電子元器件將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)。經(jīng)相關(guān)數(shù)據(jù)處理后，信號(hào)由射頻模塊發(fā)出。

4、軟件設(shè)計(jì)

4.1 軟體開(kāi)發(fā)平臺(tái)

在系統(tǒng)通信程序設(shè)計(jì)中，經(jīng)常使用IAR的嵌入式工作臺(tái)，它是目前世界上最完整、最簡(jiǎn)單的嵌入式應(yīng)用專業(yè)開(kāi)發(fā)工具。

4.2? ZigBee技術(shù)

與Wi-Fi和藍(lán)牙技術(shù)類似，ZigBee也可以在ISM無(wú)線頻段運(yùn)行，數(shù)據(jù)傳輸速率250kbps，ZigBee （IEEE 802.15.4）技術(shù)為低速率無(wú)線PAN指定了物理和介質(zhì)訪問(wèn)控制層，傳輸速率高達(dá)10米，16個(gè)通道定義在2.4 GHz頻段，但更窄的2 MHz頻段，也不重疊，因此，多達(dá)16個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)可以在同一區(qū)域同時(shí)共存。最新的ZigBee版本支持ZigBee Pro標(biāo)準(zhǔn)中的頻率跳頻，這允許ZigBee PAN在前一個(gè)頻道發(fā)生重載時(shí)從一個(gè)頻道移動(dòng)到另一個(gè)頻道。該通信模型要求它將工作分配到多個(gè)不同的設(shè)備中，這些設(shè)備駐留在單獨(dú)的ZigBee節(jié)點(diǎn)中，這些節(jié)點(diǎn)又形成了一個(gè)網(wǎng)絡(luò)。ZigBee是一種低功耗、低成本的無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，為用戶提供網(wǎng)絡(luò)、安全和應(yīng)用支持服務(wù)另外其還具有高容量的特性。ZigBee網(wǎng)絡(luò)可以構(gòu)造成不同的類型，一個(gè)主節(jié)點(diǎn)可以管理254個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)還可以擴(kuò)展到更大的網(wǎng)絡(luò)。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)理論上可以有65535個(gè)節(jié)點(diǎn)。

4.3 軟件流程

ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的檢測(cè)節(jié)點(diǎn)部署在檢測(cè)區(qū)域，采集和傳輸信息，協(xié)同完成分配的任務(wù)。在每個(gè)節(jié)點(diǎn)上運(yùn)行的程序可以完全相同，但I(xiàn)D是唯一的。為了達(dá)到低損耗，主要采用的是傳感器定時(shí)喚醒機(jī)制，降低信息碰撞的概率，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的壽命。協(xié)調(diào)器建立標(biāo)識(shí)符，而且將短地址設(shè)置為零，主要實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)與路由器的連接。當(dāng)節(jié)點(diǎn)接收到信號(hào)后。

我們采用微軟的軟件設(shè)計(jì)平臺(tái)，選取VC++語(yǔ)言為編程語(yǔ)言，該軟件通過(guò)串口與協(xié)調(diào)器連接來(lái)獲取數(shù)據(jù)。通過(guò)處理和分析，顯示溫度、煙霧濃度、CO濃度信息，便于實(shí)驗(yàn)觀察。利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法確定火災(zāi)的發(fā)生，進(jìn)一步降低了誤報(bào)的可能性。當(dāng)火災(zāi)被證實(shí)時(shí)，就發(fā)出警報(bào)。

5、實(shí)驗(yàn)與統(tǒng)計(jì)分析

通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了我們所采用的硬件以及ZigBee協(xié)議的有效性。結(jié)果表明，檢測(cè)節(jié)點(diǎn)能在有效通信距離內(nèi)自動(dòng)形成網(wǎng)絡(luò)，單個(gè)節(jié)點(diǎn)故障不影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸。

我們采用國(guó)標(biāo)GB 4715 - 2005對(duì)點(diǎn)型起火點(diǎn)火災(zāi)探測(cè)設(shè)備選取6檢測(cè)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)1到節(jié)點(diǎn)6，分別安排在三米循環(huán)標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)實(shí)驗(yàn)室和標(biāo)準(zhǔn)的棉繩火是用于測(cè)試。此外，我們還安裝了標(biāo)準(zhǔn)的光學(xué)煙霧密度計(jì)來(lái)檢測(cè)煙霧數(shù)據(jù)，以供參考。變化趨勢(shì)相似，但節(jié)點(diǎn)1、3對(duì)煙度的響應(yīng)時(shí)間小于有線光密度計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的檢測(cè)節(jié)點(diǎn)具有較高的靈敏度。

結(jié)果表明，由于火災(zāi)開(kāi)始時(shí)存在陰燃階段，溫度變化較慢。由于節(jié)點(diǎn)與火源的距離不同，節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到的溫度也不同，但上升趨勢(shì)是一致的。

實(shí)驗(yàn)中使用多個(gè)檢測(cè)器同時(shí)檢測(cè)給定濃度的CO標(biāo)準(zhǔn)氣體，并根據(jù)采集的數(shù)據(jù)對(duì)每個(gè)檢測(cè)器進(jìn)行重復(fù)分析和校準(zhǔn)。并安排各檢測(cè)器檢測(cè)不同濃度的標(biāo)準(zhǔn)CO氣體，通過(guò)檢測(cè)數(shù)據(jù)分析其線性關(guān)系。CO的標(biāo)準(zhǔn)濃度分別為99ppm、203ppm、303ppm、50.3ppm、397ppm、502ppm。該檢測(cè)器響應(yīng)時(shí)間極短，可檢測(cè)相應(yīng)濃度的標(biāo)準(zhǔn)值。當(dāng)濃度不變時(shí)，數(shù)據(jù)保持穩(wěn)定。該檢測(cè)器線性度好，靈敏度可達(dá)1ppm。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該探測(cè)器線性度好，靈敏度高。因此，該探測(cè)器能在火災(zāi)早期靈敏地檢測(cè)出CO氣體濃度的變化。

結(jié)論：

基于ZigBee構(gòu)建的無(wú)線火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)克服了有線報(bào)警系統(tǒng)的局限性，避免了其他無(wú)線通信技術(shù)的高功耗。與現(xiàn)有的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)相比，具有成本低、網(wǎng)絡(luò)容量大、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。該系統(tǒng)采用多探測(cè)節(jié)點(diǎn)協(xié)同工作，多參數(shù)精確識(shí)別火情。采用CO濃度作為火災(zāi)參數(shù)，既可以快速檢測(cè)火災(zāi)，又可以補(bǔ)償酒精火災(zāi)等無(wú)煙火災(zāi)的檢測(cè)。系統(tǒng)選用了低功耗芯片，設(shè)計(jì)了低功耗硬件電路。在不適合布置有線火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的特殊場(chǎng)所的消防安全和監(jiān)控方面，這種系統(tǒng)有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，具有廣闊的應(yīng)用前景和重大意義。

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