基于ZigBee的校園火災(zāi)防范系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

摘 ?要：文章基于ZigBee通信技術(shù)設(shè)計了一種無線校園火災(zāi)防范系統(tǒng)，可用于監(jiān)測校園火災(zāi)。該系統(tǒng)通過ZigBee終端節(jié)點(diǎn)使用溫度、煙霧和氣體三種傳感器來采集校園內(nèi)需監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的三項(xiàng)實(shí)時數(shù)據(jù)，采集到的數(shù)據(jù)通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)經(jīng)路由器傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器，再由協(xié)調(diào)器經(jīng)串口連接上位機(jī)，通過上位機(jī)軟件可以實(shí)時查詢到ZigBee終端節(jié)點(diǎn)采集到的各項(xiàng)數(shù)據(jù)。當(dāng)三個數(shù)據(jù)中同時有兩項(xiàng)或以上超過系統(tǒng)設(shè)置的閾值后，系統(tǒng)顯示報警并提示告警位置，該系統(tǒng)可有效防止校園火災(zāi)。

關(guān)鍵詞：ZigBee;傳感器;火災(zāi)報警;無線傳輸

中圖分類號：TP277 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? 文章編號：2096-4706（2021）12-0168-05

Abstract： This paper designs a wireless campus fire prevention system based on ZigBee communication technology， which can be used to monitor campus fire. The system uses temperature sensor， smoke sensor and gas sensor to collect three real-time data that need to monitor nodes in the campus through the ZigBee terminal node. The collected data is transmitted to the coordinator passing through router by ZigBee network， and then is connected to the upper computer passing through the serial port by the coordinator. The data collected by ZigBee terminal nodes can be queried in real time through the upper computer software. When two or more of three data items exceed the threshold set by the system at the same time， the system displays the alarm and prompts the alarm position. The system can effectively prevent campus fire.

Keywords： ZigBee; sensor; fire alarm; wireless transmission

0 ?引 ?言

火災(zāi)是日常生活中最常見、最突出、危害最大的災(zāi)難之一。就學(xué)校校園而言，機(jī)房實(shí)驗(yàn)室、宿舍樓、檔案館、圖書館、辦公室都存在一定的火災(zāi)隱患。一旦火災(zāi)發(fā)生，后果不堪設(shè)想，對于學(xué)校的財產(chǎn)安全和校園內(nèi)師生的人身安全都將產(chǎn)生嚴(yán)重的威脅。本文提出的基于ZigBee的校園火災(zāi)防范系統(tǒng)結(jié)合了傳統(tǒng)的火災(zāi)報警系統(tǒng)和ZigBee無線通信技術(shù)，建立了一種可以有效預(yù)防校園火災(zāi)的無線火災(zāi)防范系統(tǒng)。系統(tǒng)內(nèi)的各終端節(jié)點(diǎn)包含的傳感器可采集溫度、煙霧和氣體等環(huán)境參數(shù)，這些參數(shù)值從物理信號轉(zhuǎn)換為電信號通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器再通過RS232接口連接上位機(jī)，在上位機(jī)上可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)查詢，終端節(jié)點(diǎn)狀態(tài)查詢，火災(zāi)報警閾值設(shè)置等功能。實(shí)現(xiàn)各個監(jiān)測點(diǎn)的溫度、一氧化碳值和煙霧數(shù)據(jù)的實(shí)時可查。協(xié)調(diào)器和上位機(jī)可設(shè)置報警閾值，與實(shí)時數(shù)據(jù)做對比，若同時有兩項(xiàng)以上參數(shù)超過設(shè)置的閾值，則立即通過燈光蜂鳴等措施提示警情[1]。

1 ?ZigBee技術(shù)

ZigBee是一種無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，主要特點(diǎn)有短距離、低功耗、低成本、支持節(jié)點(diǎn)數(shù)量大、支持多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等，ZigBee移動自組織網(wǎng)絡(luò)也具有易于快速部署的優(yōu)點(diǎn)，常用于各種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中[2]。表1列出了ZigBee網(wǎng)絡(luò)的一些技術(shù)規(guī)范。與其他無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相比，ZigBee技術(shù)更適合于用來建立校園火災(zāi)防范系統(tǒng)。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)只提供了FFD（全功能）和RFD（精簡功能）兩種設(shè)備。分為三種設(shè)備類型，分別是協(xié)調(diào)器、路由器和終端。其中，ZigBee協(xié)調(diào)器是整個網(wǎng)絡(luò)的核心部分，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)網(wǎng)絡(luò)的初始化和為其他設(shè)備分配網(wǎng)絡(luò)地址[3]。采用全功能設(shè)備，一般來說，ZigBee網(wǎng)絡(luò)只有一個協(xié)調(diào)器，可有多個終端設(shè)備。終端設(shè)備主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送，一般采用精簡功能設(shè)備。如果終端離協(xié)調(diào)器距離過遠(yuǎn)，則可以利用路由器將終端收集的數(shù)據(jù)傳送到協(xié)調(diào)器。路由器也是全功能設(shè)備。ZigBee網(wǎng)絡(luò)有三種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌切?、網(wǎng)格和樹形。

2 ?基于ZigBee的校園火災(zāi)防范系統(tǒng)總體設(shè)計

2.1 ?系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能

設(shè)計校園火災(zāi)防范系統(tǒng)的主要目的是據(jù)此實(shí)時可靠地監(jiān)測校園內(nèi)的火災(zāi)災(zāi)情信息。因此，整個系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)采集部分和數(shù)據(jù)處理報警部分。系統(tǒng)采取ZigBee網(wǎng)絡(luò)星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。終端傳感器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)準(zhǔn)確地收集所需的信息數(shù)據(jù)，通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到監(jiān)控中心。協(xié)調(diào)器處理和判斷所接收的數(shù)據(jù)信息是否需要觸發(fā)火災(zāi)報警。整個系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)及功能如圖1所示。

整個校園火災(zāi)防范系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理和存儲功能。火災(zāi)初期，系統(tǒng)通過煙霧傳感器、溫度傳感器、氣體傳感器的調(diào)節(jié)電路，將燃燒產(chǎn)生的煙霧、熱量、氣體等物理量轉(zhuǎn)換為電信號，然后實(shí)現(xiàn)信號的數(shù)模轉(zhuǎn)換，最后通過CC2530芯片的I/O端口輸入。采集到的數(shù)據(jù)通過ZigBee協(xié)議棧經(jīng)路由節(jié)點(diǎn)最終發(fā)送到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)設(shè)置顯示器實(shí)時顯示輸入信息，結(jié)合火災(zāi)常見的數(shù)據(jù)分析，通過設(shè)置合理的閾值判斷是否發(fā)生火災(zāi)。若確定發(fā)生火災(zāi)后，立即通過聲音、燈光、文字等顯示在終端節(jié)點(diǎn)的協(xié)調(diào)器及上位機(jī)上，同時顯示火災(zāi)位置，記錄火災(zāi)時間。

2.2 ?系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

校園火災(zāi)防范系統(tǒng)分為ZigBee無線組網(wǎng)部分和上位機(jī)部分。在ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)部分中，系統(tǒng)分布有三種類型的節(jié)點(diǎn)，分別是終端、路由以及協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)[4]。具體到校園環(huán)境中，對于辦公、教學(xué)、宿舍這樣的區(qū)域，可以以房間為單位設(shè)置ZigBee終端節(jié)點(diǎn)。對于一些面積較廣，隱患較大的區(qū)域，如圖書館和機(jī)房實(shí)驗(yàn)室，可以以組為單位配置ZigBee終端節(jié)點(diǎn)。在允許的范圍內(nèi)為了擴(kuò)大傳輸范圍，可配置多個路由節(jié)點(diǎn)。終端節(jié)點(diǎn)實(shí)時采集需監(jiān)測的溫度、煙霧、一氧化碳?xì)怏w等環(huán)境數(shù)據(jù)，經(jīng)過路由節(jié)點(diǎn)發(fā)往協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)自身攜帶顯示器，可顯示接收到的每個節(jié)點(diǎn)相關(guān)數(shù)據(jù)，同時協(xié)調(diào)器通過RS232總線連接上位機(jī)，設(shè)計相應(yīng)的上位機(jī)軟件，在上位機(jī)上實(shí)時顯示經(jīng)ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳輸來的數(shù)據(jù)信息。除顯示功能外，上位機(jī)還需具備設(shè)置功能、存儲功能、查詢功能、報警功能。如設(shè)置報警閾值，將實(shí)時數(shù)據(jù)和設(shè)定好的閾值進(jìn)行比較，按照規(guī)則兩項(xiàng)以上數(shù)據(jù)超過閾值即觸發(fā)火災(zāi)警報。整個網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是樹狀結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

3 ?基于ZigBee的校園火災(zāi)防范系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)設(shè)計

在硬件層面上，ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)依賴于支持IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的射頻芯片。本系統(tǒng)選擇TI的CC2530芯片。CC2530集成了射頻收發(fā)器、增強(qiáng)型標(biāo)準(zhǔn)8051微處理器核心、8 kB的RAM、32/64/128/256 kB多尺寸閃存、多個外圍接口（如兩個USART、12位ADC和21個通用GPIO等）。并支持其他IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)功能[5]。

3.1 ?終端節(jié)點(diǎn)

終端數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)需要三種不同的傳感器。其中，溫度傳感器選用DS18B20，DS18B20是數(shù)字溫度傳感器，電壓范圍為5.5～3.0 V，溫度范圍為-55～125 ℃，在-10～ 85 ℃范圍內(nèi)，精度為±0.5 ℃。煙霧傳感器選用MQ-2傳感器，其原理是使用對特殊氣體或粒子敏感的電阻器，根據(jù)電壓的變化來確定是否存在可燃?xì)怏w或煙霧顆粒。一氧化碳傳感器使用的型號為MQ-7，該氣體傳感器對一氧化碳具有較高的靈敏度，可檢測到多種含一氧化碳的氣體。這些傳感器和CC2530芯片的連接圖如圖3所示。其中SENSOR1是MQ-2煙霧傳感器，SENSOR2是DS18B20溫度傳感器，SENSOR3是MQ-7一氧化碳傳感器。若此節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)災(zāi)情，會通過LED燈和蜂鳴器報警。

3.2 ?協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)連接OLED顯示屏，可顯示各終端節(jié)點(diǎn)的實(shí)時數(shù)據(jù)，同樣也連接蜂鳴器和LED燈提示報警信息，通過RS232將數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)電路圖如圖4所示。

4 ?基于ZigBee的校園火災(zāi)防范系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

4.1 ?ZigBee節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)

整個系統(tǒng)共三種類型的ZigBee節(jié)點(diǎn)。其中協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)建立網(wǎng)絡(luò)，分配網(wǎng)絡(luò)的PANID，向其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送指令，接收并顯示路由或終端節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息，在協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)上設(shè)置按鍵用于修改火災(zāi)報警閾值。ZigBee路由節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍，路由節(jié)點(diǎn)上電后會自動掃描并加入網(wǎng)絡(luò)，接收終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給協(xié)調(diào)器。終端節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集和傳輸[6]。終端節(jié)點(diǎn)接入網(wǎng)絡(luò)后執(zhí)行協(xié)調(diào)器發(fā)送的命令，按照指令采集和發(fā)送收集到的數(shù)據(jù)。協(xié)調(diào)器接收到數(shù)據(jù)后，可對溫度、煙霧濃度、一氧化碳濃度進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控。當(dāng)出現(xiàn)異常情況時，點(diǎn)亮LED燈并發(fā)出蜂鳴器實(shí)時報警。節(jié)點(diǎn)運(yùn)行結(jié)果分別如圖5、圖6、圖7所示。

4.2 ?上位機(jī)平臺實(shí)現(xiàn)

上位機(jī)軟件使用C#語言編寫而成。上位機(jī)接受來自協(xié)調(diào)器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，通過上位機(jī)的軟件界面可以實(shí)時顯示當(dāng)前終端節(jié)點(diǎn)傳感器所采集到的溫度、煙霧、一氧化碳濃度數(shù)據(jù)，節(jié)點(diǎn)的聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)以及節(jié)點(diǎn)當(dāng)前的工作狀態(tài)。同時可在上位機(jī)上設(shè)置三個參數(shù)各自的閾值。若節(jié)點(diǎn)采集到的參數(shù)值都是在閾值范圍內(nèi)，那么節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)顯示正常，表明當(dāng)前沒有火災(zāi)情況發(fā)生，若節(jié)點(diǎn)參數(shù)中的三項(xiàng)有兩項(xiàng)或以上超過了閾值，則相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)狀態(tài)顯示異常。

上位機(jī)軟件的實(shí)時監(jiān)測結(jié)果如圖8所示。此界面支持同時顯示雙節(jié)點(diǎn)狀態(tài)，兩個節(jié)點(diǎn)分布于不同區(qū)域內(nèi)，上位機(jī)軟件以秒為單位更新兩個監(jiān)測點(diǎn)檢測到的各項(xiàng)數(shù)據(jù)。在監(jiān)測前或監(jiān)測過程中可設(shè)置或修改火災(zāi)的溫度閾值、煙霧閾值、一氧化碳濃度閾值，此時三項(xiàng)閾值均設(shè)置為30。圖中測試節(jié)點(diǎn)1煙霧數(shù)值44%超過了閾值30%，然而溫度和一氧化碳在閾值范圍內(nèi)，此時節(jié)點(diǎn)狀態(tài)顯示為正常。測試節(jié)點(diǎn)2在同一時間煙霧和一氧化碳濃度兩項(xiàng)指標(biāo)均超過了閾值，此時節(jié)點(diǎn)狀態(tài)顯示為異常，提醒管理人員有災(zāi)情發(fā)生。通過這種方式，可以提高災(zāi)情報警的準(zhǔn)確度[7]。

5 ?結(jié) ?論

校園內(nèi)的火災(zāi)隱患不容忽視，本系統(tǒng)可通過ZigBee終端設(shè)備實(shí)時的監(jiān)測到校園內(nèi)需監(jiān)測地點(diǎn)的溫度、煙霧、一氧化碳濃度值，并通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，當(dāng)異常發(fā)生即時報警。此方法可以有效地防范校園內(nèi)的火災(zāi)發(fā)生，降低安全隱患。就ZigBee技術(shù)的應(yīng)用而言，還有很多可能性。如果你能好好利用它，它一定會給你帶來更多的方便。

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作者簡介：熊琰（1989—），女，漢族，貴州遵義人，助教，碩士研究生，研究方向：網(wǎng)絡(luò)工程相關(guān)教學(xué)。