基于ZigBee的无线智能消防报警系统设计

曹 健

（泰州师范高等专科学校，泰州 225300）

0 引言

火灾作为一种发生频率较高的灾害，极易造成巨大的人员伤亡和财产损失。因此，消防报警系统已成为机关、宾馆、学校等公共场所必备设施之一，并且随着智能家居的兴起，也日益成为住宅安全设施的重要组成部分。然而，目前市场普遍采用的有线制信号传输与编码火灾自动报警系统存在施工周期长、建筑物破坏面大、成本高、维护保养困难等问题，已经滞后于社会和实际应用的发展需求。特别是在火灾发生时，存在两方面的不足。一方面，线路是系统中最易受损的环节，一旦损坏，则极易导致大范围探测信号传输中断，无法对火场进行有效监控。另一方面，在某一撤离路径遭到破坏的情况下，无法自动选择其他路径，迅速调整撤离标志指向而丧失最佳撤离时间。针对上述问题，本文设计了一个新型无线智能消防报警系统，将ZigBee无线组网技术、智能预测与撤离算法相结合，具有功耗低、安装快捷、时延短和可靠性高等特点，可大幅度改善救灾的时效性。

1 系统组成与工作原理

ZigBee是一种基于IEEE802.15.4 标准的短距离、低速率无线网络通信技术。该技术主要解决了低成本、低功耗、低复杂度、低传输速率、近距离的设备联网应用问题，主要用于无线传感器网络和测量控制方面[1]。ZigBee提供了网络层(NMK: Network) 和应用层(APL: Application Layer)框架的设计[2]。在网络层，ZigBee联盟制订了星型、树型和网状网三种拓补结构[3]。根据设备在网络中的角色，ZigBee三种逻辑设备类型：协调器、路由器和终端设备。每个ZigBee网络理论上可支持64K个节点，是低速、低功耗无线网络的首选解决方案。

本文设计的无线智能消防报警系统基于ZigBee无线组网技术，主要由监控中心和传感器网络组成，其系统架构如图1所示：监控中心由PC机、GPRS模块、声光报警器及无线消防报警信息管理系统组成。实现对传感器探测信息的显示、存储、分析、处理与响应等功能。利用无线消防报警系统管理软件，监控人员可以通过界面直观、清晰地看到火灾位置与现场温度、烟雾信息。

图1 系统架构图

ZigBee无线传感器网络由ZigBee协调器、探测节点和指示节点构成，根据参考文献[2]中对ZigBee网络设备的划分，探测节点属于ZigBee网络终端设备，指示节点属于ZigBee网络路由设备，同时具有信息显示与路由功能，能自动完成网络探测、加入与路径选择。

系统工作时，探测节点定时检测监控区域的烟雾和温度，将数据通过ZigBee无线网络发送至监控中心PC机，系统管理软件将检测数据在界面相应位置显示出来，并进行存储与分析，若检测数据经过处理后超过报警阀值，则驱动声光报警模块进行报警，提醒监控工作人员进行相应处理，同时，系统对撤离路径进行计算，向指示节点发出相应撤离路径方向调整命令，引导火灾现场人员进行疏散与撤离。若监控中心工作人员超过规定时间未对系统报警进行响应，系统软件将通过GPRS终端根据优先次序向指定人员或119重复发出报警信息，直到接受到响应处理。

2 硬件设计

2.1 ZigBee节点设计

由图1可知，系统中硬件部分由探测节点、指示节点和协调器三种ZigBee设备组成，由于三种设备的硬件构成相似，所以采用模块化结构设计。探测节点、指示节点硬件构成如图2所示，都包含电源模块、无线通信模块、声光报警模块和主控制器模块，图2阴影部分表示除共有模块外，探测节点还包含传感器模块，指示节点还包含LED点阵显示模块。协调器模块结构如图3所示，通过串口电平变换芯片将无线通信模块的串口引出即可。上述模块中，主控制器模块采用TI公司低功耗芯片MSP430F149实现，声光报警模块选用四块16×16点阵屏、压控陶瓷蜂鸣器完成信息显示和声音报警，接下来着重阐述传感器模块、无线通信模块及电源系统的设计。

图2 探测、指示节点结构图

图3 协调器结构图

2.1.1 传感器模块

传感器模块包括烟雾和温度检测电路，完成监控区域的环境温度和烟量的采集，其电路如图4所示，左侧虚线框部分为温度检测电路，由高精度电阻R1和NTC型热敏电阻R2构成分压电路，经C1滤波后送MSP430的AD1端口采样。其中，R2温度测量范围为-55℃-300℃，精度为1%。图4右侧为烟雾采集电路，选用日本NEMOTO公司生产的NIS-05A型离子烟雾传感器，该传感器设计有两个电离室，其中一个电离室烟雾和空气均易进入，称为检测电离室，另一个烟雾难入，空气可入，称为补偿电离室。图4中将烟雾传感器的两个电离室串接起来与电源相连[4]，随着空气中烟雾量的增加，进入检测电离室的烟雾越来越多，阻挡和干扰了空气中电离子的移动，从而导致检测电离室的等效电阻增大，而补偿电离室由于烟雾难以进入，其等效电阻保持不变，导致图4中M点的电位升高，经由T构成的电压跟随电路缓冲后，送至MSP430的AD2端口，实现对烟雾量的采样。

图4 温度、烟雾传感器结构图

2.1.2 无线通信模块

由于无线消防报警系统中三个设备均包含无线通信模块，从简化设计的角度，无线通信模块的设计应具有可重复利用，接口简单，控制方便的特点。因此，无线通信模块采用TI公司CC2530F256芯片，参照参考文献[5]中典型电路，基于TI公司的ZigBee 2007/PRO全功能协议栈实现。主处理器按照自定义的串行通信协议通过RS232接口完成通信参数设置、数据传输等功能，屏蔽了复杂的ZigBee通信协议，无线通信模块实现了串口透明传输与自组网的功能。串行通信协议格式包括帧头、命令、参数号、数据、校验和帧尾六个部分，命令分为数据传输、设置PAN ID、设置波特率、读取模块地址等。

2.2 电源模块设计与低功耗实现

传统消防报警系统通常采用工业或民用交流电供电，安装不便，降低了系统的可靠性，本设计中尽量避免使用电源线供电方式，分别根据三种设备的功能设计了不同的电源方案。

1）协调器：是整个无线网络的信息会聚点，需长时间保持，以保证各节点与监控PC之间的数据传递，工作时电流小于60mA，利用PC机USB口向其供电。

2）指示节点：基于路由节点实现，需长时间保持，完成探测节点数据传递路径选择与中继，平均工作时电流约50mA，如图5中虚线部分所示，采用太阳能电池供电，同时提供220V交流电源接口，便于太阳能电池安装不便的环境使用，定制3000mAh的锂电池作为后备电源，保证在主电源失效的情况下锂电池持续供电超过6小时。

3）探测节点：基于终端节点实现，定时进行检测与数据发送，是无线通信网络中数量最多的设备。该节点采用高容量2000mAh锂电池供电，其结构如图5中虚线右侧所示，锂电池经过稳压电路后直接给MCU供电，保证MCU始终处于工作状态，MCU根据需要通过电子开关控制其余三个模块的工作电源。

图5 探测节点、显示节点电源模块结构图

由于探测节点采用电池供电，设计时主要采用两方面措施降低节点功耗，一方面是周期工作的方式，探测节点在4秒周期内，使用约100毫秒时间执行一次检测与数据上传，其余时间进入低功耗休眠状态。另一方面选用低功耗器件：稳压电路选用TOREX公司XC6206331芯片，其功耗电流仅1uA，MCU选用TI公司MSP430芯片，其休眠时电流低至uA级，运行时只有3mA，模块电源控制开关选用高阻低漏的MOSFET管，温度传感器选用十千欧高精度NTC热敏电阻，烟雾传感器选用日本NEMOTO公司的NIS-05A离子烟雾传感器，采用离子源烟敏传感器的突出优点是功耗极低[6]，工作电流在pA级。低功耗器件的选用使系统实现低功耗、延长电池寿命具有良好的硬件基础。

3 软件设计

3.1 系统管理软件设计

图6 系统管理软件主界面图

监控中心PC机上工作的系统管理软件在VB6.0环境下开发，利用Access 2003数据库存储温度和烟雾信息，并对其分析、统计和管理。系统管理软件主界面如图6所示，实现了通信参数设置、报警参数设置、指示信息发送、数据统计与查询和声光报警控制等功能。通信参数设置功能包含PC机与ZigBee协调器、GPRS终端之间的串行通信模式设定。报警参数设置功能用于设置趋势判断、撤离路径选择计算的参数值。监控人员可通过指示信息发送功能调整指示节点的箭头指向或向受困人员发送救助的文本信息，通过采集数据统计与查询可更好地掌握各个监控区域的温度、烟雾特点，对报警参数进行优化，提高报警准确率。

3.2 探测节点软件设计

图7 探测节点程序流程图

探测节点控制程序基于结构化设计方法，采用C语言编制而成，其工作流程如图7所示，探测节点在上电复位后, 首先完成MSP430芯片及其外围功能模块的初始化，其任务主要是：设置AD模块用于温度和烟雾的信息采集；设置TIMER定时模块用于产生声光报警驱动脉冲信号；设置串行通信接口以便与无线通信模块连接；设置其他端口初始状态及看门狗等。初始化完成后接着打开传感器模块工作电源，采集温度和烟雾数据，完成数据采集后关闭传感器模块电源，若采集值经计算后提示有火灾危险则打开声光报警模块电源驱动其发出警报。接着给无线通信模块上电，进行网络快速恢复，将采集数据上传后关闭无线模块。最后，程序完成定时器设置并进入低功耗休眠状态，一个工作周期结束。

4 系统测试与分析

4.1 探测节点功耗测试

通过编制专用的探测节点功耗测试程序，并利用电流表监测节点各模块的工作电流，进行200次的数据采集与发送实验，取其平均值，获得系统单周期功耗情况如图8所示，探测节点数据采集时工作电流约为4.5mA，持续约15mS, 数据传输期由无线模块激活和发送两个部分组成，激活时工作电流约为6mA，持续约85mS, 发送时工作电流约为38mA，持续约3mS；休眠期间功耗主要由稳压电路、MCU、电子开关产生，电流小于50uA，休眠时间约3897mS，单周期节点平均每秒消耗电流As计算如下：

图8 探测节点周期功耗图

接下来将2000mAh锂电池容量换算为7200000mAS，每天工作24小时，由此可计算出持续工作天数Ho:

实际应用中一般将采集周期设为8s，则使用1000mAh容量电池支持系统工作一年以上，从而减小电池体积，便于安装。

4.2 数据采集与响应测试

图9 近距离实验测试环境实物局部图

表1 采集与响应测试数据表

为了验证环境温度和烟雾信息采集的可靠性及系统响应的实时性，以典型的高校学生公寓为原型，搭建了远距离和近距离两种实验环境。近距离实验环境如图9所示，采用探测节点6只，以及满足单选路由（表1中用D表示）的指示节点3只或双倍冗余路由（表1中用S表示）的指示节点6只。远距离实验环境如图1所示，在学生公寓安装探测节点16只，以及满足单选路由的指示节点10只或双倍冗余路由的指示节点14只，采用反复对比和多次重复的方法分别进行数据采集和报警响应测试，测试结果如表1所示。测试结果显示，近距测试环境数据采集与响应及时稳定，而远距测试环境存在丢包的问题，导致数据采集和响应失败，这对消防报警系统是难以接受的。产生问题的原因在于ZigBee采用2.4GHZ的高频通信，极易受到障碍物干扰，特别是穿越钢筋混凝土墙壁能力较差，在测试过程发现，同一房间不同的安装位置对信号质量都有直接的影响，加之实际应用中干扰因素的随机性强，单路由模式通信的稳定性有所欠缺。通过分析发现，ZigBee作为一个低功耗的无线数据传输标准，拥有极强的自愈能力，即通信过程中能根据链路信号质量进行自组网，测试时通过布置冗余路由节点，有效地减少了干扰所造成的信号盲区，很好地解决了上述问题。

5 结束语

本文基于ZigBee技术设计了一种无线智能消防报警系统。该系统选用低功耗器件及周期触发式工作方式实现了低功耗探测节点，安装简便；在ZigBee自组网技术的基础上采用安装冗余路由的方法实现了采集数据的稳定传输，性价比高；通过开发系统管理软件对采集数据进行智能分析与处理，及时通过指示节点调整撤离路径，或发送救助信息，救灾响应更加科学、高效。智能消防报警系统相对目前应用的有线系统，具有明显的优势，体现了无线消防报警系统智能化、数字化、无线化的特点，应用前景广阔。

[1] 陈积明, 林瑞中, 孙优贤. 无线传感器网络通信体系研究[J]. 传感技术学报, 2006, 08: 1290-1295.

[2] 李皓. 基于ZigBee的无线网络技术的应用[J]. 信息技术,2008(1): 12-14.

[3] Li Pengfei, Li Jiakun, Nie Luhua, et al. Research and Application of ZigBee Protocol Stack[C]. International Conference on Measuring Technology and Mechatronics Automation. 2010: 1031-1031.

[4] 张立立, 徐勇, 孙开宇. 基于Zigbee技术的无线数据采集系统的研制[J]. 实验技术与管理, 2012, (5): 139-142.

[5] TI. CC2530 Datasheet. www. ti. com. 2009.

[6] 张专成, 赵怀勋. 数字化离子感烟探测器的设计及应用[J].传感器技术, 1997, (4): 29-31.