对组网式无线火灾报警器的设计与改进

彭浩

摘 要：针对现有无线烟雾报警器大多数只能提供声光报警的缺陷，本文探讨了一种全新的组网式烟雾报警器的设计思路及具体实现。

关键词：无线烟雾报警器；CC2530芯片

随着经济和城市建设的快速发展，城市高层建筑以及地下设施的不断增多，设置火灾报警系统已经成为了现代建筑设计时所必须考虑的重要部分。然而现有传统烟雾报警器只能简单的提供简单的声光报警，火灾信号不能被及时发现，因此，急需一种新型的火灾烟雾报警系统来弥补现有报警器的缺陷与不足。据此，根据火灾的特点设计开发出了一套基于Zigbee协议，短距离、低功耗的防火报警系统，解决了有线火灾报警器不能解决的问题，实现了消防中心对全楼防火消防状况的实时监控，保护了人身和财产安全。组网式无线火灾报警系统由总台和若干节点组成，下面为其工作原理。

1 节点

作为系统的最小单元，节点分布式部署在每个房间内部，节点的作用是探测每个房间内部的温度，烟雾浓度等一手数据，定时向总台汇报经过加密调制的信息，并在必要的时候发出警报。对比市面上的众多单片机解决方案后，决定采用TI的成型芯片CC2530来做节点的总控芯片，CC2530具有价格低廉，耗能低又不失稳定的特点。最重要的是其已经内置TI业界领先的开源ZigBee协议栈（Z-Stack?），能够较为方便的开发出一套适合组网式无线烟雾报警系统的程序，降低了开发成本。在节点的传感器配置上，新型的报警系统打破了传统火灾报警器只能探测烟雾的局限性，根据建筑物或实地场所的要求，不同的节点上安装不同类型的火灾探测器如迷宫式烟雾探测器，温度探测器等。

对于存放某些特殊材料的库房，材料燃烧并没有浓烟产生，则起火的判断以温度传感器为主。目前市场上成型的温度探测器有DS18B20数字温度传感器，测量温度范围为-55°C至+125°C，9至12位数字信号输出，无论是在温度范围还是在精度上均可适应各种火灾现场的温度探测任务。

由于系统设计的初衷就是使火灾报警器摆脱线缆的束缚，因此对于节点的供电选择了JCN-133x82型太阳能组件以及三节5号锂蓄电池。经查阅，该太阳能组件在普通的屋内日光环境下能提供5V，0.3A的平稳输出，折合功率1.5W。而节点其余电子元件总能耗约不到0.2W，剩余能量完全可供锂电池蓄电使用。而锂电池充满电则可为节点供电50小时以上，完全可以满足节点夜晚工作。

2 总台

处于消防控制室的总台由一台无线收发调节器及一台计算机组成。无线收发调节器负责与建筑物内的众多节点进行通讯，将汇总的信息汇报给计算机进行处理。当数据通过串口传输进计算机后，计算机对数据进行翻译解码，获取房间内的温度，烟雾浓度等信息，通过与设定的参数进行比对，判断房间内的火灾情况，并在必要的时候发出告警。由于成型系统最终面向的是终端用户，而用户一般对这系统的技术细节并不了解，也无需了解。用户直接接触到的是软件的的UI（用户界面），因此往往通过界面的简洁与否，操作的复杂程度，能否满足不同用户的要求来判断系统的完善程度。为此，在软件设计上实现了以下功能：

⑴在界面中我们能够看到网内已连接节点的名称（即楼宇房间号），可以在界面上清楚的看到每个节点的运行状况。

⑵当有节点发出告警信号时，计算机将对告警信号进行分析，根据相邻节点情况迅速判定告警信号是否为真。程序对于火灾等级也进行了划分，将单个房间告警，相邻多个房间告警和整层告警进行分级，以便采取最有效的措施。

⑶对于节点汇总的信号，软件分析完毕后可在后台静默写入MySQL数据库，并提供基于Apache和PHP远程图形操作界面，可供操作人员在不在场的情况下快速获知并处理火情。

对于节点和总台的通信内容作出了规定：数据内容为10位十六位数据0x 00 00 00 00 00，分别代表着节点的不同信息。

前两位信息为信号发送的目的地，可设置为总台，以免被其余节点错误截留。第三四位数据代表了节点的精确到个位的十六位温度值，可作为日常屋内温度监控。由于火灾的特性，过度精确的温度值并没有具体意义。如果节点采用的是单一烟雾传感器，则第三四位值为00。第五六位的值为烟雾浓度值，对于不同的烟雾传感器，烟雾浓度的值有着不同规定。当采用单一温度传感器时，第五六位的值为00。第七八位信息代表了节点所在房间的唯一ID，总台根据接收到的ID进行定位。确保了数据的准确性，同时也可以对区域数据进行统计，判断火情等级。

对于总台，由于是固定安排在某房间内部，因此不用考虑供电问题。但是随之而来的是安全问题，如何判定总台接受到的某个告警信号是由合法的楼内节点发出而不是伪造的信号。有鉴于此，数据的七八位是预留的校验位，通过CC2530内置AES加密模块对前八位数据进行加密，取前两位加密后信息写入数据的后两位。经总台验证后，即可判别数据的真伪，起到了保护网络安全的作用。

无线火灾报警系统的设计为用户提供了一套使用方便，扩展性强的解决方案，可以说解决了传统报警器所存在的问题。当然，整套系统目前还存在着很多缺陷，我们只有在实践中不断完善提高，才能让人民群众更好的远离火灾！

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