基于Zig Bee 的紫外型手持火焰检测系统设计

褚建平，甄国涌，刘东海，郭柳柳，田 元

(1.中北大学 电子测试技术国家重点实验室，山西 太原030051;2.太原市华纳方盛科技有限公司，山西 太原030051;3.西安电子科技大学 微电子学院，陕西 西安710071)

0 引 言

火灾过后的残余火种有可能引起范围更大、破坏性更强的火灾，因此，对于残余火种的排查是非常重要的。目前，已有许多用于各个领域的火灾检测的研究资料和经验，火灾检测器与报警系统也比较多且较成熟。但是这些设备主要是用于火灾的发现和预防，它们大多分布固定、不可移动，对于残余火种的检测作用不大。

本文设计了一种基于Zig Bee 的紫外(UV)型手持火焰检测系统，可实时并准确地发现残余火种。

1 火焰检测系统的架构

1.1 系统体系结构

系统总体体系结构如图1 所示，该系统主要由多个手持设备终端和监控中心端组成。每个手持设备终端都由R2868 紫外线型火焰传感器和Zig Bee 节点构成，实时检测火场中残余火种的情况，并通过无线传输网络发送给监控中心。监控中心由Zig Bee 的FFD 设备［1］、监视器和SQL 数据库组成，主要功能是完成数据的接收、处理、分析、显示、存储等功能［2，3］。

图1 系统总体体系结构设计图Fig 1 Design of system architecture diagram

1.2 系统拓扑结构

Zig Bee 的网络拓扑结构有星型网络、簇—树型网络和Mesh 网状网络，在结构、建网、控制方面特性各有优劣。针对火场复杂的环境，考虑到系统配置、系统稳定性等问题，本文采用Mesh 网状网络拓扑结构。拓扑结构图如图2 所示。该拓扑结构的优势在于:结构简单、建网容易、网络控制机制相对简单。节点间路径相对星型结构要多，但比簇—树型结构要简单。数据的碰掩和阻塞情况相对减少。局部的故障不会影响整个网络的正常工作，因此，网络工作的可靠性高［4，5］。

图2 Zig Bee 网状拓扑结构图Fig 2 Zig Bee mesh topology structure diagram

2 手持设备硬件结构设计

手持设备终端主要由微处理器CC2530、火焰传感器R2868、温湿度传感器、拨码开关、声光报警、液晶屏显示和电源管理模块组成。手持设备终端硬件结构如图3 所示。

图3 手持设备终端硬件结构图Fig 3 Hardware structure of handheld device terminal

2.1 传感器驱动电路设计

传感器驱动电路图如图4 所示，采用一个1∶70 的变压器，将5 V 电压转换成350 V 电压。由于紫外线传感器的工作原理是基于金属的光电发射效应和电子繁流理论，传感器一旦开始放电，就会处于一种自保持放电方式，这样就不能正确地检测紫外线。由于传感器本身没有自动抑制火花的特性，所以，必须从外部加入灭弧电路。采用周期性地减小阳极电压，使其低于放电维持电压的方法可以防止放电电流的自保持［6］。

图4 传感器驱动电路图Fig 4 Sensor driver circuit diagram

2.2 信号处理电路设计

CC2530 芯片使用的8051 CPU 内核是一个单周期的8051 兼容内核，同时该芯片可以配置输入脉冲捕捉模式。信号处理电路如图5 所示，根据不同情况下传感器输出脉冲的特点，利用CC2530 的输入脉冲捕捉功能，将传感器的输出脉冲捕捉回来，输入到CC2530 的相应引脚内。利用CC2530 内部的计数器计算接收回来的脉冲数。同时结合CC2530 内部的的定时器，设定一个单位时间。单位时间内，如果计数大于设置的阈值，CC2530 的相关管脚则输出高电平;否则，相关管脚一直处于低电平。

图5 信号处理电路图Fig 5 Signal processing circuit diagram

3 系统的软件设计

系统的软件设计包括手持终端软件设计和监控中心管理软件设计两部分。本设计主要对手持终端软件进行设计，对监控中心管理软件进行部分设计。

3.1 手持终端软件设计

手持终端的主要职责是检测火场是否有残余火种的存在。手持终端软件工作流程图如图6 所示。手持终端开机后先进行系统初始化，完成系统正常工作时需要的基本配置。接下来手持终端会自动检查自身拨码开关的情况，根据拨码开关不同的组合，设置相应的灵敏度。然后手持终端会主动地与监控中心的设备相连，并将自己的ID 号发送给监控中心。利用微处理器输入脉冲捕捉中断，实时捕捉R2868 火焰传感器单位时间内输入的脉冲个数。判断有无残余火种存在。

为了使检测情况精确无误，避免误判情况的出现，软件设计采用比较限制法解决这一问题。如果第一次检测到输入的脉冲数大于设定的阈值，系统不是立刻报警。因为这次可能是系统采集的干扰值。系统接着进行第二次检测，如果第二次输入的脉冲数仍然大于阈值，则判定为有残余火种存在;如果小于阈值，则证明上一次是由背景噪声引起的误判。

3.2 监控中心管理软件设计

图6 手持终端软件工作流程图Fig 6 Work flowchart of handheld terminal software

Zig Bee 监控结点主要负责信息的接收，将TTL 电平转换成RS—232 电平，通过串口将信息传送给主机。监控软件采用VB 作为开发工具编写，安装在监控中心的主机上，负责对火场传回信息的处理、分析、显示、存储和统计等功能。数据库开发软件采用方便集成和移植的SQL 数据库，在实时显示动态数据的同时，将数据录入到数据库中。这些数据可以在火灾过后进行分析归纳，指导消防人员高效地进行残余火灾的检测。监控中心软件功能图如图7 所示［7］。

图7 监控中心软件功能图Fig 7 Software function diagram of monitoring center

4 测试结果与分析

在有火焰的时候，R2868 传感器输出的脉冲波形如图8所示。通过分析该波形图可以看出:输出脉冲的频率f ＜2 Hz，即有少量紫外线射入。通过分析此脉冲信号，确定R2868 可以正常的工作。

图8 有火焰时传感器输出信号图Fig 8 Sensor output signal diagram with flame

设置三个检测点，检测点的ID 号分别为000，001，002，将它们分别放置在以下情况下，测试设备在不同环境下声光报警是否有效，情况如表1 所示。紫外线是电磁波谱中波长从100～400 nm 辐射的总称，太阳光透过大气层时波长短于290 nm 的紫外线被大气层中的臭氧吸收掉，该紫外线传感器就是利用太阳光谱盲区(日盲区)，只对185～260 nm狭窄范围内的紫外线进行响应。将手持设备置于太阳光下，手持设备声光报警均不工作，证明紫外线传感器确实不受太阳光的影响。用手持设备检测分别在太阳光环境下、黑暗环境下、烟雾环境下的火焰，均会引起设备的声光报警功能。只有在火焰的存在的条件下，手持设备才能进行声光报警，手持设备受外界环境的影响非常小。

表1 不同情况下声光报警测试情况表Tab 1 Audible optical alarm test case table under different circumstances

利用上述三个检测点对设备的检测范围和可以检测的火焰大小进行了测试。如表2 所示。在相同环境下，分别改变火焰长度和测试距离。经过多次实验可以看出:检测距离与火焰长度的大小呈正比，火焰长度越长，检测范围越大。设备可以在5 m 的范围内，准确地检测到大于1 cm 的火焰。

表2 火焰长度和测试距离测试表Tab 2 Test table of flame length and test distance

针对系统的稳定性进行测试，在实验中关掉传播途径中的一部分路由器，模拟火场中路由器发生故障时的状态，手持终端设备可以通过其他路由器传播数据。通过多次改变手持设备发送的数据与接收端数据的情况对比发现，只要有可用的传播途径，手持设备就可以将数据发送给监控中心。

5 结 论

本文通过在不同环境情况下多次测量的结果表明:本系统不受太阳光影响，能够在5 m 的范围内准确发现火焰长度大于1 cm 的残余火种，且测试距离与火焰的长度呈正比，并将信息实时、准确地发送给监控中心。通过将传感器技术与无线通信技术相结合，将所有设备有机的连接起来。整个系统在实时性、准确性、可靠性及环境适应性等方面可以较好地满足应用需求。

［1］ 朱 斌，谭 勇，黄江波.基于Zig Bee 无线定位技术的安全监测系统设计［J］.计算机测量与控制，2010，18(6):1247－1252.

［2］ 郑 凯，赵宏伟，张孝临.基于Zig Bee 网络的心电监护系统的研究［J］.仪器仪表学报，2008，29(9):1908－1911.

［3］ 王晓燕，丁启胜.基于WSNs 与LabVIEW 技术的火灾监测系统设计［J］.仪表技术与传感器，2012(7):35－41.

［4］ 李正明，侯佳佳，潘天红，等.基于Zig Bee 与GPRS 的无线水文监测系统设计［J］.排灌机械，2009，27(3):184－189.

［5］ 王晨辉，孟庆佳.基于PIC32 和Zig Bee 的地质灾害监测系统设计［J］.电子技术应用，2014，40(2):68－70.

［6］ 王洋洋，高国强，张进明.基于C8051 的紫外型火焰探测器设计［J］.传感器与微系统，2013，32(9):89－92.

［7］ 彭高丰.温室大棚环境智能自动测量与调节系统研究［J］.计算机测量与控制，2012，20(10):2664－2679.