分布式消防报警监控系统的设计与实现

倪建云, 张 荐, 解树枝, 李子豪

(天津理工大学 天津市复杂系统控制理论及应用重点实验室，天津 300384)

0 引 言

火灾是日常生活中最常见的自然灾害，具有可预测性差、蔓延速度快等特点[1]。由于火灾险情频繁发生，无法保证人们的生命和财产安全，造成了极大的生命和财产损失。人们越来越来重视建筑物火灾的防范，同时对火灾预防报警与控制的技术水平要求也越来越高，火灾监控系统的需求量随之也越来越大。火灾报警系统可以分为传统的布线式和新兴的无线式火灾报警系统两大类。传统火灾报警系统火灾监控系统[2]利用烟雾、CO、温度传感器检测建筑物内的环境状况，从而感知火灾的出现，并进行报警通知。虽然传统报警系统在技术水平和实际应用上都已十分完善和成熟，但是其存在着所有布线式系统的通病，功能单一、结构复杂、维护困难、设备利用周期端、成本高、功耗大、抗干扰能力差等缺点，这极大的降低了控制火灾的效率，很显然这种系统已经不适合现代的建筑系统的消防报警与监控。

现在，随着嵌入式、无线通信、传感器技术的发展，为远程监控设备的实现创造了条件[2-3]，使今后的监控设备更加的智能化、网络化，基于无线网络的消防报警监控系统的实现也成为可能。无线传输的方式解决了在实际应用中传统火灾报警系统所存在的错综复杂的线路设计、施工与检修困难、高故障率和误报率等问题。本文结合ZigBee 无线通信技术与组态技术对现有的消防报警系统进行了研究和改进，设计基于CC2530芯片的协调器与终端节点，并搭建ZigBee多节点无线星型通信网络。实时的数据传送和后台完善的人机监控界面大幅提高了火灾报警监控系统的火灾的数据处理能力和智能灭火的能力，增强了系统的可靠性、安全性。此系统具有维护简单方便、反应迅速灵敏等优点，为现在的火灾监控提供了新思路。

1 火灾报警监控系统总体结构

本文所设计的基于ZigBee的无线消防报警监控系统主要由组态监测平台、人机交互界面、协调器、多个终端节点和报警控制器组成。组态技术设计的组态监测平台主要包括火灾报警界面、报警监测主界面、数据报表、实时数据曲线以及连接DCS数据库；实现现场实时数据的显示、系统故障提示、远程火灾报警等。

协调器作为主控制器与终端节点的传输枢纽，与监测界面平台经过串口进行连接，主要任务是数据上传与命令下达；终端节点通过控制器连接现场的报警装置、检测模块、灭火装置，通过已经搭建的无线通信网络将现场的温度、烟雾浓度、CO浓度等参数[4-6]传送至协调器节点，并通过控制器控制现场的报警装置，实现底层与上位操作界面结合的系统全面的火灾报警监控。基于 ZigBee无线消防报警监控系统的总体结构如图1所示。

图1 消防报警监控系统总体结构

2 系统硬件构成

系统硬件主要包括基于CC2530的协调器节点、终端节点硬件电路的设计与实现。协调器节点主要由 CC2530芯片设计的电路板外接LCD显示屏、天线、电源等模块组成。终端节点主要由CC2530 芯片设计的电路板外接的温度、CO浓度、烟雾浓度等传感器和天线、控制器、报警装置、电源等模块组成。其中CC2530与PL2303HX连接如图2所示。

图2 CC2530与PL2303HX连接图

2.1 烟雾传感器

本文采用表面离子式N型半导体二氧化锡气体敏感性材料构成的MQ-2型烟雾传感器，当周围环境温度达到200～300 ℃时，空气中的氧分子便会被二氧化锡所吸附，从而造成氧负离子的吸附，导致半导体中的电子密度降低，使电阻值极度增大。

当与环境中烟气、雾气接触时，烟雾会影响晶粒间隙处的势垒，从而导致传感器表面电导率变化。利用以上两点即可准确的获得空气种烟雾的存在，并且烟雾浓度越大，输出电阻越小，从而实现环境烟雾的检测。MQ-2烟雾传感器电路设计如图3所示。

图3 烟雾传感器电路设计

2.2 温湿度与CO传感器

MQ-9型CO气体传感器主要用来监测现场CO浓度，实现气体与烟雾的双重监测，利用其良好的稳定性和灵敏性，使得火灾监控更加准确高效。当空气中的CO通过气孔和透气膜扩散到传感器的工作电极表面上时，在电极的催化作用下，CO气体在电极上发生氧化，通过一系列化学反应，电极上便会产生电位差，从而气体传感器就会产生出一定大小的电流，再利用参比电极来维持两个电极间电流稳定，其电流大小与气体浓度成正比关系。

因此，再在气体传感器外接相应的转换和输出电路，通过测量传感器输出电流的大小从而检测出空气中的CO浓度，实现对CO浓度检测。温湿度的检测则是利用DS18B20的稳定性和精确性的特点，对现场的温度、湿度进行实时检测。MQ-9 CO浓度传感器电路设计如图4所示。

图4 MQ-9电路设计

3 系统软件设计

软件设计包括基于ZigBee协议的多个终端节点与协调器的星型网络拓扑结构的组网程序设计；采集环境信息的固件程序的编写；利用IAR Embedded Workbench IDE开发软件和SmartRF04EB仿真器进行程序设计与调试工作；基于组态技术的组态监测界面、人机交互界面设计以及驱动程序的编写。

3.1 ZigBee无线网络协议与网络拓扑结构

ZigBee协议虽然是基于IEEE802.15.4，但其不仅能处理IEEE能处理的MAC层和物理层协议，同时也对网络层(NWK)和应用程序编程接口进行了标准化[7-8]。此外，ZigBee堆栈拥有IEEE所不具有堆栈层：应用层(APS)、安全套接层(SSL)等。

ZigBee所包含的网络拓扑结构[9-10]主要有星形、网状型、簇状型3种网络模型。在ZigBee无线网络中，不同的网络拓扑对应于不同的应用领域，对网络节点的配置也不同。本系统采用的星形网络结构是利用多个终端节点和一个协调器节点进行组合，形成类似发散型的网络结构。网络拓扑模型分类如图5所示。

图5 网络拓扑模型

3.2 消防报警监控系统主程序

在主程序中，首先进行的是终端节点上所集成的传感器、报警、控制器等模块的初始化；随后进行无线网络ZigBee协议初始化，并将系统中的所有终端节点和协调器加入到无线网络中；通过查询单个终端上的温度和CO浓度，确定组网是否成功。查询报文与响应报文组成如表1、2所示。

表1 查询报文

表2 响应报文

成功组网后进入火灾报警程序中，终端节点传感器检测CO浓度、温度、烟雾浓度信息。根据传感器所采集检测到的信息，处理器进行判断、分析是否有火灾发生，若是数据异常，现场报警响起，主控制器并控制消防设备进行灭火；若是数据无异常则系统延时60 s后继续进行监测。主程序设计流程如图6所示。

图6 系统主程序流程

3.3 程序设计

程序设计基于IAR Embedded Workbench IDE开发平台，运用模块化编程[11]的思想，分别是系统初始化、无线网络组建、数据处理等功能模块。系统数据通信结构如图7所示。

(1) 系统初始化。主要是对终端节点和协调器节

图7 数据通信结构

数成员如下所示：

osal_int_disable( )；//首先关闭所有的中断。

HAL_BOARD_INIT()；//初始化底层的相关硬件。

zmain_ram_init()；//初始化栈内存。

InitBoard(OB_COLD)；//初始化 I/O。

HalDriverInit()；//初始化HAL层驱动。

osal_nv_init( NULL)；//初始化NV系统。

ZMacInit()；//初始化MAC层。

osal_init_system()；//初始化运行系统。 osal_int_enable(INTS_ALL)；//开启中断。

(2) 无线网络组建。搭建多个终端节点与一个协调器节点的星型无线网络模型[12]。该类主要函数成员如下所示：

Void SampleApp_Init(unit8 task_id)；//配置串口。

MT_UartInit()；//串口初始化。

MT_UartRegisterTaskID(task_id)；//注册串口任务。

HalUARTWrite(0,”UartInit-OK ”,sizeof(“UartInit -OK ”))；//串口配置成功。

SampleApp_ProcessEvent()；//进程处理函数。

SampleApp_SendPeriodicMessage()；//信息发送函数。

SampleApp_MessageMSGCB(afIncomingMSGPacket_t *pkt)；//信息接收函数。

(3) 数据处理。组态监测平台通过决策算法对检测数据进行评估.

DataFiltering()：//数据去燥处理函数。

GetDataFromCorN()：//评估算法的数据是从协调器器获取，并将数据保存在WriteData。

SaveDataToTXT()：//数据保存，实现TXT文档存储。

4 系统的实现与运行

系统的实现主要包括协调器、终端节点的硬件连接，组态监测界面的设计和人机操作界面的设计等。

4.1 协调器与终端节点设计

分析协调器与终端节点在系统中的作用，将各个模块与利用CC2530所设计的节点进行连接，测试。各模块的连接如图8所示。

终端节点主要连接烟雾、温度、CO传感器等组成的检测模块[12-13]、控制器、报警装置、外设天线等模块；协调器节点作为传输纽带主要连接LCD显示屏和天线两个模块。硬件设计如图9所示。

图8 模块连接图示意图

图9 协调器与终端节点

4.2 组态监测界面设计

组态设计软件[14-16]的适应能力强、开放程度高、扩展方便、工程开发周期短等优点，使其在上位机监控界面的设计中应用非常广泛。本文所设计的消防报警监控系统可以划分为底层检测层、连接层、操作监控层。其中连接层下连接检测层，上连接监控层，在系统中作为底检测层与监控层的通信纽带，主要作用上传检测信息与命令下达。连接如图10所示。

图10 连接示意图

通过对消防系统要求及实现功能的分析，尤其考虑三方面问题：界面简单明了、数据呈现完整、动画实时显示。本文中的操作界面主要是基于组态王进行设计的，充分调用类似Windows的图形界面的编辑功能，构成实时组态监控界面，结合实时报警窗口、历史趋势曲线、生成实时和历史报表等等，以动态的方式呈现控制设备的工作状态、数据变化等。人机交互界面如图11所示。

4.3 消防报警记录界面

主要对现场的CO浓度、烟雾浓度和温度进行监测，设置温度值、CO和烟浓度报警参数，并设计相应的状态显示灯，当这些参数超标时，显示灯为红色，正常时为绿色；经测试各个传感器工作正常，数值误差较小。具体报警结果记录界面如图12所示。

图11 系统组态监测界面设计

图12 消防报警记录界面

5 结 语

将CC2530单片机与组态技术相结合，对系统从底层到上位进行完整的设计，底层主要是利用检测模块、报警装置等模块与CC2530单片机结合，设计了底层检测结构。基于ZigBee协议组建网络，搭建多终端节点与单一协调器的星型网络，实现数据的无线网络通信。协调器与组态监测界面平台通过串口进行连接，实现检测数据从底层到上位的传输。再利用组态技术设计组态监测界面、人机操作界面、报警记录界面等等，实现了整个系统底层与上位机的设计，实现了数据的传送与报警功能。经试运行，该系统运行稳定，响应迅速，良好的人机交互界面，能很好的实现无线消防报警监控系统的实时监控与远程监控功能。

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