基于ZigBee技术的高层火灾自救指引系统设计

肖雄亮

摘 要：本课题应用ZigBee技术在住户、楼道、楼栋中分别设置传感模块、路由模块、协调器网关，将火灾信息实时通过以太网传到小区监控中心，再以短信形式发送到小区住户手机，及时指引住户采取必要措施进行自救避险。通过实验仿真可知，该设计能及时准确地发出报警信息，能较好地实现功能要求。

关键词：ZigBee;多传感器数据融合;火灾自救;高层

Abstract： In this project， ZigBee technology was applied to set up sensor module， routing module and coordinator gateway in the household， corridor and building respectively. The fire information is transmitted to the monitoring center of the community through Ethernet in real time， and then sent to the cell phone of the community residents in the form of SMS to guide the residents to take necessary measures to save themselves. It can be seen from the simulation that the design can send out the alarm information timely and accurately， and can better achieve the functional requirements.

Keywords： ZigBee;multisensor data fusion;fire self rescue;high level

传统火灾自动报警系统的功能少、性能差、误报警率高，不能满足发展需要;同时，目前的火灾报警设备的主要功能为报警，缺乏对火场内人员的自救指引。因此，设计一套及时、准确无误地发送火灾险情、指引人员准确采取必要措施进行自救的系统十分必要。本文就该系统的硬件部分进行设计和开发，通过实验达到预定要求。

1 系统总体方案

本文设计的家庭火灾报警系统以低功耗、低成本和高可靠性为目标。ZigBee技术是一种有自愈、自组网、低功耗的网络协议，具有高容量的特点，一个ZigBee网络可以包含65 000个模块[1]，可以同时满足65 000个模块之间的互联，也正好满足高层住户多的特点。

1.1 网状拓扑网络结构

ZigBee网络目前有星型、树型和网状网三种构架。其中，星型网络有一个中心节点，所有消息都经它传输。树型路由把网络看成是以协调器为根的一棵树，虽然不需要构建路由表，但是不够灵活[2]。网状网路由是无线自组网按需平面距离矢量路由协议（Ad hoc On-Demand Distance Vector Routing，AODV）路由算法的一个简化版本。在AODV中，一个网络节点要建立连接时才广播一个连接建立的请求，其他的AODV节点转发这个请求消息，并记录源节点和回到源节点的临时路由。其可以用于较大规模的网络，需要节点维护一个路由表，耗费一定的存储资源，但往往能达到最优的路由效率，而且使用灵活。考虑到高层建筑住户多、距离长、阻隔多，为保障信号传输的准确性，本系统采用无线网状拓扑结构。

1.2 整体设计思路

系统整体结构如图1所示。从图1可知，在用户端和不同楼层楼道设置终端传感器节点，即“傳感模块”，在同一层楼设置路由器节点，即“路由模块”，每一栋楼设置协调器网关节点，即协调器网关，小区物业设置监控模块四级传输网络，通过这种方式管理众多的楼层。每个终端传感器节点带有火焰传感器、烟雾传感器、温度传感器，接收路由器节点的唤醒信号后，采集环境数据发送至路由器节点，一个路由器节点管理一层楼的传感模块，各个路由器节点可互相通信，可由任意一个路由器节点把所有信息发送至协调器网关节点。最终所有信息汇总到协调器网关节点模块。协调器网关节点通过以太网与控制中心监控模块联系。监控模块由火灾报警管理平台系统和短信硬件模块组成。前者负责管理数据和信息，后者负责具体发送。

2 硬件设计

2.1 路由模块与传感模块设计

路由模块与传感模块在硬件结构上基本一样。路由器节点主要放在各楼层的公共楼道中，监测楼道中火灾情况的同时，将传感模块的火灾上传给协调器。传感模块位于各住户家庭中，监测各住户家中的火灾情况，并通过数据融合技术进行火灾判断。通过数据融合技术，可以减少硬件，并降低火灾误判。传感模块主要包括火焰传感器、烟雾传感器、温度传感器、电源模块、Zigbee通信模块、报警模块。火焰传感器、烟雾传感器、温度传感器三类传感器检测环境的火灾信息[3]，分别接CC2530的P1-3、P1-2、P1-5端口，并利用由电池组组成的电源模块进行供电。通过使用多传感器和加权算法可以有效减少探测器的误报警。传感模块结构如图2所示。

烟雾传感器MQ_9对CO气体、煤气、液化石油气体、天然气具有较高的灵敏度和良好的选择性。空气中烟雾的浓度越高，烟雾传感器MQ_9输出的电压值也越高。烟雾传感器MQ_9的表面电阻[Rs]是通过与其串联的负载电阻[RL]上的有效电压信号[VRL]输出而获得的。烟雾传感器MQ_9的电路原理如图3所示，关系式如式（1）所示。MQ-9型气敏元件的敏感层是用非常稳定的二氧化锡制成的，具有优秀的长期稳定性，在正常使用条件下，其使用寿命可达5年。

火焰传感器可以检测波长在760～1 100nm内的光源。火焰传感器选用带有温度补偿型红外线传感器SPS532CA，其是专门为火灾探测和气体分析开发的热释电红外线传感器。该传感器为真空密封，并且内部充满了惰性气体，非常可靠，且当特制的红外线接收管接收到火焰信号时，就把火焰的亮度转化为电压信号。火焰的亮度越大，其输出的电压值越大。

温度传感器使用的是DS18B20数字温度传感器[4]，其输出的是数字信号，温度转换时的延时时间由2 s减为750 ms。其具有高精度、高可靠性的优点，并且感测的温度以单线数字方式输出，体积小，抗干扰能力强，适用于火灾探测系统。

ZigBee模块选用TI公司的RF收发器芯片CC2530。CC2530结合了领先的RF收发器的优良性能，业界标准的增强型8051 CPU，系统内可编程闪存，8 kB RAM和许多其他强大的功能[3]。CC2530具有多种工作模式，能够在短时间内从休眠模式切换到主动工作模式，这保证了系统的超低功耗。其还自带模数转换功能，传感器无须再外接模数转换模块，简化了电路。每一个节点都有一个独一无二的设备号用于与其他传感模块相区别，各节点安装在不同的特定位置，实现定位功能。

2.2 协调器网关设计

协调器网关一方面要负责调度各路由器和传感器模块工作及信息采集;另一方面，要将火灾信息通过以太网发送给监控模块。由于CC2530受处理器速度与内存的限制，无法运行TCP/IP协议。要实现ZigBee网络与以太网络连接，必须依靠其他网络芯片。本设计在CC2530协调器上外接RTL8019AS以太网模块以实现以上功能。台湾RETLTEK公司的网卡芯片RTL8019AS具有价格低、接口简单、无须外加转换芯片、兼容性强、ISA总线高度集成的优势。CC2530与RTL8019AS连接结构如图4所示。

2.3 监控模塊

PC主机通过串口与短信模块连接组成。系统选用的短消息收发模块是深圳百亿科技公司生产的GPRS MODEM，而GPRS MODEM的核心是SIMENS的MC35i模块。MC35i是新一代GSM/GPRS双频模块，其实质上是一块可以二次开发的无线调制解调器，可以快速、安全、可靠地实现数据和语音传输、短消息服务。

3 软件简述

内网系统中协调器和终端程序设计都通过在IAR Embedded Workbench for 8051开发环境下修改Z-Stack-CC230-2.5.1的SampleApp例程来完成。纠错采用了经典推理技术中的Neyman-Pearson准则进行三类传感器信息融合，进行加权计算。住户手机数据存储采用SQLite数据库搭建。监控模块火灾报警管理平台系统采用JSP技术开发，分为接口与后台管理层、业务层、数据层、短信模块4层。

4 结语

本文设计了一款基于ZigBee技术的高层火灾自救指引系统，该系统通过ZigBee技术检测和传输高层住宅火灾情况，并把火灾情况通过短信形式发送给住户，以便住户及时了解火灾发生情况，并指引其采取自救措施，降低损失。

参考文献：

[1]徐鸽.基于ZigBee的智能农业大棚监控系统设计[D].长沙：湖南农业大学，2014.

[2]于海滨，王中锋.分布式无线传感器网络通信协议研究[J].通信学报，2004（10）：102-110.

[3]侯向锋，毛涌，陈礼源，等.基于多传感器信息融合的无线火灾定位报警系统[J].湖北师范学院学报（自然科学版），2016（1）：34-40.

[4]王捷，田红芳，周振渝.基于可组网数字温度传感器火灾报警系统设计[J].仪表技术与传感器，2007（1）：28-29.