基于ZigBee无线网络的火灾监控系统设计

谭涵

【摘要】在本论文中，设计了一种低功耗、多参数的复合火灾探测节点，该节点可以检测温度、烟雾浓度和CO气体浓度，并结合无线传感器网络（WSN），建立了一套实时无线火灾监控系统。该系统应用于以古建筑为代表的特殊情况下的火灾检测。其中，系统的硬件和软件实现基于2.4GHz无线通信芯片CC2430。系统中采用ZigBee协议，形成可靠的无线通信。实验结果表明，传感器节点之间能够自动连接并形成网络，系统在无线火灾探测中能够有效、稳定地工作。

【关键词】ZigBee;无线网络;火灾监控系统           【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021.34.034

1、引言

是否发生火灾通过机器去判别，就要了解火灾发生的特点[1]。传统的火灾监控系统需要在区域内布置线路，安装过程繁琐，且对环境造成破坏。无线网络是一个伴随新兴技术发展而发展起来的重要项目的优势越来越明显。因此，将火灾探测技术与无线传感器网络相结合，逐渐成为探测火灾发生的重要研究点。

ZigBee技术是一项无线通信技术，其主要的一些优点有损耗低而且适合短距离强信号传输的设备，主要用于无线传感网络，自动控制和远程控制区域。它通常被认为是一种最佳的无线方式通信协议，因为它完全满足要求并具有较高的无线传感器网络应用性能可靠性、自组织网络、自修复能力大型网络卷[2]。

2、消防监控系统结构

在火灾监测系统中，一般都会采用一些成本较低的传感设备用于信息检测和传输，用于检测区域内的火灾参数。组成ZigBee网络需要三种节点：检测节点、路由器和协调器。将传感器节点配置为ZigBee网络中的检测节点，实现CO气体浓度、烟雾浓度、温度等火灾参数信号的实时数据采集。协调员负责PAN（个人局域网）的形成，并从所有检测节点收集数据。路由器主要负责数据的存储和发送、发现与连接设备、路由表的维护、数据的转发和网络链路的维护，再通过rs485传输协议进行通信。该系统采用ZigBee杂波树网络拓扑结构，采用CSMA/CA原理，传输模块具有更好的信息隐藏、抗干扰、自愈和覆盖范围大等优点。在计算机中运行专门的火灾监控后台软件，接收协调器上传的信息进行处理和显示，实现监控区域的快速状态反映。

检测节点不仅可以通过多跳路由自动配置网络，还可以感知温度、湿度和烟雾浓度。基站负责收集各检测节点的数据，并将数据传递给计算机进行处理和显示。

3、硬件设计

3.1 火灾探测节点的结构

ZigBee的无线检测主要的数据接收是CO的数据，另外还包括温度和烟雾浓度等。数据处理单元控制节点对检测数据进行处理。数据传输单元完成与路由器和协调器的交互。电源单元负责节点的能源[5]。

3.2 无线收发和处理模块

本系统采用CC2430作为无线收发和处理模块的核心，CC2430是本文所选取的实现火灾报警的单片机设备。CC2430收发器的核心是一个高效能的8051控制器，有128 kb的 Flash，定时器为看门狗，其中的输入输出口有22个[3]。外围电路包括晶体振荡器时钟电路、射频输入输出匹配电路和微控制器接口电路。模块采用高增益垂直天线，采用2.4G SMA专用接口。

由于芯片的功能非常强大，它只需要很少的外部组件就可以工作，大大简化了设计。考虑到其集成度高、功耗低的特点，因此我们就选择CC2430为信息处理部件。这样既可以在很大程度上减少硬件投资，又能满足工程的要求。

3.3 火灾参数检测模块

火灾刚起时，明火不大但能产生更多的CO气体，而且温度会升高。基于这些参数，我们设计了一个火灾检测模块，包括烟雾检测单元、一氧化碳气体检测单元和温度检测单元三部分。这三个部分共同实现了烟雾浓度、CO气体浓度和温度的检测。

本文的光带你探测电路，主要工作原理是烟颗粒会发出红外光，红外光会使二极管产生电信号。发射机晶体管的基极连接到CC2430的I/O管脚，输出一个脉冲控制红外发射二极管的开/关，产生的信号通过前置放大电路和后置放大电路进行调节放大。最后将信号发送到CC2430中的AD转换器，脉冲引脚低电平关闭采用红外发光二极管，以节省电源。

（1）系统采用低功耗数字温度传感器TMP102进行实时温度检测。TMP102是一种工业上所采用的比较灵敏的温度传感设备，可在一个微小的SOT563封装，其能采集到的温度值的精度达0.0625°C[4]。由于其具有低功耗和数字化的优点，TMP102是火灾监控系统中理想的温度测量工具。TMP102通过IIC总线与CC2430的I/O管脚相连。

（2）本系统采用选择的采集一氧化碳有毒气体的检测设备为RAE_4CO-500。其检测范围可以达到0-500ppm，分辨率为1ppm，线性度非常好。4CO-500传感器检测CO气体并输出微弱电流信号，实现气体浓度转化为电流信号，电流信号由电流电压转化模块转成电压信号，最后再通过电子元器件将模拟信号转化为数字信号。经相关数据处理后，信号由射频模块发出。

4、软件设计

4.1 软体开发平台

在系统通信程序设计中，经常使用IAR的嵌入式工作台，它是目前世界上最完整、最简单的嵌入式应用专业开发工具。

4.2  ZigBee技术

与Wi-Fi和蓝牙技术类似，ZigBee也可以在ISM无线频段运行，数据传输速率250kbps，ZigBee （IEEE 802.15.4）技术为低速率无线PAN指定了物理和介质访问控制层，传输速率高达10米，16个通道定义在2.4 GHz频段，但更窄的2 MHz频段，也不重叠，因此，多达16个ZigBee網络可以在同一区域同时共存。最新的ZigBee版本支持ZigBee Pro标准中的频率跳频，这允许ZigBee PAN在前一个频道发生重载时从一个频道移动到另一个频道。该通信模型要求它将工作分配到多个不同的设备中，这些设备驻留在单独的ZigBee节点中，这些节点又形成了一个网络。ZigBee是一种低功耗、低成本的无线网状网络标准，为用户提供网络、安全和应用支持服务另外其还具有高容量的特性。ZigBee网络可以构造成不同的类型，一个主节点可以管理254个节点，每个节点还可以扩展到更大的网络。整个网络理论上可以有65535个节点。

4.3 软件流程

ZigBee无线传感器网络中的检测节点部署在检测区域，采集和传输信息，协同完成分配的任务。在每个节点上运行的程序可以完全相同，但ID是唯一的。为了达到低损耗，主要采用的是传感器定时唤醒机制，降低信息碰撞的概率，延长网络的寿命。协调器建立标识符，而且将短地址设置为零，主要实现节点与路由器的连接。当节点接收到信号后。

我们采用微软的软件设计平台，选取VC++语言为编程语言，该软件通过串口与协调器连接来获取数据。通过处理和分析，显示温度、烟雾浓度、CO浓度信息，便于实验观察。利用神经网络算法确定火灾的发生，进一步降低了误报的可能性。当火災被证实时，就发出警报。

5、实验与统计分析

通过实验验证了我们所采用的硬件以及ZigBee协议的有效性。结果表明，检测节点能在有效通信距离内自动形成网络，单个节点故障不影响整个网络的数据传输。

我们采用国标GB 4715 - 2005对点型起火点火灾探测设备选取6检测节点，节点1到节点6，分别安排在三米循环标准火灾实验室和标准的棉绳火是用于测试。此外，我们还安装了标准的光学烟雾密度计来检测烟雾数据，以供参考。变化趋势相似，但节点1、3对烟度的响应时间小于有线光密度计。实验结果表明，所设计的检测节点具有较高的灵敏度。

结果表明，由于火灾开始时存在阴燃阶段，温度变化较慢。由于节点与火源的距离不同，节点检测到的温度也不同，但上升趋势是一致的。

实验中使用多个检测器同时检测给定浓度的CO标准气体，并根据采集的数据对每个检测器进行重复分析和校准。并安排各检测器检测不同浓度的标准CO气体，通过检测数据分析其线性关系。CO的标准浓度分别为99ppm、203ppm、303ppm、50.3ppm、397ppm、502ppm。该检测器响应时间极短，可检测相应浓度的标准值。当浓度不变时，数据保持稳定。该检测器线性度好，灵敏度可达1ppm。实验结果表明，该探测器线性度好，灵敏度高。因此，该探测器能在火灾早期灵敏地检测出CO气体浓度的变化。

结论：

基于ZigBee构建的无线火灾自动报警系统克服了有线报警系统的局限性，避免了其他无线通信技术的高功耗。与现有的无线传感器网络相比，具有成本低、网络容量大、使用寿命长等优点。该系统采用多探测节点协同工作，多参数精确识别火情。采用CO浓度作为火灾参数，既可以快速检测火灾，又可以补偿酒精火灾等无烟火灾的检测。系统选用了低功耗芯片，设计了低功耗硬件电路。在不适合布置有线火灾报警系统的特殊场所的消防安全和监控方面，这种系统有其独特的优势，具有广阔的应用前景和重大意义。

参考文献：

[1]刘世兴，涂德峰，张永明.基于无线传感器网络的多参数火灾探测，Proceedings 2009 IEEE International Conference on icis2009.11 vol .3，P203-206。

[2]张云洲，薛定宇，吴成东，等.一种无线传感器网络节点的设计与实现，P：1 - 4.DOI：1109 / WiCom.2008.906。

[3]王庆柱，刘荣昌，马玉泉，等.基于ZigBee技术的矿井报警系统应用研究，P2537 2540。

[4]德州仪器

[5]Yue， REN， Ru-yue， et al. Soil Temperature and Humidity Monitoring System Design for Farm Land Based on ZigBee Communication Technology[C]// 2019.