基于ZigBee技术的建筑火灾低压配电报警系统设计

刘 璐 翟大成 魏立明

（吉林建筑大学 电气与计算机学院 长春 130118）

引言

本系统采用的控制芯片为CC2530芯片，复合型火灾感应器检测各种火灾信号，并通过ZigBee无线网络，将节点传送到上位机服务器，显示界面用的是LabView虚拟仪器。服务器负责系统的维护和管理，火灾确认后，将采集的火警信息上传到数据库中，运行相关的联动控制装置，客户端具有监测以及对火灾历史数据的查询功能，并清楚的显示操作以及报警信息。

1 系统整体方案设计

系统的整体结构框架图如图1所示[1]。复合式火灾探测器检测烟雾浓度、CO浓度以及温度大小对火灾进行一个初期的判断，通过Zigbee无线通信将火灾信号经路由节点转发到协调节点，然后经协调节点组网到服务器，服务器对该信号进行分析，判断是否发生火灾，若是，则经过客户端显示出来，同时蜂鸣器立即报警最后由消防控制中心采取应对措施。若不是，则复合式火灾探测器将继续采集火灾的信息[2]。

图1 系统结构图

整个系统设计完成后，可实现以下几个功能。

1）数据采集功能。通过复合式火灾探测器来检测火灾信号，对采集的火灾信息进行分析，来初期判断火灾是否发生。

2）数据传输功能。利过Zigbee无线通讯技术对系统中的火灾信息进行传递。

3）数据处理功能。处理分析接收到的火灾信息，处理判断的最终结果在服务器端显示出来。

4）火灾报警功能。一旦火灾发生，无线传感器启动蜂鸣器报警，通知消防控制中心，采取灭火措施。

5）联动控制功能。发生火灾之后，控制相关硬件启动。

2 复合式火灾探测器电路结构设计

由于火灾的发生过程非常复杂，为了能够对收集到的火灾信号更加精准的分析，需对收集到的这些火灾信息进行全面的分析。其结构框图的设计如图2所示。从结构框图中可以看到,对火灾信号进行分析，当检测到的数据达到了报警要求时,就将烟雾，温度以及CO浓度信息传递给相应的节点。

图2 火灾探测器系统构图

3 系统的硬件电路设计

3.1 报警电路设计

如图3所示。蜂鸣器通过 PNP 型三极管进行动作，在低电平时有效[4]。当检测的温度，烟雾和CO 的数据达到报警的临界数据时，芯片的I/O 口则置为低电平。发出报警信号。

图3 报警器电路图

3.2 温度检测电路设计

DS18B20数据温度传感器有着接线简便的特点，在不同的包装后可使用在不同的场所。关键是外观可以依据应用程序的不同而对其进行修改。随附的DS18B20可用于测量主机房温度，测量蔬菜温室温度，等温度高的场合。不易磨损，抗冲击，体积小，方便使用，以多种形式封装，可以用于在各种狭窄的室内测试空间机械设备数据和各种操纵行业。结合系统所需和DS18B20的优点特性，系统选用DS18B20传感器进行设计[5]如图4所示。

图4 温度检测电路图

3.3 CO检测电路设计

MQ-7气体浓度传感器在室内空气中检测主要使用低导电率的氮氧化物和放射性气体作为检测材料[6]。随着室内空气中所含一氧化碳气体浓度的进一步增，MQ-7传感器的温度和导电率进一步的增加。在室内高温下被吸附的相对松弛的一氧化碳气体，在室内低温下被快速洗涤。CO检测控制电路设计原理如图5所示，发生火灾时空气中产生的大量一氧化碳有毒气体可以利用MQ-7传感器对电信号进行检测和采集，当一氧化碳气体浓度高时，输出的电信号输出值就会变高，从而可以判断空气中是否已经发生了火灾。

图5 CO检测电路图

3.4 烟雾检测电路设计

采用了光电式的烟雾传感器，在正常的工作时，通过发光器件二极管发出的一定的二极管发光量完全可以被受光器件准确地接收得到；而当空气中有烟雾的时候，发光器件的二极管发射光会自然地被烟雾所遮挡，这样就完全可以感觉到二极管发光量自然地减少，光电流的功率降低，探测器便可以准确地发出报警的信号。

3.5 联动控制设备设计

本火灾报警系统中继电器采用的工作电压是12 V，联动电路控制的相关设备依靠继电器进行驱动，如图6所示，当继电器火灾未及时发生，报警未启动时，二极管开关一直置于常开，接入如图6所示，二极管起着安全保护和放大的作用。其P0_7引脚输出为高电平时，控制与灭火相关的设备启动，起着对报警和联动控制的保护作用[7]。

图6 继电器电路设计

4 火灾自动报警系统软件设计

4.1 协调节点设计

每个新的无线网络节点只有一个新的协调网络节点，所以所有的网络节点都必须在建立新的无线网络之后，才能通过网络请求新节点入网。在Zigbee无线网络中除了一个完全固定的协调节点，其他的节点地址都自由的分配，固定的地址设置为0×0000。协调的节点收集和发送无线网络命令的途径和方式实际上有很多种，在这里我们采用的是广播的形式，收集处理由路由节点发送来的数据。如图7，我们通过串口调试助手对协调节点建立网络进行测试，在图中可以看到地址和波特率，我们的波特率设置为9 600 bps[8]。

图7 协调节点建立网络

4.2 路由节点设计

在此系统中，路由节点主要协助完成复合式命令，与其他协调式节点之间传递报警信息,以及接到报警命令后使其他联动设备发生动作。先进行初始化,然后管理人员确认路由节点创建了一个无线网络。如果用户通过路由节点发送的信件向节点申请加入，节点管理人员可以在协调的阶段节点回复感应器的。

申请加入网络成功后，再绑定地址，传送数据到无线监控中心，对数据进行处理。

4.3 联动控制设备设计

发生火灾时，服务器通过客户端的Zigbee无线通讯向终端节点的各层发送报警信号，并通过终端节点控制道路调整终端节点，通过各层的通讯向路径节点发送火灾报警信号。

4.4 复合式火灾探测器设计

在发生火灾时，火灾的信息通过设计的复合式火灾探测器被及时的采集，并将采集的数据传递给路由节点[9]。采集到的烟雾浓度、CO浓度以及温度的信号都是模拟信号，正常需要额外设计电路进行转换。由于本系统采用的CC2530芯片自带转换的功能[10]。转换后的火灾信号与构成报警动作的临界值直接进行比较，当超出报警的临界值后，便通过ZigBee通信网络传递给服务器，等待服务器回复命令。

4.5 上位机显示界面设计

在火灾事故自动报警设备中，主计算机软件接收到推送来的监测数据后，必须对每个传感器收集到的数据进行分析，分析数据是否超过了设置的阈值，然后判断是否进行报警。主要是对温度，一氧化碳浓度和烟气浓度数据进行对比分析。其数据分析页面如图8所示。其中设置了温度，CO浓度和一氧化碳烟雾的浓度三个数据的阈值。数据分析的重点是在数据采集中包括每个房间的信号、温度、烟雾和一氧化碳的实时显示信息位于数据的匹配部分。一旦设置了温度，烟雾和相应一氧化碳烟雾数据的浓度超过了阈值，数据采集节点处的指示灯和相应的系统监督管理软件警报的指示灯将会实时闪烁,并且每个数据采集节点和相应火灾计算机警报系统软件记录的温度变化的曲线将会实时存储在上位火灾计算机警报软件和系统监督管理软件中，提示用户监督管理人员及时解决。

图8 火灾自动报警系统上位机

5 系统测试

5.1 数据采集测试

在投入使用前，对采集到的信号是否传递成功进行数据采集的测试。该测试利用串口调试助手观察所收到集的烟雾、CO 和温度等测试数据。并检测在火灾信号发生变化之后，信号是否可以正常的进行传递。系统采集数据如图9所示。

图9 数据接收

5.2 数据接收测试

需要对系统进行测试，以确定是否可以接收到下层网络传输的数据。数据信息通过串口调试助手向服务器端发送。在客户端，收集的火灾报警信息将被发送至服务器端，随后弹出如图10所示的报警页面。说明发送的火灾信号能够被服务器顺利接收，说明火灾数据的接收过程能够正常运作。

图10 报警窗口

6 结论

本文针对火灾频繁发生，但传统火灾报警系统的布线繁琐、误报警率高等问题进行了深入研究，将ZigBee无线传感技术应用到火灾报警控制系统中，硬件采用CC2530芯片，经济且低功耗。软件方面采用Labview对数据库进行访问，设计客户端显示界面。通过实验测试测得该系统可以准确对火灾进行分析和处理，为未来消防专业人士开发出更好的更全面的无线方式火灾自动报警监控系统提供了参考与借鉴。