基于建筑智能化实训平台的无线火灾自动报警系统设计

摘要：文章基于建筑智能化实训平台，分析了利用ZigBee技术设计无线火灾自动报警系统的思路，探讨了网关、网络节点模块以及终端控制软件的设计，并介绍了测试结果，还进一步讨论了系统功能扩展、设备改造和实验实训课程开发的可行性。

关键词：无线火灾自动报警系统；硬件系统设计；软件系统设计；建筑智能化实训平台

中图分类号：TN98          文献标识码：A           文章编号：1672-4437（2023）03-0047-04

0 引言

建筑智能化实训平台主要用于高职院校建筑类专业建筑智能化系统安装与调试等实训课程教学。实训平台包含“视频监控系统”“门禁系统”“消防系统”“照明系统”“综合布线系统”等5个子系统^[1-2]，其中，“消防系统”的火灾自动报警系统模块的数据信号采用有线方式进行传输。近年来，随着无线通讯技术的快速发展，无线火灾自动报警系统已广泛应用在国内外建筑行业当中，该系统的全面无线化已成为大势所趋^[3]。

相较于WiFi、蓝牙、红外线等其他常用的短距离无线通信方式，Zigbee无线技术具有低功耗、低成本、易用性强等优势。利用Zigbee进行2.4GHz组网是当下构建无线火灾报警系统最为成熟的方法，可用于室内环境监测、智能家居控制和相关数据的采集，符合有线系统无线化的设计需求^[4]。

1 整体设计

1.1 设计思路

在建筑智能化实训平台中，原有线式火灾自动报警系统主要包括探测器、报警器和控制器3个部分，其数据信号通过线缆进行传输。本设计意图在此基础上通过无线网络实现开放式的数据传输，以摆脱短距离和障碍物等物理限制，同时保证火灾监测数据和报警信号的实时反馈。具体工作包括：

一是确定系统设备的改造方向。原有线式火灾自动报警系统中，探测器负责采集火灾状态数据，包括煙雾探测器和温度探测器两种类型；报警器是在现场发生火灾后负责发出声光警报的具体设备。探测器采集数据和报警器控制信号是通过有线方式向控制器传输的。为实现无线传输，确定将探测器、报警器的数据信号改造为通过无线网络节点接收和发送。

二是确定需要添加的硬件模块。依据ZigBee技术搭建无线自组网络，需要设计添加ZigBee网关模块和网络节点模块。其中，网关模块是由主控芯片搭建ZigBee网络协调器，实现设备间的网络互连；网络节点模块安装在探测器、报警器等设备的前端，实现对采集数据和控制信号的上传、下达。

三是提升实训平台的教学效果。相较于原有线系统，改造后的无线火灾自动报警系统，应体现行业技术发展和实践技能提高的最新方向。在应用于实验实训课程教学时，能够锻炼学生电气设备安装、无线网络搭建和终端软件配置等多方面的实践动手能力，磨炼高职院校相关专业学生的工匠技艺。

1.2 系统构架

该无线火灾自动报警系统包括5部分（如图1所示）：Zigbee网关模块、Zigbee网络节点、报警器、探测器（烟雾探测器、温度探测器）和终端设备（电脑或手机）。其中，在基于ZigBee技术建立的无线网络内，原本通过有线系统与控制终端连接的探测器、报警器，现通过无线网络节点将数据汇聚至ZigBee网关，再通过安装有配套管理软件的电脑或手机等终端设备，即可实现对火灾状况的无线监控及历史数据查询等功能。

2 硬件系统设计

2.1 网络节点设计

网络节点由主控芯片、时钟单元、电源单元和调试串口组成（如图2所示），其作用是将探测器监测数据上传至网关，以及将控制命令传输至报警器。核心控制芯片采用美国德州仪器（Texas Instruments）公司的CC2530芯片，它符合兼容ZigBee-RF4CE的网络协议栈（RemoTI、Z-Stack或SimpliciTI），集成了高性能的RF收发器、8051微处理器、8kB的RAM，有多种闪存规格可供选择以及其他强大的支持功能和外设接口（2个USART、12位ADC和21个通用GPIO）等^[5]。在此基础上，探测器采集数据通过CC2530中的A/D转换器，实现模拟信号和数字信号相互转换，采用无线网络将信息传输至网关，经过控制器进行逻辑判断后向报警器发出控制信号。

2.2 网关设计

网关，又称网间连接器、协议转换器，其作用是实现不同网络之间的互连，可用于两个高层协议不同的网络通信。该系统的网关在硬件设计上与网络节点基本一致，由CC2530芯片扩展而成，其主要构成为ZigBee网络协调器，它将接收到的各网络节点的数据进行处理并通过WiFi模块发送至终端控制设备（电脑或手机）^[6]，如图3所示。

与网络节点的不同在于，ZigBee网络协调器中CC2530芯片的USART0接口用于调试，而USART1接口连接WiFi模块进行通信使用。这里选用的WiFi模块为ESP8266，该模块内置完整的TCP/IP协议栈，是一款经济高效的WiFi主控芯片模块，支持标准IEEE802.11b/g/n协议，内置10位高精度ADC，采用低功率32位CPU，支持丰富的外设接口，时钟频率最大为160MHz^[7]。

3 软件系统设计

3.1 控制逻辑设计

该系统软件模块面向终端设备使用，设计原则为控制逻辑清晰、软件界面简洁、操作方式简易、数据查询便捷。软件系统整体功能划分为两部分：状态监测和报警管理（如图4所示）。其中，状态监测部分分为探测器状态、温度指数、烟雾指数、历史查询等4个子系统功能；报警管理分为报警器状态、阈值设置、手动开关等3个子系统功能。

控制软件的具体工作内容包括：一是实时查看探测器监测数据及变化曲线，显示设备状态。二是实现报警功能。可以根据监测环境的需求对温度和烟雾浓度设置阈值，当监测数据出现异常时自动发出报警指令。三是存放和管理数据信息。将接收到的监测数据和设备状态等信息存放在数据库的具体数据表中，并可用于任意时间进行查询。

3.2 终端软件设计

该系统设计选用桌面计算机作为控制终端，选择Visual Studio 2019软件并采用C#语言开发系统管理软件，选用Access软件制作数据库用于储存与管理采集数据，通过设计不同模块控件实现系统各功能之间的数据传递。软件系统整体包含交互层、中间层和数据层三层架构。其中，交互层面向用户；中间层用于数据与执行处理；数据层主要为系统的数据存储提供服务。在软件工作流程中，用户可以在软件界面上操作，完成数据传递、调度事件、消息传递以及接口调用和预留，通过中间层形成底层数据和顶层应用的交互融合，实现系统整体功能。

系统软件操作登录界面包括系统使用人员的注册与登录，主界面包括火灾报警器状态、手动开启/关闭警报、报警记录、探测器状态、历史数据查询等。用户启动软件平台后，已注册账户的用户可以直接登录。新用户需要重新注册，注册完成后，输入注册账号和密码登录系统，然后进入软件主界面进行相关操作。

软件主要工作内容包括：一是实时查看探测器、报警器状态和环境监测数据，查询历史数据和报警记录；二是进行系统配置，设置温度或烟雾浓度的报警值；三是设备管理，可以手动控制报警器的开启或关闭。

4 系统测试

建筑智能化实训平台是由铝合金型材和铁质网孔板构成的模拟钢结构建筑模型，空间大小为4.6m×2.2m×2.3m（长×宽×高），共分为“智能小区”“智能大楼”和“管理中心”三个区域，原有线式火灾自动报警系统安装在智能大楼区域当中。进行测试前，先将无线火灾自动报警系统设备安装在对应位置处，再完成线路连接和设备组网，然后进行功能调试。根据系统设计要求，探测器、报警器应能够通过无线网络实现与控制终端的数据信号传输，主要对是否能够实现系统功能和传输信号的穩定度进行测试。

完成软、硬件配置后，对无线火灾自动报警系统进行测试，测试结果为：一是在建筑智能化实训平台内，ZigBee网络节点、网关和控制终端运行状态良好，连接无线网络信号稳定，符合使用需要。二是利用控制电脑运行系统管理软件，能够正常查看报警器、探测器运行状态，实时显示温度和烟雾浓度数据，手动开启/关闭报警器正常，调取历史数据正常。三是进行自动火灾报警功能测试时，在软件系统中设定报警温度≥50℃、报警烟雾浓度≥5%obs/m，点燃测试火源后，在相应指数达到设定值时报警器成功发出警报（如图5所示）。测试结论是该系统满足设计要求。

5 讨论

本研究为建筑智能化、无线监控、火灾自动报警等系统设计以及相关实验实训课程教学改革提供了理论依据和技术支撑。但是，分析该系统设计需求、搭建过程和运行状态，发现还可以进一步采取措施完善设计，以提升研究成果和应用效果。

一是增加功能模块。本设计是基于建筑智能化实训平台的原有线火灾自动报警系统而进行的二次开发，只实现了原有线设备功能的无线化，没有在原基础上增加新的功能。可以尝试增加新的功能模块，比如：可燃气探测器、光照强度传感器等，以实现全方位的环境监测。

二是扩展无线网络覆盖范围。建筑智能化实训平台有多个功能子系统，多数设备均可以通过改造或替换接入无线网络。比如针对视频监控系统，可将现有的有线摄像头替换为无线摄像头，通过WiFi将其加入现有无线网，并在软件系统中设计相应模块，实现实时的无线视频监控。

三是有针对性地打造实训课程环节。建立无线火灾自动报警系统为高职院校相关专业学生实训课程教学打下了基础，教师应有针对性地将ZigBee技术理论、ZigBee模块搭建、无线网络组建和系统软件设计等实训环节增设到现有课程中，从理论基础出发，让学生自己动手完成系统安装与调试，对比设备在有线和无线两种不同状态下的运行效果，学会独立思考，切实提升实践技能水平。

参考文献：

[1]罗小锁.高职建筑智能化工程技术专业实训课程体系的建设研究[J].西部素质教育，2017，3（05）：122.

[2]刘理.高职院校建筑智能化实训室建设研究[D].合肥：合肥工业大学，2017.

[3]孔颉.无线通信技术在火灾自动报警系统中的应用[J].电子技术与软件工程，2020（23）：35-37.

[4]王志磊.基于ZigBee协议栈的2.4G无线局域网通信变压器智能管理模组设计[J].电工技术，2022（14）： 91-92，186.

[5]方红，孙奥，李晓英，等.基于光伏能源的CC2530无线数据采集系统设计[J].计算机仿真，2022，39（01）： 80-85.

[6]杨怡婷，欧阳名三.基于ZigBee技术和CC2530模块的无线温度监控系统设计[J].湖南工程学院学报（自然科学版），2019，29（02）：40-43.

[7]张恒强，安霆，王乙涵，等.基于ESP8266的物联网技术应用研究[J].仪表技术，2022（03）：26-29.