基于ZigBee的高层建筑无线火灾报警系统

摘要 选取CC2430作为无线网络的核心芯片，构建一个ZigBee星形网络来实现无线火灾报警系统的简化模型。通过该无线网络传输楼层各房间的一氧化碳浓度和温度信息，并由控制中心根据预先设定的规则，判断是否有火灾发生，定时报告该高层建筑的安全情况。该系统具有较好的应用前景和经济效益。
关键词 ZigBee；星形网络；火灾报警；高层建筑

    近年来，随着建筑材料中使用的易燃材料增多，对楼宇火灾报警系统提出了更高的要求。无线传感器网络和ZigBee技术的应用，解决了传统的有线火灾报警系统误报警率较高、布线复杂以及维护困难的问题，使火灾报警系统实现了网络化、自动化、智能化。
    ZigBee技术是短距离无线通信技术，其节点电池工作时间可达6个月至两年，由于功耗低，被业界认为是最有可能应用在工业控制、传感器网络、家庭监控、安全系统等场合的无线方式。使用2．4 GHz波段，采用跳频技术和扩频技术，可与254个节点联网，节点可以是各种仪器和家庭自动化应用设备。其采用IEEE802．15．4作为其物理层和MAC层规范，ZigBee联盟制定网络层(NWwK)规范，用户可根据自己的需要，对应用层进行开发利用，因此该技术能够为用户提供机动、灵活的组网方式。基于上述原因，文中提出了一种基于ZigBee无线网络的火灾报警系统，完成了对楼宇火灾情形的实时监测和报警。

1 系统的总体方案
    由于构建大型的火灾报警系统需要多个探测节点及复杂的网络，所需成本较大，设计周期较长，设计采用简化的模型模拟一个火灾报警系统，如图1所示，采用星形网络，用12个终端节点和1个协调器节点构成火灾报警系统的数据传输网络。其中每个房间放置2个终端节点，分别与一个温度传感器和一个一氧化碳传感器相连，采集一氧化碳浓度和温度信息。

    根据测定分析，空气中的一氧化碳0．01％；当空气中一氧化碳浓度达到0．06％时，1小时便能引起人的中毒；如果达到0．32％，只需30 min，人便可陷入昏迷致死亡。因此本设计CO浓度上限NH设定为0．06％，温度上限TH设定为30～35℃。
    协调器节点接收到数据后，综合判断是否有火灾发生，其判定的规则为：(1)如果温度或一氧化碳浓度超限，则分别置标志位为1，否则为0。(2)根据温度和一氧化碳浓度的标志位来判断是否发生火灾，如有火灾发生，则发出相应的警报：一氧化碳气体浓度、温度标志位只有一个为1时，发出警报I；一氧化碳浓度、温度标志位二者均为1时，发出警报II。

2 系统的硬件设计
    文中协调器节点和终端节点采用CC2430芯片作为处理器芯片，CC2430芯片以强大的IAR集成开发环境为支持，是TI／Chipcon公司推出的系统芯片(SoC)CMOS解决方案，支持2．4 GHz IEEE802．15．4 ZigBee协议。其片上集成了一个增强型工业标准的8位8051微控制器内核，片内资源丰富，外围支持电路简单、超低功耗、高灵敏度、出众的抗噪声及抗干扰能力，且所用元件均为低成本型，可支持快速、廉价的ZigB ee节点构建。结合了TI／Chipcon业界领先的ZigBee协议栈之后，CC2430被认为是市场上最具竞争力的ZigBee解决方案。
    系统的硬件设计由3部分组成：终端节点、协调器节点、电源设计。其中终端节点设计和协调器节点设计为文中的重点。
2．1 终端节点硬件设计
    设计中每个房间放置2个终端节点，分别与一个温度传感器和一个CO传感器相连，采集一氧化碳浓度和温度信息。其中CO传感器采用TGS 2442，是一种电阻式半导体气体传感器，其特点是低功耗、低成本、对一氧化碳选择性高、灵敏度高、寿命长、受湿度的影响小，抑制了对酒精的灵敏度，工作于极短的脉冲加热方式。TGS2442对一氧化碳有高选择性，所以适于一氧化碳气体检测。其内部电路如图2所示。

    VH用于维持敏感素子处于与对象气体(CO气体)相适应的特定温度而施加在集成的加热器上，VC则用于测定与传感器串联的负载电阻RL上的两端电压VOUT，当传感器探测到一氧化碳气体时，传感器的内阻RS变小，输出电压VOUT迅速上升，即一氧化碳气体浓度达到一定程度时，对应RS阻值会随之变化。CO传感器与终端节点连接如图3所示。

    温度传感器采用单总线智能温度传感器DS18B20，该器件为单片结构、体积小，外部只有3个引脚。与传统的热敏电阻相比，DS18B20不需运算放大器，可直接读出被测温度，并根据实际要求通过编程来实现9～12位的数字值读数。而且具有微型化、低功耗、高性能、易于微处理器连接和抗干扰能力强等优点，即适合与单片机构成智能温度检测系统。温度传感器与终端节点连接如图4所示。

2．2 协调器节点硬件设计
    协调器接收数据后，根据预先设定的规则，判断是否有火灾发生，其外围电路包括：蜂鸣器电路、状态指示灯电路、液晶显示电路等。
    (1)蜂鸣器电路。CC2430的P1.3口输出的是控制信号，Q1相当于一个电子开关，用于控制蜂鸣器的供电通断。当P1.3口输出高电平时，Q1饱和导通，LS1通电工作发出声响，当P1.3口输出为低电平时，Q1截止，蜂鸣器断电，停止工作。如图5所示。

    (2)状态指示灯电路。协调器节点外围电路包括两个状态指示灯，分别用于表示收发状态和火灾报警状态。CC2430所有的I／O口可单独设置为通用I／O口，或外设特殊功能I／O口。其中P1_0，P1_1口具备20 mA的电流驱动能力，为高输出I／O口，其他I／O口均具备4 mA的电流驱动能力。因此，采用CC2430的P1_0，P1_1口与两个LED灯连接，并在二者之间连接上270 Ω的保护电阻，发光二极管低电平有效，当I／O输出为低电平时，LED灯亮。如图6所示。

    (3)液晶显示电路。采用Nokia3310液晶显示屏来显示房间号，报警上限TH，实测温度和CO浓度信息。Nokia3310为84×48点阵液晶屏，工作电压为3．3 V，其与CC2430的SPI接口相连，如图7所示，文中采用PCD8544作为其控制驱动芯片，PCD8544是一块低功耗的CMOS LCD控制驱动器，适用于电池供电系统，芯片集成了LCD电压发生器、LCD偏置电压发生器、振荡器。PCD与CC2430的接口使用串行总线。

2．3 电源设计
    由于CC2430芯片的休眠模式功耗较低，其供电电压范围为2．0～3．6 V，并且两种传感器均采用5 V直流电源，因此终端节点采用2节干电池供电，并通过AH805升压稳压器将电压升至5 V，即数据采集部分电源提供3 V和5 V电压，其中3 V为CC2430芯片供电，5 V电压为传感器电路供电。

    而协调器节点是无线网络的中心，不适用低功耗休眠模式，需要长期供电，协调器节点采用交流供电方式，电源部分主要由变压器、整流桥、滤波电路、稳压管等部分构成，输出电压为±5 V的直流电压，再经过线性稳压芯片LP2985～3．3 V后输出3．3 V电压为协调器芯片CC2430供电。其电源原理图如图8所示。

3 系统的软件设计
3．1 数据采集软件设计
    数据采集中CC2430处理器对温度的处理有：配置温度量化分辨率、初始化、跳过ROM匹配、启动转换、匹配ROM、读取转换结果，对读取的温度数据首先进行CRC校验，然后进行正负数判断与格式转换，最后保存温度值。由于设计中每个终端节点只与一个温度传感器相连，无需进行ROM地址匹配，所以在DS18B20初始化复位后，MCU发送跳过ROM地址命令，DS18B20经过93．75 ms的延时，将温度数据存储在EEPROM中，如图9所示。

3．2 终端节点软件设计
    终端节点通电后，自动搜索网络并发送绑定请求，申请加入网络，在加入网络后，终端节点把自己的网络ID号发送至协调器节点，以供后期判断使用。终端节点采集到温度和CO气体数据先做一个预处理判断，当判断为有火灾情形时，将预报警信息送至RF发射端，通过无线网络传输给协调器节点。由于采用电池供电，为保证终端节点低功耗，设计巾采用定时／中断唤醒的方式采集并发送数据，即可以通过CC2430内部定时器定时唤醒，也呵通过协调器节点发送的中断来唤醒节点，剩余时间则进入休眠模式，如图10所示。

3．3 协调器节点软件设计
    协调器节点上电后先建立网络，建立成功后自动进入允许绑定模式，并对终端节点发送的绑定请求作出响应。绑定成功后，当协调器收到信息时，根据数据的第一个标识字符来判断是终端节点的网络地址还是终端节点采集的数据。协调器节点接收终端节点发送的网络地址(16位)并进行存储。当协调器节点收到终端节点采集的数据时，通过zb_Send Data Confirm指示应答。并进行数据处理判断，根据预先设定的规则，作出火灾报警的最终判决，如果确认有火灾发生，则蜂呜器、LED灯声光报警，并将温度、一氧化碳浓度信息在液晶上显示，其流程如图11所示。

4 系统测试
4．1 数据传输测试
    文中设计无线传输模块采用CC2430芯片，其数据传输速率最高为250 kbit·s-1，在较为理想的环境中，其室内传输距离可达10～15 m，室外传输距离可达10～100 m，实验测试分别在室内和室外进行数据传输测试，随机选取6组数据，其室内测试实验结果如表1所示。
    由表1可知，相隔3 m的距离，无线模块能快速准确的传输数据，相隔5～8 m的距离，无线模块也能较快速准确地传输数据，当相隔15 m的距离时，信号变得很微弱，基本上较难接收数据。分析得出结论：在室内，由于房间内各种障碍物的阻拦，无线传输信号削减较多。而在室外相隔10～20 m的距离，无线模块能较快速准确地传输数据，当距离达到30 m时，信号变得微弱，难以接收到数据。
4．2 报警测试
    报警测试在室内进行，在0203房间对应的终端节点位置产生泡沫明火；在0102房间对应的位置产生棉花阴燃火当系统检测到有火灾信息时，测得对应的房间号的一氧化碳浓度和温度信息，如表2所示：即22日10时23分46秒CO浓度超限报警，房间号为0203，实时温度为29．0℃(TH为33．0℃)，CO浓度为0．09％(NH为0．06％)。此时发出警报I——LED亮，蜂鸣器间隔1 s响一次，表示可能有火灾发生。而在22日13时07分18秒温度超限(TH为33℃)，一氧化碳浓度超限(NH为0．06％)，发出警报II，表示有火灾发生。

5 结束语
    文中采用星形网络来构建无线传输系统，当有火灾发生时，蜂鸣器、LED灯声光报警，并通过液晶显示对应的房间号、温度和一氧化碳浓度信息，用户可以主动查询某个房间的实时信息，并通过液晶显示。此系统开发成本低，性价比高，具有较好的应用前景和经济效益。