卞勇

摘 要： 利用传感器技术对环境中的烟雾、一氧化碳、温度等常见的环境量进行检测并采集，通过Zigbee和以太网将采集到的数据传递至网关节点，经过处理后通过串口通信模块传至系统处理器。实验证明，该系统的数据传递和处理质量可靠，能满足学生宿舍火灾自动报警的各种要求。

关键词： 火灾自动报警； ZigBee； 网关节点

中图分类号： TU 892 文献标志码： A 文章编号： 1671-2153（2016）02-0092-03

0 引 言

目前，Zigbee技术在火灾自动报警系统中的运用是选用Zigbee网络使用星形拓扑结构并运用Zigbee协调器形成网络。Zigbee终端把采集的学生宿舍环境量发给Zigbee协调器， Zigbee协调器再通过串口把数据转发给处理器，处理器软件收到数据后，将数据和正常数值进行对比，如发现有异常，立即发出警报。

1 传统火灾报警系统中存在的弊端

在火灾自动报警系统中， 由于大部分Zigbee网络选用的是星形拓扑结构， Zigbee无线网络不可能无限大，在网络中的子节点个数最多为255个节点。节点太多时， Zigbee协调器就会面临严峻的考验。协调器要处理的请求数增加， 由于协调器的能力有限，这样势必会增加延迟处理节点的概率，不能有效地对现场环境进行实时的控制。在Zigbee的网络中， Zigbee节点和节点之间的通信距离有限，芯片CC2430在不加天线的情况下，发送距离为10 m；Zigbee节点与节点之间的无线信号对穿透障碍物有极大的衰减。

2 自动报警系统中组网模式改进设计

2.1 Zigbee网络和以太网异质网络设计

针对Zigbee组网在火灾自动报警系统应用中存在的问题，本文提出了Zigbee加以太网的组网结构（图1）。对外遵循传统的火灾自动报警系统设计，通过Web服务器与外部Internet进行网络通信，内部是Zigbee和以太网组成的异质网。

Zigbee和以太网的异质网由两个部分组成：传统以太网和Zigbee网络组网。以太网以有线的形式存在，容易穿透障碍物，Zigbee无线网解决空旷地带网络传输，这样就很容易解决Zigbee网络中存在的不足，取长补短。

2.2 异质网单个节点设计

ZigBee和以太网的异质网从物理上划分为很多的单个网络节点，每个节由1个单独的ZigBee网络和以太网模块组成， 各个节点之间通过交换器相互连接在一起。在每个网络节点中，把ZigBee网络的协调器和以太网模块设计在一个PCB板子上，并将这个PCB板设为基站，其中协调器和以太网模块通过串口相互连接，节点下面ZigBee的终端通过无线跟协调器相互连接（如图2所示）。

3 火灾自动报警系统硬件设计

该系统主要是通过温度、烟雾、CO传感器将环境量传至Zigbee协调器，经Zigbee协调器通过串口将数据传给以太网节点（LM3S9B92），再经过交换机等网络设备最终传给处理器，处理器会对数据进行处理，判断是否要发给GSM模块进行发送或者报警，另外还要处理来自监控中心的指令和保安的查询指令等，并且要控制其他硬件平台。系统的硬件结构如图3所示。

3.1 处理器模块

根据比较和设计的需求，该系统使用TI的MSP430，这款处理器处理能力强，保证了其编出高效的源程序；运算速度快，能实现数字信号处理的FFT算法等；功耗低，在RAM保护模式下可达到0.1μA。

3.2 Zigbee模块

本系统使用CC2430 为ZigBee 模块的核心芯片，它是基于2.4G IEEE 802.15.4 的芯片，可以以较低的成本建立强大的网络节点，拥有领先的射频收发器功能，有较高的灵敏度和抗干扰能力，适用于ZigBee系统设计、家居自动化、工业控制、低功耗传感器网络（WSN）等多个领域。

3.3 传感器模块

温度传感器选用TI 公司推出的具备SMBus/ 双线串行接口的低功耗数字温度传感器TMP102，该器件采用SOT563 封装，包含引线的高度仅为0.6 mm。无需其他外部元件，TMP102 便可以读取分辨率为0.0625 ℃的温度；烟雾传感器选用离子式烟雾传感器，它在内外电离室里面有放射源镅241，电离产生的正、负离子，在电场的作用下各自向正负电极移动；CO 传感器选用MQ-7 一氧化碳气体传感器作为CO检测元件，这种气体传感器对CO 响应的选择性好，并具有很高的灵敏度、可靠的稳定性和长期的使用寿命，可检测多种含CO 的气体。

3.4 以太网节点

以太网节点选用TI公司的LM3S9B92， LM3S9B92中集成了以太网控制器，它的外设有无线收发模块、液晶显示屏模块、EEPROM、RTC实时时钟芯片以及电源、看门狗、JTAG调试接口等外围电路。Zigbee网络与以太网网络的连接是通过Zigbee的协调器串口和LM3S9B92的串口相连接，如图2所示。

3.5 GSM模块

GSM模块是一个支持中文短信息的工业级模块，该模块性能稳定、价格低廉，可传输语音和数据信号，作为TC35i的核心基带处理器主要处理GSM终端内的语音和数据信号，并涵盖了蜂窝射频设备中的所有模拟和数字功能。本系统中MSP430 处理器通过自带UART 模块实现与GSM 模块（TC35i 模块） 的串行通信。

4 火灾自动报警系统软件流程设计

监控系统的工作流程是由集成传感器采集数据，将数据上传至Zigbee协调器，经过串口RS232传至以太网节点，经过交换机最终上传到处理器，处理器对数据进行分析比较，如果采集的数据超过设定值，单片机将驱动发光报警，并将信号通过GSM发给当值保安。系统主程序流程如图4所示。

5 结束语

本文设计一种基于ZigBee和以太网技术的学生宿舍火灾自动报警系统。系统使用Zigbee无线技术加以太网有线传输实现火灾传感器信号的传输，有效地克服了Zigbee技术上传输距离短、穿透衰减大等缺点，采用的CC2430 和MSP430 功耗低，能够满足分布式消防系统的实用要求，市场化成本低，有效的减少了火灾对学生生命财产的危害的可能性，提高了消防系统的智能化水平。

参考文献：

[1] 张辉，陈古典. 基于物联网的城市消防远程监控系统[J]. 信息化研究，2010，36（10）：55-58.

[2] 张翔. 基于物联网技术的火灾自动报警系统研究[J]. 防灾科技学院学报，2011，13（1）：51-55.

[3] 段胜安，葛泉波，杜明. 新型智能消防系统的硬件平台构建与研发[J]. 计算机研究与发展，2011，48（z2）：284-289.

[4] 施邦平. 基于ZigBee的无线传感器网络在灭火救援中的应用. 消防科学与技术，2009，28（2）：2-4.

[5] 李小杰，秦毅. 浅析无线网络在楼宇消防报警系统中应用的可行性[J]. 天津科技，2011，38（1）：61-62.

[6] 陈鲤文，邹复民，陈国取. 基于英飞凌方案的无线通信终端设计[J]. 电子设计工程，2011，19（21）：80-83.

[7] 徐方荣. 无线智能家居控制系统设计[J]. 现代建筑电气，2010（1）：24-28.

（责任编辑：徐兴华）