邓理文，刘晓军，扶宣伊，贾 南

(中国人民警察大学，河北 廊坊 065000)

建筑物内部的火灾探测系统承担火灾初期的探测工作，并为后续的火灾联动系统提供信号支持。目前，建筑物内设置的火灾探测系统大多采用有线连接，有线系统数据传输比较稳定，很少存在掉包漏数据的情况，但在一些特定场所，如古建筑、老旧居民小区或者未安装火灾报警系统需后续加装的场所等，有线系统就存在布线困难的问题。无线火灾报警系统利用无线传感技术，不仅解决了布线困难、安装不灵活等问题，而且还能与智能建筑设施结合，为消防救援和日常管理提供更多的有效信息。

1 无线火灾探测技术

近年来，国内外出现了无线火灾报警系统，这种系统的出现得益于微电子技术和通信技术的快速发展，也弥补了有线制系统在特定场所布线困难的缺点。目前应用较多的几种无线通信技术有：RFID无线射频技术，WiFi无线网络通信技术，Bluetooth蓝牙技术，UWB超宽带技术以及ZigBee无线通信技术。表1列出了这几种技术的技术参数[1]。通过表中对比发现，ZigBee技术成本低、功耗小，其通信速率可以满足一般的低速率数据传输需求，故本文采用ZigBee技术作为无线火灾探测系统的传输方式，并对其网络的软硬件进行设计。

表1 技术参数

2 基于ZigBee的无线火灾探测系统

2.1 ZigBee网络及协议

ZigBee的组网系统一般包括协调器、路由器、终端三种设备。其中协调器是整个网络的核心，负责网络的初始化和对其他设备进行分址，所有的数据都汇集于此，通过协调器再传输到PC端[2]。一个ZigBee网络一般只有一个协调器，所以这个协调器必须是全功能设备，且对它的日常维护也非常重要。路由器相当于传输过程中的中继站，终端如果离协调器太远，超过了额定传输距离，就可在网络中加入路由器，数据从终端流出通过路由器传送给协调器。ZigBee的组网方式一般有星型、簇型、网状三种，如图1所示。星型组网是最简单的组网方式，终端设备直接将数据信息传给协调器，且终端设备间的信息传递也需要通过协调器进行中转，所以这种组网方式需要限制终端的数量，从而导致网络的通信距离缩短。簇型组网又称树状组网，几个终端设备可将信息汇集到路由节点，再由路由节点传输至协调器，这种组网方式可降低节点能耗，延长网络寿命，不过一旦路由节点损坏，就会造成相应区域的数据瘫痪。网状组网是节点之间完全点对点传输，终端节点会自动搜寻周边加入到网关节点最短路径的节点，但这种组网方式能耗大，并且网络中节点的信标不统一[3]。

图1 ZigBee组网方式

ZigBee网络协议采用分层结构，每一层都有各自的任务。其中PHY(物理层)负责射频信号的接收与发射，信号频率的选择，根据IEEE 802.15.4标准，ZigBee信号可在868～868.6 MHz、902～928 MHz、2 400～2 483.5 MHz三种频道上工作；MAC(网络层)作用是网络信标的分配和接收，确保设备的同步时隙，为两个设备间的连接提供可靠的保证；NWK层是为节点的加入和离开分配路由；APL层负责维持绑定路由表和转发两个绑定设备间的信息，对设备进行定义，以及负责发送和接收数据[4]。

2.2 基于ZigBee的无线火灾报警硬件设计

无线火灾报警系统由主机、协调器、路由器和终端四部分组成。为充分体现各节点的工作方式，本次试验组网方式采用网状组网，其中终端为探测节点，可对温度、烟雾浓度和CO浓度信号进行采集，路由节点接受采集信息并将数据传输至网关节点，最后网关节点通过串口上传至主机，系统组成如图2所示。探测用的温度传感器为DS18B20数字式温度传感器，它采用导热性较高的密封胶灌封，具有高灵敏性，且温度延迟小；MQ-2气体传感器利用电导率随烟雾浓度的增大而增加，通过电压的变化作为输出信号，可检测可燃气体和水蒸气，火灾产生的烟雾为多种可燃气体和水蒸气的混合物，所以可将它作为烟雾探测器；MQ-7气体传感器采用在空气中电导率低的二氧化锡(SnO2)作为气敏材料，利用高低温循环检测方式检测CO，传感器的电导率随空气中CO气体浓度的增加而增大，从而转化为电压的变化作为输出信号，MQ-7传感器成本低，使用范围广，安装方便，作为本系统CO探测器较合适。射频芯片采用TI公司生产的CC2530，这款芯片结合了RF收发器的优良性能，具备良好的射频功能，CPU采用增强型的8051CPU，可在芯片内编写程序，在单片机内实现功能[5]。同时，CC2530具有多种运行模式，使得它尤其适应超低功耗要求的系统。最重要的是，CC2530结合了德州仪器的黄金单元ZigBee协议栈(Z-Stack)，适用于ZigBee无线传输系统的开发。

图2 无线火灾报警系统组成图

2.2.1 传感器模块的硬件设计

DS18B20是常用的数字温度传感器，测温范围-55～+125 ℃，工作电源是DC3.0～5.5 V，直接输出数字信号。其独特的单线接口方式，使其与单片机等微处理器连接时仅需要一条口线即可实现双线通信；并且它的体积小，可将其封装后应用于多种场合。每片DS18B20都有唯一的一个可读出的序列号，同时DS18B20还采用了寄生电源技术，可以不用外接电源，特别适合于多点测温系统。由于DS18B20的数据线要求空闲状态为高电平，所以可以在DS18B20的数据线与电源线VCC之间加一个4.7 K的上拉电阻。此次设计使用的是给DS18B20外接电源的方式，如图3所示。

图3 CC2530与DS18B20连接

MQ-2烟雾传感器与CC2530的连接电路如图4所示。图中R是限流电阻，用来限制报警电流，防止报警电流过大损坏探测器。但是也不能太小，否则报警不明显或失效，这里限流电阻取3 K。此时报警电流为6 mA，报警后探测器两端电压为6.5 V。MQ-7CO传感器与MQ-2类似，连接方式如图5。

图4 CC2530与MQ-2的连接

图5 CC2530与MQ-7的连接

2.2.2 路由节点的硬件设计

ZigBee是一个多跳网络，需要路由对数据进行中继[6]。路由节点的主要功能是信息的中继与传输，所以节点硬件设计同终端节点类似。在本系统中，路由节点的主要工作是将三种火灾探测参量传送至协调节点，并为每一组数据找寻一条最佳路径。这条最佳路径的选择可通过计算不同路径的开销来实现，有最低路径开销的路由成功发送数据包的几率最大。通过路由节点组网，可以大大提高通信速度，减轻网络系统的通信负荷，节约网络系统资源，提高网络系统的畅通率，从而让网络系统发挥更大效益。路由节点构成如图6所示。

图6 路由节点基本构成

2.2.3 网关节点的硬件设计

在实际应用中，网关节点要完成网络的维护、数据的上传、命令的下达、系统的监测和管理等功能，所以需要长时间不间断运行，功耗较大，因而网关节点最好工作在有外接电源或容量较大的电池供电的条件下，这样才能保证系统长时间连续工作。网关节点的硬件结构如图7所示。网关节点主要构成：微处理器+无线模块+USB接口+JTAG接口+以太网+存储设备。

图7 网关节点硬件结构图

微处理器采用MSP430，功耗低、性能稳定，可对采集的火灾信息进行处理；无线模块采用CC2530，通过SPI接口与单片机相连，可完成设置和收发数据的功能，使用RESETn引脚可将芯片复位，VREG_EN引脚调整CC2530的电压，产生所需的1.8 V电压，在芯片内部配有PCB天线完成通信；节点采用CH340G转换芯片，将IO口转换为USB口与电脑相连，数据经过无线模块的接收，通过串口将数据上传至串口调试助手，Labview上位机再调用串口数据，可对数据进行处理；SDRAM和FLASH分别为内部存储和外部存储设备，负责存储采集的火灾信息和设定的程序；JTAG调试接口用于对芯片程序进行烧写，以太网接口用于与网络平台实现数据共享。在网关节点设置了总报警灯，当任一报警参数超过设计阈值时，总报警灯D6常亮。

2.3 基于ZigBee的无线报警软件设计

基于ZigBee的无线火灾探测系统在软件上实现的功能包括网络的组建、火灾参量的采集与判断、主机监控界面的设计。软件的设计使用C语言在IAR平台下实现。其中网关节点负责建立网络，分配网络的PANID，同时还要兼具数据的发送和接收，向其他节点发送命令，并接收路由或终端节点发送的数据信息。最后通过串口接收PC的命令，并将信息传输至PC。路由节点开机后会自动扫描网络，然后加入网络，在接收到其他节点的数据后，会首先判断其发送的目的地址，如这个地址不是本身地址，则将此信息转发至目的地址。终端节点负责数据的采集与传输，在接收到协调器发送的命令后，将采集的数据发送至其他节点。网络的组建直接通过现有的Z-Stack协议实现，数据采集与判断需要对传感器节点进行编号，然后通过C语言和IAR平台对单片机进行程序烧写。上位机采用Labview进行设计，消防控制室的主机可直接调用Labview程序，在程序中进行设定，当只有发生报警时，才把报警信号传输至火灾监控主机，不仅能实时监控温度、烟雾浓度、CO浓度的值，还能对报警结果和历史数据进行查询。

2.3.1 终端软件设计

终端节点在加入网络前，必须要对协议栈、时钟、硬件等进行初始化，然后节点会自动搜索周围的信道，当找到可利用的信道时，会立即向协调器发送一个入网请求，若收到协调器分配的地址和入网响应帧，则表明入网成功。这时，终端节点会周期性的对周围环境的火灾特征参数进行采集，此时使用CSMA-CA方式发送数据给协调器，即当设备想要发送信息时，必须要先执行一条空闲信道评估指令来确保该信道没有被其他设备占用，然后才发送信号。终端主程序软件设计流程图如图8所示。

图8 终端节点软件设计流程图

2.3.2 协调器软件设计

协调器首先要进行初始化工作，即对整个ZigBee网络的协议栈和设备进行初始化，然后才能进行组网；此时协调器会为网络选择一个唯一的PAN标识符，当协调器收到其他设备的入网请求时，协调器会为设备分配一个16位的短地址，网络的PAN标识符使得网络中的设备可以使用这个地址与其他设备通信，而后协调器会发送一个入网响应帧给设备，当设备接收到这个响应帧时，表明此设备入网成功，协调器此时可接收设备发送的数据信息[7]。若需要后续在此网络中添加节点，协调器会周期性地监测周围环境中是否有终端或路由器发送的入网请求，这也进一步体现了ZigBee网络的组网灵活性。协调器主程序软件设计流程图如图9所示。

图9 协调器软件设计流程图

2.3.3 上位机设计与测试

上位机采用Labview进行设计，界面实时显示温度、烟雾浓度、CO浓度值，可对报警结果和历史数据进行查询。通过设置报警阈值，当采集的参数值超过设定值时，实时报警并显示报警结果，在界面最下方设计了总报警显示，当三种火灾探测参数有一种超过报警阈值时，总报警灯亮起。测试前，要对系统的硬件和软件进行调试，硬件保证连线的正确与可靠，并利用串口调试助手观察数据能否上传；对各设备的软件程序进行下载，包括终端节点和路由节点的采集与传输，网关节点的地址分配和类型设置；对电脑监控界面进行设置，包括串口通信波特率的设置等。本实验串口设置为12 800 bps，通过查看电脑资源配置属性，可得到串口号，串口资源为COM5，数据比特率8，输出数据为十六进制显示，无校验位。界面如图10所示，参考一般火灾探测器阈值的经验值，考虑现场环境因素，将温度报警阈值设定为50 ℃，烟雾报警阈值和CO报警阈值分别为50%和50%。为验证报警效果，采用打火机对系统进行测试，将打火机火靠近探测节点，系统采集到的实时数据如图10所示。此时环境实时温度为27 ℃，未达到报警温度上线，温度报警灯不亮；实时烟雾显示值为40%，烟雾报警灯不亮；实时CO显示值为71%，

图10 上位机显示界面

超过报警阈值，CO报警灯亮起，并且此时总报警灯亮起。

此次试验证明本系统能对环境温度、烟浓度、CO浓度进行实时采集，并通过无线传输的方式将数据传至电脑，报警阈值设定有效，报警逻辑正确无误。

3 结论

本文针对传统有线火灾探测方式的局限性，提出火灾信号无线传输的探测方法，对目前比较热门的无线传输方式进行了对比，选择了成本低、耗电量小的ZigBee作为无线传输方式。并对基于ZigBee的无线火灾探测网络进行软硬件设计，采用CC2530单片机+不同传感器完成实物模型搭建，能在上位机实现对温度、烟浓度、CO浓度的探测报警。在试验过程中，也发现了一些问题：(1)ZigBee无线传输方式传输距离短，本试验设备条件下最多只能达到6 m；穿透性弱，易受到墙等阻隔物的影响，无法满足大空间、障碍物较多场所的探测。(2)采用的MQ系列传感器易受到环境因素干扰，探测效果一般。(3)报警算法采用阈值法报警，在进行打火机火试验时，不能将打火机火判定为干扰火源，发生误报警。如果将三种参数进行数据融合，采用智能算法进行处理，得到的报警结果应该会更准确。