丁万，冯涣婷，胡帅，杨钰林

(江苏信息职业技术学院，江苏淮安，223000)

0 引言

消防安全尤其在大型的公共场所和重要的仓库中已成为安全检查的必要项，其中大部分应用场景均是可见的或是开放性场所。在实际生活中，我们常常会发现在货物运输过程中，时常有在运输途中因货物自身原因或受外部因素影响（如天气、温度等）发生火情，尤其在运输易燃易爆武物品时。此类货运车厢是封闭的，驾驶人员很难发现车厢内部的情况，往往由于车辆的高速行驶，导致发现车厢着火已经来不及扑灭，造成严重的经济财产损失，并且在正常行驶过程中，驾驶人员下车查看也可能会带来人身安全威胁，同时也会引发交通隐患。当火情发现时，自带的车载小型灭火器又无法及时有效的扑灭火灾，如若打开货厢门，大量空气涌入车厢，助使火情蔓延，货物会越烧越旺。驾驶人员发现火情后，采取一定程度上的灭火措施，为时已晚，只能减少部分的货物损失，由此可见灭火不及时则是造成财产损失的重要原因。

ZigBee作为一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术方案，可将数据从一个传感器传到另一个传感器，具有短距离、低速率、低功耗、低成本、通信安全可靠等特点，已广泛应用于消防安全领域的建筑物火灾报警系统中[1-5]。目前根据我们开展的相关调研以及市面查询还未发现运用于车厢自检自动报警灭火的装置，同样也确实缺失类似产品在运输过程中，对货物突发状况下发生火灾的预警和处理。因此，为了在货物运输过程中能够及时预测和处理火情，本文采用ZigBee无线传感技术，设计一种用于封闭空间的自动阻燃报警系统。

1 基于ZigBee技术的自动阻燃报警系统

1.1 系统总体设计

系统总体结构如图1所示，该系统主要由子类传感检测端、主控收发端和屏幕显示警报端三部分构成。子类传感检测端采用烟雾传感器、火焰传感器等多种传感器采集信息，传感器分布于车厢顶部各个区域，通过Zigbee无线传输模块将信息传输到主控单元。主控收发端接收来自子类传感器检测端的无线传感网信号，通过主控系统综合分析，并在此端进行物理控制与连接，与主控收发端连接的电磁阀和CO2灭火器属于外置装置，在不占用车厢正常体积下，安装于驾驶室与货厢之间的留空区域。屏幕显示警报端包括2.8inch的TFT显示屏幕、蜂鸣器，便于驾乘人员及时发现了解火情。当子端检测端检测到有火情爆发时，通过子端Zigbee无线传输模块把信号传输到主控端，当信号到达主控主板时，主板控制电磁阀的运作，释放灭火气瓶中二氧化碳气体进行灭火，并通过显示端Zigbee无线传输模块向驾驶室的驾驶员发出报警信号，通过屏幕直观呈现火情发生位置。

图1 封闭空间自动阻燃报警系统总体结构

1.2 系统硬件设计

1.2.1 子类传感检测端的硬件设计

子类传感器检测端硬件电路主要由LM393电压比较器、STM32F103C8单片机、YS-17红外接收模块、MQ-2烟雾传感模块、ZigBee无线传输模块、电源等组件构成，其电路结构图如图2所示，实物图如图3所示。MQ-2烟雾传感器与LM393电压比较器通过2脚电压与3脚连接进行电压检测比较通过1角输出比较结果，起到检测烟雾浓度变化检测，YS-17红外接收模块与MQ-2烟雾传感器，类似连接方式。YS-17红外接收模块与MQ-2烟雾传感器分别通过MQ-A和HY-A连接STM32F103C8单片机的P16、P17脚，MQ-D和HY-D连接STM32F103C8单片机的P332、P33脚实现实时火情监控。ZigBee模块的P14、P15脚连接STM32F103C8单片机的P12、P13脚实现数据功能的收发。TP4056锂电池管理模块通过BAT+脚与与51K电阻和1K电阻进行连接进行增强电路的稳定性，BAT ADC脚连接STM32F103C8单片机的P19脚连接实现电压管理，保护电路功能。子端检测模块将安装在密闭车厢顶端及中部顶端位置，内置电源进行供电工作。

图2 子传感器检测端电路结构图

图3 子传感器检测端实物图

1.2.2 主控收发端的硬件设计

主控收发端装置主要包括CH340G模块、Zigbee无线传感网模块和SRD-05VDC-SL-C继电器模块等部件，其电路结构图如图6所示，实物图如图5所示。CH340G是一个USB 总线的转接芯片，实现USB 转串口、USB 转IrDA 红外的功能。主控单片机根据火情信号控制继电器模块，继电器输出驱动电磁阀，从而控制灭火气瓶的开启与关闭。本文选用常闭型电磁阀，其实物图如图4所示，常闭型电磁阀通过导线连接在主控收发端的SRD-05VDC-SL-C继电器模块，优点为：连接稳定、无需外接电源、无延迟等。本设计选用CO2灭火气，灭火气瓶安装在车厢与驾驶室之间，通过在移动货箱内边角进行布置充气管，CO2可迅速充斥箱体并排除氧气到达不二次损害货物情况下灭火。

图4 常闭型电磁阀

图5 主控收发端实物图

图6 主控收发端电路结构图

1.2.3 屏幕显示警报端的硬件设计

屏幕显示警报端主要由Zigbee无线传感网模块、TFT显示模块EEPROM、霍尔传感器、温湿度传感器、实时时钟芯片、单路时基芯片等部件构成，其电路结构图如图8所示，实物图如图7所示。其中，本文采用TFT有源矩阵式液晶显示器，选用DS3231型I2C实时时钟。液晶显示器放置于驾驶室，以便驾驶人员可以第一时间了解车内火情大概区域发生位置，并有机会拨打救援电话，以防出现其他问题。此外，各子检测端及主控端均采用低功耗模块，可以在驾驶室屏幕端采用掉线提醒、电量提醒等方式进行预告。

图7 屏幕显示实物图

图8 屏幕显示警报端电路结构图

1.3 系统软件设计

该系统从功能上可以分为火情油监测与报警、子端信号与电池监测、主控电磁阀报警等几部分，根据各部分功能将程序分为主程序、火情监测报警程序、自动开启电磁阀报警程序以及紧急情况下的中断程序等子程序，其工作流程如图9所示。本程序采用C语言编码，实现自动检测阻燃报警装置功能。

图9 工作流程

2 系统测试

为了验证环境的准确性和火情信息采集的可靠性及系统响应的实时性，以一个近似密闭空间作为实验原型，通过改变子端检测个数和改变距离两种方式进行测试，实验数据如图表1所示，在大小两个不同车厢内安装不同个数的子端检测模块，通过反复对比和多次重复的方法分别进行了数据采集和报警阻燃响应测试。测试结果显示在近距离由单个到四个子端检测结果得出多个检测端口可以快速的检测出火情结果，在屏幕接收端和主控端的电磁阀开启响应也更及时，均可以在20s内监测并完成火情阻燃等效果，而在远距离单个到四个检测端出现延时大，丢包率问题严重导致测试结果不稳定，在消防系统中危害是致命的，相比于近距离更快速的扑灭火情来说对于火灾时间是非常宝贵的，虽然灭火时间都控制了在20s内的效果。主要问题在于（1）采用MQ系列传感器探测效果受环境因素影响，检测效果一般。（2）ZigBee无线传输距离较短，测试过程中穿透力不够，实验在理想环境中成功不能排除复杂环境的穿透力的探测。（3）对于YS系列火焰传感器反应时间较长，环境因素影响大，造成检测效果一般。通过分析发现ZigBee有较强的通信自愈能力，即通信

表1 采集与响应测试数据表

过程中可以进行自组网，若在其中增加冗余路由节点，并通过算法的改进可以很好的解决上述问题。

3 结论

本文针对封闭车厢运输货物过程中，因货物自身原因或受外部因素影响发生火情问题，提出火灾信号无线传输的检测和自动阻燃报警方法，对于目前市面上热门的检测装置进行了对比，选择了低成本、低功耗的ZigBee作为无线传输方式。并针对于基于ZigBee的无线传输技术的自动阻燃报警装置进行软硬件设计，采用STM32F103C8为核心的单片机、Zigbee 无线蓝牙传输模块，将传感器模块、主控模块和显示模块进行通信连接，实现对烟雾、火焰进行检测和报警自动阻燃对于在交通运输行业货运消防安全这一痛点进行了有效弥补，是一种更加高效、安全的交通运输灭火报警装置。一种基于ZigBee的无线传输技术的自动阻燃报警装置相比于传统的只检测不灭火的移动检测设备，具有明显的优势，体现了自动化灭火系统的便捷性、安全性、高效性、无线性的特点，具有较大的市场前景。