吴 辉 梁金桃 孙小通

（1.广州地铁设计研究院股份有限公司，广东 广州 510010；2.广州保得威尔电子科技股份有限公司，广东 广州 510535）

随着城市的发展，城市规模不断扩大，城市交通面临日益巨大的压力。在地面交通设施不能解决城市客运和货运的情况下，地下铁路运输已经成为一种非常重要的城市交通方式。我国大多数一线城市都有地铁系统或者正在进行地铁建设。地铁运输是缓解城市交通压力的重要方式，但地铁运输也存在一定程度的安全隐患，主要是来自火灾的威胁[1]。因为地铁系统的主体部分位于地下，并且运输的人员数量多且较为密集，逃生出口有限且狭小，所以一旦发生火灾将导致重大的生命和财产损失。地铁系统专业设置多，设备、管线布置密集，部分区域检修空间不足，探测效果不好，为了尽量减少设置管线，保证探测器及时、快速地探测到火情，有效地解决地铁消防安全问题，最理想的措施就是配置齐全的报警系统，能够在第一时间发现火灾并发出警报，为人员逃生争取更多的时间[2]。该文对基于无线通信技术的火灾自动报警系统进行研究，如何配置数量丰富的检测和报警节点，成为地铁火灾自动报警系统设计的关键。其中，无线通信技术是最佳的通信方案[3]。该文以地铁系统的火灾报警为研究对象，基于无线通信技术进行软硬件设计，进而通过试验加以验证。

1 地铁火灾自动报警系统无线通信节点的硬件设计

在无线通信技术框架下，每个无线节点配置主控芯片、传感器、无线通信模块，就可以监测地铁是否存在灾情。一旦发生火灾，就可以通过传感器采集到，进而一边报警一边将信息通过无线协议传输到上级控制系统。因此，无线通信节点即无线传感器节点是该文设计的重点。

在该文无线传感器网络节点设计中，选用了FPGA 作为主控芯片，选用ZigBee 协议作为无线通信的基础协议，因此，通过这两项核心技术进行相应的硬件设计。

先来构建无线传感器网络节点的硬件总体结构方案。因为选择了FPGA 芯片作为主控芯片，所以各部分功能的实现都要通过FPGA，ZigBee 无线通信模块也属于各种功能的一部分。依据这个思路，给出该文无线传感器网络节点硬件设计的总体方案如图1 所示。

从图1 可以看出，围绕着FPGA 芯片，周围分别设置了配置功能模块、电源功能模块、气雾传感器模块、二氧化碳传感器模块、显示模块、报警模块、串口通信功能模块、I/O 口功能模块。其中，串口通信功能模块可以和ZigBee 无线通信功能模块进行连接，I/O 口功能模块又进一步可以和数模转换模块进行连接。

图1 无线传感器网络节点硬件结构方案

其中，气雾传感器模块、二氧化碳传感器模块可以采集地铁内的环境信息，用于判断是否发生火灾。ZigBee 无线通信模块的功能是无线组网并与上位机联系。显示模块用于在采集处完成视频显示，提示现场人员逃离。报警模块通过蜂鸣器产生报警信息，用声音的形式提示现场人员逃离。

对应于这个总体结构方案，该文先要针对FPGA 核心处理器和ZigBee 协议处理模块进行主要芯片的选型工作。

1.1 FPGA 芯片选型

FPGA 芯片是该文无线传感器网络节点硬件结构中的核心处理器，最终选用Xilinx 公司的Spartan-3 型号的FPGA 芯片。这款FPGA 芯片的功能丰富、功耗管理性能优良，同时其成本低并且可以执行多域优化处理。

从制造工艺上看，Spartan-3 型号的FPGA 芯片，内置的门数目可以达到500 万个，逻辑单元的数量接近75000 个。

从集成功能上看，Spartan-3 型号的FPGA 芯片，整合了存储功能、I/O 功能、运算功能、逻辑功能、资源管理功能。

从外联部件上看，Spartan-3 型号的FPGA 芯片，可以连接稳压器部件、缓冲器部件、驱动器部件、电容部件等。

从复杂系统得定制性能上看，Spartan-3 型号的FPGA 芯片，具备了非常齐全的IP 库，特别有利于网络的快速定制。

在Spartan-3 系列中，该文最终选定了XC3S400 这一型号的芯片作为核心处理器芯片，该型号的FPGA 切片数目达到4032 个，分布式内存大小为56kB，块内存大小为288kB，内部时钟为4 个，输入输出结构为264 个，可用乘法器为16个。从这些技术参数可知，这种FPGA 芯片可以实现无线传感器网络节点的各种功能，包括ZigBee 无线通信功能的实现。

1.2 ZigBee 芯片选型

在该文的 ZigBee 无线通信模块中选取Chipcon 公司的CC2430 芯片。这款芯片广泛应用于智能家居领域、远程抄表领域、地下停车场监控领域、医疗服务监控领域、物联网领域。其协议标准为IEEE802.15.4，具有功耗低、抗干扰以及抗噪强等优点。在无线接收状态下，CC2430 芯片仅消耗27mA 的电流；在发送状态下，CC2430 芯片仅消耗25mA 的电流。

从结构上看，CC2430 芯片内置了高性能8051 控制器，配置了无线射频收发器，内置了14 位大小的A/D 转换器，配备了AES 安全控制器，内嵌1 个16 位计时器和2 个8 位计时器。

2 地铁火灾自动报警系统无线通信节点的软件设计

2.1 ZigBee 与上位机的通信软件设计

这部分的设计是为了测试 ZigBee 无线通信模块上串口功能的有效性。从硬件上将ZigBee 无线通信模块的串口和PC 上的串口进行连接，进而通过相应的软件设计实现串口之间的通信过程。

相应的软件设计流程如图2 所示。

从图2 中所示的流程可知，当ZigBee 无线通信模块上电以后，先检测LED 指示灯的状态，进而对串口执行初始化处理，然后开始向PC 机发送接通的初始数据信息，接收到来自PC 的反馈信息后，开始向PC 串口发送数据信息。

图2 ZigBee 模块与上位机通信的软件设计流程

2.2 ZigBee 模块间的通信软件设计

在无线传感器网络的实际组网和使用过程中，各个节点之间的通信就是通过ZigBee模块之间的无线通信实现的。因此，该文对ZigBee 模块之间的通信进行相应的软件设计。

软件设计的具体流程如图3 所示。

图3 ZigBee 模块之间通信的软件设计流程

从这个流程图中可以看出，先分别设定2个ZigBee 模块通信的源地址和目的地址，之后进行射频工作的初始化处理。这个初始化的工作需要在DMA 管理模块中申请通信所用的传输信道，以及配置无线通信过程的发送频率信息等。初始化工作完成后，设定发送次数有关的计数器状态，2 个ZigBee 模块分别进入发送状态和接收状态。

两个ZigBee 模块中的LED 指示灯轮流闪烁，标志着模块之间的通信过程在持续进行。

2.3 无线模块显示功能软件设计

在地铁火灾监测系统中，每个无线节点上的显示模块和报警模块，是用于提示人群躲避火灾的重要模块。其中，报警模块采用蜂鸣器，其软件控制比较简单。显示模块则需要给出详细的软件设计。

显示功能可以使地铁内的人员直接查看是否发生火灾以及是否需要疏散的信息。该文的显示模块，在硬件上选用了12864 型号的LCD 液晶显示模块。这个芯片上设置三种不同类型的控制接口，即1 个8 位的处理器接口、1 个4 位的处理器接口、1 个串口。从功能封装上来看，包括内存显示和字型设置的所有功能都集成在这个芯片中，使用这些功能时只需要1 个处理器即可。

12864 型号的LCD 液晶显示模块的具体功能包括显示屏画面清楚功能、开关显示功能、光标的移位处理和归位处理功能、光标的显示处理功能和隐藏处理功能、显示屏垂直画面的旋转功能、模块整体的待机处理功能、显示屏的反色处理功能。

从显示字型上看，12864 型号的LCD 液晶显示模块的ROM 中封装了8192 种中文字型，同时还提供了一个64×256 个点阵的显示绘图区域。显示模块的流程图设计如图4 所示。

3 地铁火灾自动报警系统验证试验

为了验证该文设计的基于无线通信技术的地铁火灾报警系统的有效性，接下来进行测试试验。测试的过程中，以一个100m2的密闭房间为试验场地，以消防演习用烟饼点燃作为模拟火源。点燃烟饼后，将产生烟雾、二氧化碳气体。在整个密闭试验场地内的随机位置处，布置10 个该文设计的无线传感器节点。

这10 个节点采集的气雾浓度变化见表1。

为了便于直观地显示表1 中的数据，将其绘制成曲线的形式，如图5 所示。

根据表1 中的数据和图5 中的曲线结果可知：随着试验的进行，试验环境内气雾浓度的增加，10 个无线节点采集到的气雾浓度信息都发生了变化。但是变化的强弱和变化的时间存在一定差异，这与10 个无线节点所在的位置不同有关。但无论位置如何，10 个无线节点都采集到了气雾浓度的异常信息，当气雾浓度超过10%以后，节点的显示模版和报警模块，分别通过视频和声音的形式发出警报，从而证明了该文研究对地铁内火灾自动报警是准确、有效和实时的。

图5 无线通信节点采集的气雾浓度变化曲线

表1 试验中10 个节点采集气雾浓度的变化

4 结论

因地下空间局促和逃生口数有限等条件的限制，地铁空间内发生火灾将造成重大的生命和财产损失。为此，该文依托无线通信技术设计了地铁火灾自动报警系统。这一套系统，以FPGA 为核心控制芯片，以ZigBee 技术为无线通信协议。每个无线节点上分别设置了配置气雾传感器、二氧化碳传感器、显示模块、报警模块、无线通信功能模块。在硬件设计的基础上，进一步对每个无线节点的通信功能进行了软件设计，给出了具体的流程图。验证试验表明：参与试验的10 个无线节点，气雾传感器准确监测到火灾的发生，并能通过显示模块和报警模块以视频和声音的形式报警，而无线通信模块也将火灾监测信息顺利发送到上位机。后续对笔者技术对无线探测的运营管理方式进行探索，推进无线火灾探测技术在地铁环境的实际应用。