基于无线传感网络的智能防火报警系统设计

王艳春

（蚌埠学院 机械与电子工程系，安徽 蚌埠 233030）

现代社会空前发展，尤其在城市地区，社会人口相对集中，建筑设施鳞次栉比，一旦发生火灾，会严重危害人们的生命财产安全，造成惨重的损失.据世界火灾统计中心及欧洲共同体研究测算，如火灾直接损失占国民经济生产总值的2‰，整个火灾的损失将占国民经济生产总值的10%以上[1]，因此，我国政府高度重视消防安全工作，用于探测火灾的防火报警系统也成为人们广泛关注的技术热点.

针对传统的防火报警系统存在的数据采集成本高，布线复杂、维护困难、无法远程访问等问题，本文设计了一种基于无线传感网路的智能防火报警系统，介绍了其硬件结构及软件设计.该系统通过设置在监控区域的各种无线传感器，如温度传感器、可燃气体探测器和火焰传感器等采集数据，实时获得监控区域的各种环境参数，监测火灾信号，并通过无线传感网络将获得的信息传送给监控中心[2,3]，监控中心通过LabVIEW软件显示现场状况，判断火灾的发生并进行实时控制，从而减小火灾发生的概率.

1 系统检测原理

Zigbee技术是一种新兴的短距离、低功耗无线通信技术，由于功耗低，非常适合应用于工业控制、传感器网络、安全系统、家庭监控等场合.ZigBee技术的主要优点有：一是低功耗.ZigBee的传输速率低,发射功率仅为1mW，而且采用了休眠模式，功耗低，可以确保两节五号电池支持长达6个月到1年半左右的使用时间；二是网络的自组织、自愈能力强，通信可靠.三是网络容量大，每个Zigbee网络最多可支持255个设备.四是时延短.典型搜索设备时延为30ms，休眠激活时延为15ms，活动设备信道接入时延为15ms.五是成本低.因为Zigbee数据传输速率低,协议简单，所以大大降低了成本，且Zigbee协议免收专利费[4-7].基于上述原因，本文设计了一种基于ZigBee技术的智能防火报警系统，结合单片机技术、无线传输技术和传感器技术，根据火灾发生时产生的温度、烟雾和火光变化等信息，通过无线传感器感测信号，综合分析判断火灾是否发生.如果确实发生火灾，通过无线传感网络实时向监控中心发送火灾报警信息和火灾地点，完成了对监控区域火灾情形的实时监测和报警.

2 系统硬件设计

2.1 总体结构

根据ZigBee技术的标准和特点，设计了由多无线传感器节点，协调器节点和火灾监控中心（PC）组成的基于无线传感器网络的智能防火报警系统，其总体结构如图1所示.其中，无线传感器节点通过ZigBee无线技术与协调器进行信息的交换；协调器则以无线的方式连接无线传感器网络，并通过串口与火灾监控中心进行通信.监控中心对上传的数据进行数据分析并发出报警信号.系统中各无线传感器节点采用立体式安装、密集并可控地分布在检测区域内，不仅能够监测自身周围温度和烟雾浓度等参数，还能够通过多节点协作，将相关数据传送到监控中心，并能够在个别网络节点失效后能够快速自组织地重建网络拓扑；监控中心能够以中断方式接收无线传感器节点发送来的数据，还能够对指定传感器节点的数据进行查询.在实践过程中，可根据监测区域大小和监测内容，增加或减少传感器节点，做小许改动即可.当监测区域较大时，可用增加无线传感器节点的方法来保证网络的连通性；当监测区域较小时，可根据情况减少路由器节点设置，以节省系统资源，降低成本.

图1 系统总体结构图

2.2 无线传感器网络节点

无线传感器网络节点是组成防火报警系统的基本单位，其在ZigBee无线网络中的任务是采集传感器的物理信息，并将其数字化后，经由无线网络发送至协调器节点，从而完成信息采集和数据传递的功能.本系统中无线传感器网络节点采用TI公司生产的CC2530芯片进行设计.CC2530是Zig-Bee应用的一个片上系统（SoC），它结合了领先的RF收发器、标准的增强型8051 CPU、系统内可编程闪存、8-KB RAM和许多其他强大的功能，无线传输距离可达100米.CC2530具有不同的运行模式，尤其适应超低功耗要求的系统，运行模式之间的转换时间短进一步确保了低能源消耗[8].无线传感器网络节点采用模块化设计，包括数据采集模块、数据处理模块、无线通信模块和电源模块四个部分，其组成结构如图2所示.电源模块给CC2530模块供电3.3V.

图2 无线传感器网络节点结构图

2.3 传感器模块

传感器模块由温度传感器、可燃气体探测器和火焰传感器三部分组成.其中温度传感器采用高精度模拟输出CMOS温度传感器LM94022，灵敏度选择-5.5mV/℃，所以LM94022的GS0和GS1端口都接地，温度信号调理电路如图3所示.温度传感器信号经信号调理后输出模拟量，接入CC2530模块内置ADC转换器的1通道，即CC2530 I/O端口的P0.1.

图3 温度信号调理电路图

可燃气体探测器采用MQ-2气体传感器.当传感器所处环境中存在可燃气体时，传感器的电导率随空气中可燃气体浓度的增加而增大，使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的电压输出信号.该传感器是一款适合多种应用的低成本传感器，可检测多种可燃性气体，对液化气、丙烷、氢气的灵敏度高，对天然气和其它可燃蒸汽的检测也很理想.该传感器输出信号一般比较微弱，需要经过前置电路进行放大，才能满足单片机对输入信号的要求，其信号调理电路如图4所示.因该传感器属于电阻型，因此只需外接滑动变阻器R7，再经过一个放大电路，即可发送给ADC采集.通过调节R7的阻值控制传感器的输出电压，再经信号调理后，接入CC2530模块内置ADC转换器的2通道，即CC2530 I/O端口的P0.2.

图4 气体探测器信号调理电路图

火焰传感器采用JNHB1004.JNHB1004是一种远红外火焰传感器，能够探测到波长在760～1100纳米范围内的红外光，在使用过程中应注意火焰探头离火焰的距离不能太近，以免造成损坏.将外界远红外光的变化转化为电流的变化，在电阻上产生电压，范围为0～5V.当周围有火源产生时，火焰传感器JNHB1004会探测到空气中红外线强度的变化，外界红外光越强，输出电压值越小；红外光越弱，输出电压值越大.根据函数返回值的变化能判断红外光线的强弱，从而大致判别出是否发生火灾.火焰传感器输出的1引脚接+5V电源，2引脚串接47K电阻接地，再并联接入CC2530模块内置ADC转换器的通道3，即CC2530 I/O端口的P0.3.

报警电路采用双声报警电路，接入CC2530 I/O端口的P1.2.当温度传感器、可燃气体探测器、火焰传感器采集到的3路数据中有2路以上的数据值超过事先设定的报警上限值，则CC2530模块的P1.2端输出高电平，驱动双声报警.

3 软件设计

因为系统硬件选用的ZigBee芯片为CC2530，故系统软件采用目前通用的开发环境IAR Embedded Workbench for 8051，编程语言为C语言.系统软件设计主要包括传感器节点程序设计和协调器节点程序设计两个部分.传感器节点程序设计和协调器节点程序设计主要由发射模块和接收模块两部分组成，包括初始化程序、发射程序和接收程序.初始化程序主要是对单片机、射频芯片、SPI等进行处理.发射程序将建立的数据包通过单片机SPI接口送至射频发生模块输出；接收程序完成数据的接收并进行处理.发射模块完成火灾的探测，把检测到的信息准确无误的发送给接收模块；接收模块接收到发射模块的信息后，通过串口与火灾监控中心进行通信.监控中心上位机利用Lab-VIEW软件显示火灾地址和现场情况.

4 结束语

基于无线传感网络的防火报警系统，组网灵活，维护方便，易于扩展，克服了传统有线防火报警系统线路易老化磨损，故障发生率高、误报警率高等缺点.但该系统由于采用无线传输技术，通信中存在信息传输安全以及节点的处理能力和通信能力相对较弱等缺点，在未来将对该系统将会做进一步改进.

〔1〕周爱桃,景国勋,孙纲,刘冬华.改进的灰色预测模型在火灾事故预测中的应用[J].中国安全生产科学技术,2006,2(1):62-64.

〔2〕Akyildiz F, Su W, Sankarasubramaniam Y，CayirciE. Wireless sensor networks:A survey[J].Computer Networks,2002,38(4):393-422.

〔3〕陈涛,刘景泰,邴志刚.无线传感网络研究与运用综述[J].自动化与仪表,2005(7):41-46.

〔4〕瞿雷,刘盛德,胡咸斌.ZigBee 技术及应用[M].北京:北京航空航天大学出版社,2007．

〔5〕杨福宝.基于ZigBee 无线传感器网络节点的研究[J].制造业自动化,2011,33(19):85-88.

〔6〕徐勇,栾晓明,王丹.基于ZigBee 技术的智能照明系统设计[J]. 国外电子测量技术,2010,29(1):42-45.

〔7〕万文斌,石勇.基于ZigBee 的智能开关控制系统的应用与设计[J].电气自动化,2010,32(3):57-59.

〔8〕郭启军,张浩然,姜彬.基于GPRS 的嵌入式无线数据传输终端的设计 [J]. 计算机系统应用,2008,35(12):56-59.