基于Zigbee技术的火灾探测报警传感器网络设计

张青春

（淮阴工学院电子与电气工程学院，江苏 淮安 223003）

0 引 言

无线传感器网络（wireless sensor network，WSN）是由大量传感器节点通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织网络系统，它能够实现数据的采集量化、处理融合和传输。随着无线传感器网络的快速发展，以及人们对居住环境的要求越来越高，将无线传感器网络应用到火灾预警系统将是一种必然的选择[1-3]。基于WSN的火灾报警系统，将温度、烟雾、火焰等传感器集成在一个采用Zigbee技术设计的无线传感器节点上来监测火灾信息，当有火灾发生时，火灾报警监控中心和火灾现场立即发出报警信号，同时将火灾通过短信传递给用户，并通过互联网、火警电话将火灾信息传送到消防主管部门，便于进行火灾救援[4-6]。

1 系统硬件设计

1.1 无线传感器网络节点

无线传感器网络节点是组成火灾报警系统的基本单位，是构成火灾报警系统的基础。无线传感器网络节点需完成信息采集和数据传递的功能，节点中的电源模块还负责节点的驱动，是决定网络生存期的关键因素。无线传感器节点一般包括无线通信模块、数据处理模块（微处理器、存储器）、数据采集模块（传感器、A/D转换器）、报警模块和电源模块等[7-9]，其结构如图1所示。

1.2 CC2530 模块

CC2530模块实现的主要功能有：通过8路12位A/D口控制传感器模块进行数据采集；控制无线RF模块完成数据收发；通过I/O口响应主机控制。CC2530无线传输距离可达100m，若在CC2530模块增加2.4 GHz的射频前端芯片CC2591来提高无线通信部分的发射功率，进一步改善其接收灵敏度，从而可以扩展无线传感器网络的覆盖范围，信号传输距离可达1000m以上。

图1 无线传感器网络节点

1.3 温度传感器

采用LM35D温度传感器，其灵敏度为10mV/℃，工作温度范围为0～100℃，工作电压为4～30V，准确度为±1℃，最大线性误差为±0.5℃，静态电流为80μA，输出电压范围为0～5V。传感器输出接CC2530 I/O端口的P0.1（即CC2530模块内置ADC转换器的通道 1）。

图2 烟雾传感器电路图

1.4 烟雾传感器

采用MQ-2半导体烟雾传感器，输出模拟量范围为0～5V。如图2所示，传感器引脚1～3接+5V电源，引脚5接地，引脚4、6并接接入放大器，经放大器放大后接入CC2530 I/O端口的P0.2（即CC2530模块内置ADC转换器的通道 2）。

选用LM358运算放大器对传感器输出信号进行放大。Ⅰ构成电压跟随器，V1=Vi，可以减少电路模块间由于阻抗引起的干扰；Ⅱ构成电压放大器，为保证引入负反馈，输出电压Vo通过电阻R7、R8接到反相输入端，同时反相输入端通过电阻R9接地。放大电路的放大倍数A=（R7+R8+R9）/R9，取 R9=1kΩ，R8=1kΩ，R7为 100kΩ的滑动电阻，因此可以放大2～102倍。

1.5 火焰传感器

JNHB1004是一种远红外火焰传感器，能够探测到波长在760～1 100 nm范围内的红外光，探测角度为60°，其中红外光波长在940nm附近时，其灵敏度达到最大。当周围有火源产生时，远红外传感器将外界远红外光的变化转化为电流的变化，根据采集信号大小判断红外光线的强弱。如图3所示，火焰传感器输出电压为0～5V，引脚1接+5V电源，引脚2串接电阻接地再并联接入CC2530 I/O端口的P0.3（即CC2530模块内置ADC转换器的通道3）。

图3 火焰传感器电路图

1.6 报警电路

如图4所示，双声报警电路，接入CC2530 I/O端口的P1.2。

图4 双声报警电路图

由两个555时基电路组成的两个多谐振荡器。第1个（U1）555构成低频振荡电路，频率F1主要由C1、R2决定，引脚3输出频率为F1的低频信号，当U1的引脚3输出高电平时，第2个（U2）555构成高频振荡电路工作，其振荡频率F2主要由C3、R4决定，且F2远大于F1，这样在U2的引脚3输出为F2的脉波调制信号。

三极管S8550和与非门74LS00控制报警电路的通断，74LS00芯片接+9V电源，当CC2530模块的P1.2端输出高电平时，经过与非门输出低电平0V，三极管eb级导通，从而这个报警电路处于导通状态，蜂鸣器发出“滴嘟滴嘟…”的声音。反之，P1.2端输出低电平时，经过与非门输出高电平9V，三极管eb级不导通，电路不报警。

当温度传感器、烟雾传感器、火焰传感器采集到的3路信号传输到火灾报警中心进行数据融合，若预测结果输出为“有火灾”，则该节点的CC2530模块P1.2端输出高电平，发出火灾报警信号。

1.7 电源电路

电源电路如图5所示，由9V干电池经过L7805稳压电源输出5 V电压给各种传感器和芯片供电，再经3个硅型二极管压降为3.3V给CC2530模块供电。

图5 电源电路图

2 系统软件设计

传感器节点在不采集数据时处于休眠状态，节点一旦被查询，CC2530开始采集数据，经过数据处理，判断采集值是否超过设定的报警值，如果超过报警值，则将发送数据到上位机时，启动报警，流程图如图6所示。

3 系统测试

图6 传感器节点主程序流程图

图7 节点监测数据

图8 节点监测图形

火灾报警系统监控软件设计是在基于VS2005的ZigbeePC平台上进行的。图7为编号43672的节点监测数据，图8为编号54350的节点监测图形。图中同时显示温度、烟雾和火焰3种数据变化。为了在一幅图中同时显示3个参数，设定测温范围为0～100℃；将烟雾传感器上限值10000缩小100倍，以100*100的形式表示（*100为单位）；将火焰传感器上限值1023缩小10倍，以102.3*10的形式表示（*10为单位）。

由图7、图8可以看出，试验时温度报警值设定为50℃，烟雾报警值设定为75*100，火焰报警值设定为80*10，当测量值大于设定的报警值时，传感器节点发出报警声。

4 结束语

采用Zigbee技术构建的低成本、低功耗的无线传感器网络克服了有线传感器网络的局限性；在监测区域布置多个传感器节点，在单一传感器节点故障后，可以依据其他正常的传感器节点提供信息,防止漏报；在一个传感器节点上集成温度、烟雾、火焰3种类型传感器，增强了火灾监测的可靠性，可以有效防止误报。该传感器节点开发、试制成功，具有一定的经济效益、社会效益和推广应用价值。

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