基于zigbee的智能建筑消防控制系统设计

于江利 桂 垣 杨晓晴 龚志广

（河北建筑工程学院，河北张家口075000）

1 消防控制系统主要组成及功能

消防控制系统是智能建筑楼宇自动化系统必要子系统，系统主要由火灾报警控制中心、中继器、火灾探测模块、联动控制模块和信号传输系统组成.

监控中心设有控制器，对所监测的火灾区域的火灾信息、故障信息、位置信息等参数进行跟踪采集、存储、分析、方便用户进行管理和监控；并通过人机交互界面，一方面将火灾的数据进行汇总显示，联动控制消防灭火设备和疏散指示设备工作，同时完成管理、查看、报警、打印等任务；另一方面，消防值班人员可以通过人机交互界面发送远程控制命令至现场，以便更好的实现对联动设备的控制.

火灾探测模块主要用于探测现场中火灾信息采集，由各种传感器和变送器构成，本系统设计的烟雾传感器采用MQ－2烟雾传感器，CO气体传感器选用MQ－7一氧化碳传感器.MQ－2／MQ－2S气体传感器对液化气、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，可检测多种可燃性气体.MQ－7气体传感器由AL2O3，陶瓷管、SnO2敏感层，测量电极和加热器构成，对一氧化碳的灵敏度高，可检测多种含一氧化碳的气体［1］.本设计的温度传感器采用瑞士Sensirion公司生产的SHTl5.SHTl5传感器是一款单片全校准数字输出相对湿度和温度的传感器，温度值分辨率为14位，湿度值分辨率为12位，可通过I2C总线与微处理器接口，输出数字量温湿度值.

联动控制模块是现场消防灭火等设备自动工作的执行机构.其接受到控制器的无线控制信号后，将控制信号传给现场输入输出控制模块，进而启动相应的消防联动设备.

信号传输系统采用两级双网的无线传输方式，主要由两部分来完成.一部分是底层数据通信部分，主要由ZigBee网络来担当；另一部分是远程数据通信部分，选用3G网络来完成.ZigBee网络是一种传输速率低，传输距离短的无线网络，网络的特点是低成本、低功耗、低复杂度和可靠性高、组网简单、方便灵活［2］.底层与控制中心采用GPRS／CDMA网络无线接入，目前GPRS／CDMA网络在国内已经运营了十几年，网络稳定，技术成熟，覆盖率广.

2 ZigBee网络数据传输硬件设计

两级双网组网架构由Zigbee－WSN和GPRS／CDMA两级双网构成，上层为GPRS／CDMA主干网，实现数据远程传输；下层为Zigbee－WSN二级子网，由传感节点和路由节点构成，采用簇－树型网络拓扑结构，完成数据采集、路由、转发.网关节点连接ZigBee无线传感网络与GPRS／CDMA网络，实现ZigBee协议和TCP／IP协议两种协议栈之间通信协议转换.网关节点发布监控中心的控制命令，并把收集到的探测信息转发到外部网络上，通过USB总线或GPRS／CDMA网络将数据传至监控中心.网关节点还负责整个网络的组建及管理工作，可通过USB总线或GPRS／CDMA网络与本地消防报警监控中心服务器相连，通过本地消防监控中心进行声光、短信报警和消防联动控制，也可通过GPRS／CDMA网络直接与119火灾报警中心服务器相连，进行远程火灾消防报警.系统结构如图1.

图1 无线消防报警系统总体框图

ZigBee协议栈的核心部分在网络层.其功能是实现网络的管理，主要是探测器和执行器等节点的加入或离开，路由查找及传送数据等功能.ZigBee网络路由依照Cluster－Tree结构进行设计和选择，整个系统设置两类节点，分别为FFD结点和RFD结点.FFD节点是全功能节点，数据的传输方向也是双向的，即可以向下传至子结点，向上传至父结点.而RFD节点不具备数据转发功能，数据转发方式单一，即当接收到数据包后，回复ACK后，把数据交至上层节点，请其转发.系统中传感节点、路由节点和网关节点属于FFD结点，而制接收控制信号的执行节点属于RFD结点，如在各类联动设备附近设计的，控制设备工作的节点［3］.

ZigBee网络中的每一个节点集无线收发器、微处理器、存储器和用户API于一体，并采用TI公司的CC2530作为核心芯片.由于绝大多数消防设备都是静态的，所以整个网络采用Cluster－Tree拓扑结构来构建.

3 ZigBee网络数据传输软件设计

3.1 通信协议

底层的数据采集网络采用基于IEEE802.15.4标准的ZigBee PRO／2007协议通信.ZigBee的协议栈由物理层（PHY）、介质接入控制子层（MAC）、网络层（NWK）、应用层（APL）四层组成［4］，Zigbee协议栈软件采用C语言编写，开发环境采用AVR Studio4.12，硬件平台采用的单片机为Atmega128，射频模块采用CC2530.采用的标准是ZigBee 1.0，整个协议栈软件采用单线程，各模块之间采用共享缓冲区进行通信.ZigBee协议帧格式如表1所示.

表1 ZigBee协议帧格式

网关通过数据链路层的PPP协议协商机制拨号接入GPRS／CDMA网络，并得到运营商分配的IP地址.无线网关使用TCP／IP协议与GPRS／CDMA网络交换数据，网际层的IP协议负责网络间的寻址和数据传输，运输层的TCP协议负责提供可靠的传输服务.

3.2 软件流程

底层数据采集网络采用ZigBee PRO／2007协议规范设计，基于TI公司提供的半开源Z－Stack协议栈开发.传感节点主要负责温度、烟雾、CO数据的监测，并通过Zigbee网络，发往监控中心，主程序流程如图2所示.路由节点的主程序主要完成数据转发、存储和路由选择等功能，主程序流程如图3所示.网关的软件设计采用典型的嵌入式软件结构，由4层组成：Bootloader、嵌入式Linux操作系统、嵌入式图形用户界面GUI、用户程序.网关的主程序流程如图4所示.

监控中心PC端管理软件的开发采用Visual C＋＋6.0集成开发环境，采用面向对象的编程技术，分别由通信端口设置、报警参数设置、报警处理、数据监测和系统管理等五个功能模块，主要完成通信参数设置、发布命令、现场数据实时监测，报警处置等管理工作.

图2 传感器节点程序流程图

图3 路由节点程序流程图

图4 网关节点程序流程图

4 结 论

本文设计一种基于Zigbee无线传感器网络的智能建筑消防控制系统方案，系统采用两级双网组网架构，底层网络采用ZigBee无线传感器网络完成火灾等信息采集与短距离传输，上层网络采用GPRS／CDMA实现数据远程传送，可对智能建筑内火警进行监测和自动报警，同时能联动控制消防灭火及疏散设备工作.系统具有无需布线、建设和运营成本低、组网灵活、漏报和误报率低、快速高效等特点.

［1］刘胜福，刘和平.基于ZIGBEE的分布式智能复合探测无线消防报警系统［J］.自动化技术与应用，2008，20（7）：67～70

［2］刘市生，张贤华等.ZigBee网络层的设计与实现［J］.无线电工程，2008（11）：8～9

［3］阚凤龙，阚洪亮，韩中华，等.Zigbee无线传感器网络在消防报警系统中的应用［J］.现代建筑电气，2012，3（11）：11～14

［4］李文仲，段朝玉.ZigBee2006无线网络与无线定位实战［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2008.1

［5］王旭升.基于ZigBee的智能建筑灯光控制系统设计［J］.机电工程技术.2011，40（12）：23～25

［6］张伯虎.无线火灾报警系统的体系结构研究［J］.安防科技，2006，（10）：36～38