基于ZigBee的烟雾检测火灾报警传感节点设计研究

孙海莉

（西安铁路职业技术学院 陕西 西安710014）

基于ZigBee的烟雾检测火灾报警传感节点设计研究

孙海莉

（西安铁路职业技术学院 陕西 西安710014）

火灾不仅严重威胁着人们的生命财产安全，更影响着社会的稳定和发展，而在当前城市化进程不断加快，城市人口密度不断增大，建筑高度迅速增加的前提下，火灾所造成的威胁更是难以估量。本文从控制和预防火灾事故的目的出发，基于ZigBee技术，提出了一种烟雾检测火灾报警传感节点的设计方案，同时结合相应的可靠性试验，对方案的可行性和可靠性进行了论证，使得系统能够自动采集烟雾信号，发送报警信息，从而及时对火灾隐患进行排除，确保安全。

ZigBee；烟雾检测；火灾报警；传感节点

在高层建筑中，一旦发生火灾事故，所造成的危害可以说是毁灭性的，加上火灾探测信号自身的多变性、复杂性以及传统火灾报警系统中存在的缺陷，误报和漏报现象时有发生，使得人们“谈火色变”。对此，相关技术人员加强了对于火灾探测报警系统的研究，在很大程度上提升了系统的智能化水平，对于预防火灾隐患，保障人们的生命财产安全有着重要意义。

1 ZigBee技术概述

ZigBee技术是一种双向无线通讯技术，适用于自动控制以及远程控制领域，可以嵌入到各种设备中[1]。ZigBee技术具有几个非常显著的特点，一是低功耗，与其他短距离无线通信技术相比，ZigBee技术的传输速率相对较低，其发射功率仅仅为1mW，结合休眠模式，使得相关设备的功耗极低，甚至仅仅依靠两节普通的5号电池就能够待机6个月到2年的时间；二是低成本，ZigBee模块的成本仅仅为6美元左右，也就是不到40元，而且其协议免除了专利费，进一步降低了技术运用的成本；三是短时延，无论是通信时延又或者从休眠状态激活的时延都非常短，以活动设备为例，其接入信道的时延仅仅为15 ms，因此适用于对于时延要求相对苛刻的无线控制应用，如工业控制、报警系统等[2]；四是高可靠，在技术中采用了免冲撞机制，而且为一些固定带宽的业务预留出了专用时隙，从而有效避免了数据在发送过程中的竞争和冲突。结合完全确认的数据传输模式，每一个发送的数据包都需要由接收方确认后才能发出，在传输过程中如果出现了问题，也可以重新进行发送；五是安全性，在ZigBee技术中提供了一种基于循环冗余校验的检索功能，能够对数据包的完整性进行检查，结合高级加密标准的加密处理，能够有效保证数据传输的安全[3]。

2 基于ZigBee技术的烟雾检测火灾报警系统

2.1 设计方案

烟雾检测火灾报警系统包括了两个主要组成部分，一是烟雾检测传感节点，能够实现对特定区域内烟雾信息的检测，结合相应的分析模块，对是否存在火情做出准确判断，同时向网关发送相应的报警信息；二是家庭网关服务器，属于一种智能化的信息处理系统，可以将接收到的报警信息利用无线网络或者互联网，自动转发给小区物业、业主和消防部门，从而确保对火情的及时处理。

2.2 硬件设计

在该系统中，烟雾传感器节点包括了3个基本模块，分别是MQ-2烟雾传感器模块、MCU模块以及无线通信模块[4]。

烟雾传感器模块包括了MQ-2烟雾传感器以及LM393电压比较器，其中，MQ-2烟雾传感器由微型Al2O3陶瓷管、SnO2敏感层、测量电极和加热器等部件构成，测量电极与加热器共同构成了敏感元件，固定在腔体内，通过加热器的加热，使得气敏元件处于相对稳定的工作状态。烟雾传感器模块的整体结构见图1。

图1 烟雾传感器模块

MQ-2烟雾传感器的工作电压为5 V直流电，依照烟雾浓度输出对应的模拟电压（0～5 V）。为了方便MCU模块进行报警处理，以LM393电压比较器对MQ-2输出的模拟电压与正常情况下其输出的阈值电压进行比较分析，同时输出二值数字信号[5]。如果模拟电压不超过阈值电压，则LM393的输出值为1，表示没有火灾发生，反之，LM393的输出值为0，表示存在有火灾事故。

为了对整个系统的设计进行简化，确保系统运行的高可靠性和高安全性，选择无线单片机CC2430构建相应的MCU模块和无线通信模块。无线单片机CC2430集成了一个小巧高效的工业级控制器，采用8位MCU、128位可编程闪存以及具备8个独立通道的14位模数转换器，同时设置有21个可编程I/O引脚和2个可编程UART，用于主/从SPI[6]。CC2430芯片符合了ZigBee技术标准，同时采用了2.4 GHz射频系统，适合作为协调器节点、路由器节点以及终端设备的核心部件。在接收和发射模式下，电流损耗分别为27 mA和25 mA，功耗极低。

通过这样的配置，单片机能够通过尽可能少的外围器件，实现数据的存储和处理，构建多点对多点的无线传感网络[7]。

烟雾检测传感节点的硬件结构如图2所示。

图2 烟雾检测传感节点硬件结构

结合单片机CC2430内部MCU的通用IO引脚，可以对烟雾传感器模块发送的报警信号进行接收，然后通过单片机内部的射频模块，将接收到的报警信息发送给家庭网关。

2.3 软件设计

在烟雾检测火灾报警传感节点中，硬件设备提供了基本的系统构架，而软件则关系着系统功能的实现，必须得到技术人员的高度重视。这里采用Z-stack协议进行软件的开发和设计，该协议满足ZigBee2006规范，能够同时支持多种软件开发平台[8]，其中就包括了面向ZigBee的CC2430片上系统、基于CC2430收发器的新平台以及TI的MSP43超低功耗 MCU，Z-stack协议的运行开发环境为 IAR Embedded Workbench 7.30B，这是一个嵌入式、高度灵活的集成开发环境，适用于8位、16位和32位微处理器和微控制器的软件开发[9]。传感器节点软件设计流程如图3所示。

图3 传感器节点软件设计流程图

在火灾报警系统中，烟雾检测传感节点的软件包括了数据采集模块、火灾报警模块以及查询模块，其中，数据采集模块的主要作用，是对系统管辖区域内的设置的烟雾传感器模块输出的二值数字信号进行采集和整理，并将其存储到内存中，为烟雾检测以及火灾判断提供必要的数据支持[10]；火灾报警模块中需要预先设置相应的阈值，将接收到的二值数字信号与其进行对比分析，从而判断是否存在火情，是否需要发出报警信息。如果检测到火情，则火灾报警模块会立即调用ZigBee无线通信模块，向家庭网关发送相应的火灾报警信息，如果必要，也会同时向小区物业以及消防部门发送报警信息，并驱动蜂鸣器发出警报；如果检测后发现信号正常，则会继续对下一个接收到的二值数字信号进行对比、判断和处理[11]；查询模块的主要作用，是方便人们对相应的信息进行查询，相应家庭网关的查询请求。在系统运行过程中，如果服务器发送数据查询请求，则ZigBee无线接收模块在接收到相应的请求信号后，会对其进行分析和处理，然后调用ZigBee无线发送模块，将当前传感节点的工作状态信息发送给服务器[12]。

传感器节点在设定好的采集周期内采集温度数据，其余时间处于低能耗状态，直到采集数据事件的触发。在软件设计环节，单片机对于DS18B20的访问包括了初始化序列、ROM指令处理、操作存储器命令发送、读取温度数据以及数据处理，需要设计人员结合传感器节点的具体运行需求，对相关参数进行合理设置。

实际上，为了方便对系统的操作，在软件设计中，还需要进行客户端的设计。采用VB6.0编写相应的图形用户界面，通过该界面，用户可以实现对系统的管理和操作。例如，结合相应的监控界面，可以实时了解不同区域火灾报警指示灯的状态，当火情发生时，相应的指示灯迅速亮起，提醒用户注意。而当协调器对相应的信息进行确认，判断有火灾发生时，会发出警报信息。为了便于操作，减少误报问题，在界面上设置有远程连接按钮、串口设置栏、手动报警按钮以及相应的报警解除按钮[13]。

3 烟雾检测火灾报警系统可靠性验证

想要对火灾报警系统的可行性和可靠性进行检验，最为简单同时也最为有效的办法，就是进行相应的模拟实验，结合实验结果，对系统进行相应的评估和调整。

烟雾检测火灾报警系统实验主要包括了烟雾检测传感节点以及家庭网关模拟器，而家庭网关模拟器则由液晶显示器、键盘、蜂鸣器以及无线单片机CC2430共同组成。开展实验的主要目标，是对报警系统的烟雾检测功能、报警功能、信号传输功能以及查询功能进行测试，看起是否存在故障和问题，是否具备良好的可靠性和稳定性[14]。

在实验中，应该选择空房间，模拟实际环境，并配备相应的灭火器，以确保实验安全。具体来讲，首先应该在烟雾检测传感节点附近，制造出烟雾，并逐步提升烟雾的浓度，对其报警情况进行观察。当烟雾浓度达到了报警值后，判断其是否属于可控火情，如果此时火情较大，则应该适当降低报警值。然后，通过家庭网关模拟器，模拟家庭网关向烟雾检测传感节点发送相应的查询请求，确保网关模拟器能够及时准确地接收传感节点的反馈信息[15]。

4 结束语

综上所述，火灾所造成的危害是非常严重的，做好火灾预警工作，提前对火灾进行应对和处理，是保障人们生命财产安全的关键。本文基于ZigBee技术，提出了一种面向智能家庭的烟雾检测火灾报警系统，对其传感节点进行了设计，介绍了系统的硬件构成和软件实现，并通过相应的试验，对系统的可靠性进行了检验，具备良好的应用价值。

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[2]张定乾，吴永弘，刘乔俊.基于ZigBee技术的火灾报警系统的研究 [J].数字技术与应用，2014（4）: 69-70.

[3]卓可强，王鹏程，左开中.基于ZigBee的烟雾检测火灾报警传感节点设计[J].现代计算机，2013（8）: 78-80.

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[7]朱俊杰.首钢基于ZigBee技术烟雾检测报警系统的设计与实现[D].北京：北京邮电大学，2014.

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Smoke detection based on ZigBee fire alarm sensor node design research

SUN Hai-li
（Xi'an Railway Vocational and Technical College，Xi'an 710014，China）

Fire is not only a serious threat to the safety of people's lives and property，but also affects the social stability and development，and accelerated constantly in the process of urbanization，urban population density increasing，under the precondition of building height increases rapidly，threat caused by fire is difficult to assess.The from the control and prevention of fire accidents of based on ZigBee technology proposed a smoke detection fire alarm sensor node design，combined with the corresponding reliability test，demonstrates the feasibility and reliability of the scheme，so that the system can automatically collect smoke signal and send alarm information，and timely on the fire hazard were excluded，to ensure safety.

ZigBee；smoke detection；fire alarm；sensor nodes

TN99

A

1674－6236（2017）10-0081-03

2016-04-27稿件编号：201604267

孙海莉（1980—），女，河南洛阳人，讲师。研究方向：电子通信工程专业研究（铁道车辆专业）。