基于JN5139的无线火灾监测系统设计

肖广兵 陈有超 孙宁 陈勇

摘要：对火灾现场进行全方位、实时的环境因素监测，充分掌握火灾现场环境信息，可以有效降低火灾发生时的人员伤亡概率，减少经济损失。研发以JN5139芯片为核心控制单元的火灾监测系统，采用Zigbee无线传输技术将多个传感节点组织为无线传感网络，可在家用供电电路损坏、密闭空间等极端环境中有效采集烟气含量、湿度、温度等数据，并由监测主节点将相关数据汇总至监测中心作进一步分析处理，从而实时显示当前区域的火灾态势，指导火灾救援作业。

关键词：火灾监测系统;JN5139模块;Zigbee;无线传感网络;实时监测

DOI：10.11907/rjdk.191742

中图分类号：TP319 文献标识码：A 文章编号：1672-7800（2019）012-0138-04

0引言

在火灾现场等高危环境中，若缺乏对现场环境因素的评估而贸然采取救援行动，将引发严重的安全隐患。因此，在进行火灾救援前，充分掌握现场环境状况对保证相关人员人身安全具有重要意义。

传统火灾报警器功能较为单一，文献[1]提出一种基于传统火灾报警器的预警方案，能在火灾发生初期及时进行预警。但监测节点只是作为一个相对孤立的预警节点，没有形成由点及面的监测网络对整体火灾态势进行分析，因此在火灾救援过程中难以很好地配合救援工作，且容易受到电路损坏等因素影响，监测稳定性不佳。

近年来，在电子技术与信息技术迅猛发展的大背景下，火灾监测系统逐步形成了集信息采集、信息传输与信息分析功能三位一体的综合性系统，相比传统火災报警系统更加智能化、集成化与系统化。

在信息采集方面，主流技术包括针对林场等大范围监测的红外热成像技术等，如文献[2]研发了一种以红外热成像技术为核心的防火监控体系，该体系在大空间区域防火监控中具有明显优势，但对于局部灾情，特别是室内等被建筑物遮挡的盲区监测效果不佳;在信息传输方面，对数据传输低延时、高保真的传输要求一直是待突破的难点，目前的Zigbee技术基本能保证传输要求，未来的5G通讯技术也会是另外一个突破点;在信息分析方面，如黄卓提出运用大数据分析方法，提高火灾监测系统的辅助决策能力。

本文设计的无线火灾监测系统，可在有线通讯线路损坏的情况下，以无线传感网络为通讯平台，将各监测节点监测到的数据汇总至灾情监控部门，灾情监控部门通过监测系统对相关数据进行分析、处理，进而作出更合理的决策，为救援人员规划最佳救援路线，以有效保障救援人员及受困人员安全。该系统成本低、实用性强，可实现动态灾情监控，从而降低救灾过程中的人员伤亡概率。

1系统设计与工作原理

如图1所示，无线火灾监测系统主要分为3个功能模块：①监测子节点模块，主要用于采集居民楼各区域的烟气含量、温度、湿度等数据，以及转发其它监测子节点数据;②监测主节点模块，其一方面具备长距离传输信息的条件，可将监测子节点中的数据汇总并上传至监测中心，另一方面可实时监测楼栋各节点烟气含量、温度及湿度三大环境因素，达到系统预设的阈值时则触发报警器;③监测中心模块，主要功能是接收来自监测主节点的数据，并进行实时分析与处理，生成各节点温度趋势图和火灾现场整体环境质量图，供决策人员参考。

火灾发生初期，监测主节点模块根据接收自监测子节点的信息触发楼栋火灾报警器，为居民争取尽可能多的逃生时间，同时将数据上传至消防部门监测中心。监测中心根据检测到的数据实时生成火灾态势分析图，消防部门依据火灾态势派遣消防人员及时到达火灾现场。救援过程中，消防人员根据火灾态势分析实时图制定相应救援方案，从而最大程度地降低人员伤亡。

2灾情监测预警

相关研究表明，火灾最佳逃生时间仅有90。所以在建筑物内外部建立一套全方位的实时灾情监测系统进行实时监测与预警，才能为火灾逃生尽可能多地争取时间。火灾中，烟气、缺氧和热量三大因素是造成人员伤亡的主要原因。其中烟气危害最大，统计结果表明，火灾中85%以上的遇难者是由于火灾过程中吸入了烟尘及有毒气体昏迷后而致死的;其次是缺氧给人体带来的危害，当氧气在空气中的含量由21%的正常水平下降到15%时，人体的肌肉协调能力会明显受到影响;热量相比前两者对人体造成的伤害较小。当有火灾发生迹象时，即烟气、缺氧和热量检测值达到系统预设阈值时，火灾监测预警系统则会触发报警器。然后监测中心会根据接收到环境数据，按照烟气、缺氧、热量三大因素对监测子节点环境进行评估，生成火灾现场环境质量图。救援人员依据火灾现场环境质量图选择最佳的救援线路及救援方案，从而在有效节省救援时间的前提下尽可能提高救援质量。

3硬件电路设计

如图2所示，监测子节点的硬件电路主要包括：供电模块、传感电路、JN5139模块、电路防雷保护电路，以及串口电路和数据存储电路。

3.1供电模块设计

为预防火灾发生时电路损坏对火灾灾情监测系统造成的影响，提高系统鲁棒性，系统采用220V家用供电和蓄电池供电两种供电方式。在使用220V家用供电时，接口采用电容滤波和U7LM1117稳压管稳压，将波动的家用电压转化为稳定的3.3V供电电压。该电路具备防反接设计，通过D12二极管的单向导电性，保证只有在电源正接的前提下才能有效供电。蓄电池供电接口采用可充电式3.3V电池，同样具备防反接设计。在保证蓄电池电量充足的前提下，供电模块会优先选择220V家用供电接口。当家用电路被火灾破坏时，则自动选用蓄电池供电，以保证系统运行的稳定性。

3.2传感电路设计

传感电路负责采集环境信息并转化为数据信号，是整个火灾监测系统的基础。因此，传感电路设计与传感器选型显得尤为重要。本文在保证传感电路性能的前提下，兼顾经济因素。由于烟气含量监测和氧含量监测在功能上具有重复性，所以本系统传感电路仅采用烟雾监测传感器实现该功能。另外采用一个集成的温湿度传感器实现温度与湿度数据采集。

3.3JN5139模块

JN5139模块基于标准IEEE802.15.4.Zigbee PRO规范，是一种近距离的双向无线通讯芯片，其功耗、复杂度、数据传输率与成本均較低，具有短距离、多点、多跳、自动组网的无线通讯特点。JN5139模块通过D1012、D1013、D1014、D1015与传感电路相连，经过一定处理后将数据转发至下一节点。JN5139模块最小系统如图5所示。

4软件设计

监测系统软件设计主要包括监测子节点程序设计、监测主节点程序设计与监测中心软件设计。

4.1监测节点程序设计

监测子节点程序设计的核心是通过向JN5139芯片写入嵌入式代码，实现网络初始化、信号调理、无线数据收发等功能。监测主节点程序根据接收自监测子节点的信息判断当前楼栋安全状况，并将数据统一上传至监测中心。

如图6（a）所示，监测子节点接通电源时，主程序开始运行并初始化网络。网络初始化成功后，监测子节点即开始采集相关数据，同时转发与主节点连接不良的子节点数据，然后统一上传至监测主节点。在未接收到终止命令时，该过程会周而复始地进行，以达到实时采集数据的要求。如图6（b）所示，监测主节点初始化流程与监测子节点一致。初始化成功后，开始接收来自监测子节点的数据并进行初步处理，判断当前楼栋安全状况是否正常。若情况正常，则直接将数据通过远程网络上传至监测中心;若发现异常，则先触发楼栋报警器，再将数据上传至监测中心。数据上传完成后，若没有得到终止命令，则跳转至“接收子节点数据”步骤进行下一轮循环。

4.2监测中心软件设计

图7为采用Visual Basic 6.0开发环境编写的监测中心软件。监测中心软件根据接收自监测主节点的信息，实时生成各节点温湿度趋势图与楼栋整体火灾态势分布图，并根据需求进行展示。例如，当某一小区3号楼的2楼和3楼发生火灾时，软件会自动标记发生火灾的区域，然后调出2楼的火灾态势分布图查看当前火灾现场状况。根据软件显示结果，1号出口比2号更加安全，可选为救援或逃生路线。

5结语

本文创新性地将无线传感网络技术应用于火灾态势监控中，以实现对火灾现场的动态监测。在对烟气含量、温度和湿度数据进行分析的基础上，建立火灾预警系统与火灾态势监测系统，可在火灾发生前及时预警，在火灾发生中可靠地传输并处理环境数据，供救援人员选择最佳救援方案，从而有效提高救援质量，减少人员伤亡。

未来可对该火灾监测系统作进一步优化与完善，如将监测节点集成至智能家居中，作为智能家居的一个附加功能，不仅有助于该技术的普及使用，还能节省安装成本。另一方面，监测中心数据除配合现场救援外，还可用于大数据分析，形成基于大数据的辅助决策系统，以降低人员主观评价带来的偏差。