基于Zigbee的无线火灾报警系统

杜 哲，张立臣，耿 蕊，孙 洁,贾 鹏

（1.华北理工大学电气工程学院，河北唐山 063000；2.华北理工大学以升创新教育基地，河北唐山 063000；3.唐山市产品质量监督检验所，河北唐山 063000）

0 引言

火灾报警系统[1]在物联网应用中备受关注，到目前为止，火灾报警系统的采集方式大部分应用CAN（Controller Area Network,控制器局域网络）总线制[2]，通过有线方式传输检测模块与报警模块信号，这种采集方式存在很多缺陷，例如布线复杂、火灾发生时容易导致连接线损坏。此外，大部分报警系统使用单一传感器获取住户居住的环境信息，对于火灾不能提供及时响应，从而造成误报和漏报。对此，提出应用多传感器获取住户居住的环境信息，并将信息通过无线数据传输技术输出，进一步完善火灾报警系统技术，使其报警性能在传统的基础上有所提高。除了传统的传感器信息采集模块和报警电路外，还加入了Zigbee无线自组网，可将信息通过无线形式传送到小区物业中心，减少住户的财产损失[3]。

1 总体设计方案

无线火灾报警系统主要分为两部分：第一部分以STC89C52单片机为核心,外接MQ-2离子式烟雾传感器、DS18B20数字温度传感器2个传感器模块和CC2530芯片无线数据传输模块；第二部分同样用STC89C52单片机作为控制核心，不同的是外接声光报警电路和CC2530芯片无线数据接收模块[4]。当发生火灾时，传感器会把检测到的火灾信号通过无线方式传递出去，1号和2号报警电路都发出警报，分别通知家庭住户和物业管理中心。收到信息后，声光电路发出报警信号通知物业人员及时处理，防止灾害进一步扩大。双重报警提高安全系数。

2 硬件设计

2.1 单片机最小系统

选择STC89C52作为系统处理核心。STC89C52是8位内部自带振荡器且具有128字节内部数据存储器的单片机,它有丰富的接口资源，功能强大，片内自带64 k字节的外部数据存储器和程序存储器。由石英晶体振荡器Y1、微调电容C2和C3组成的时钟电路和由开关S1、微调电容C1和电阻组成的复位电路，共同组成单片机的最小系统。其中Y1是一个为单片机提供12 MHz时钟的石英振荡器，C2和C3是推荐值为22 pF的微调电容。

2.2 单片机与传感器连接电路

2.2.1 DS18B20温度传感器

系统采用比较通用的温度传感器DS18B20。DS18B20无需外部电源，可以通过单数据总线获得读写数据和温度转换需要的电源。DS18B20的温度输出信号是数字信号，无需模数转换电路信号，可直接被单片机识别。通常在（-55～+125）℃的测温范围内，DS18B20的分辨力可达到0.5℃。DS18B20传感器的编程可以分为9到12位，通过实际RAM对不同系统的需要进行不同分辨率之间的运用，有利于实际测量温度。

微处理器在控制DS18B20完成温度转换时，必须经过3个步骤：①每次测温之前必须进行清零操作；②清零操作成功后向单片机发送一条ROM（Read Only Memory image，只读内存镜像）指令；③发送RAM（Random Access Memory，随机存储器）指令。

2.2.2 MQ-2烟雾传感器

火灾的发展一般分为4个阶段：无可见烟阶段、可见烟阶段、燃烧阶段和剧烈燃烧阶段。在无可见烟阶段，当外部提供一定热量时，可燃物本身发热产生缓慢的分解作用，产生可燃气体（CO，H2等）。此阶段没有可见烟和火焰，并伴随着少量热量。进入可见烟阶段时，随着物质进一步发热，热解作用更为剧烈，释放出气体、直径为（0.01～10）μm的液体或固体颗粒形成烟雾。

以往应用的气体传感器气敏电阻型占绝大多数，离子型烟雾探测器这种微电流变化装置通过电离室引起的电压变化感知烟雾粒子，性能类似于烟敏电阻。如果有烟雾粒子进入电离室，电离室空气的电离状态就会发生改变，电离室两端的电压，受到电离室等效电阻增加的影响而增大，由此确定空气中的烟雾状况。气敏式传感器工作原理是检测空气中是否存在大量可燃气体，相比离子传感器，性能存在不足，探测火灾时，离子式传感器更加可靠。

MQ-2烟雾传感器是比较常用的离子型烟雾探测器，使用二氧化锡作为气敏材料,二氧化锡的电导率与可燃气体成正比，在未出现可燃气体时，二氧化锡的电导率很低，而在可燃气体浓度很高时，电导率升高，因此系统电路就能检测出目标气体，输出信号后系统报警。由于MQ-2烟雾传感器输出的是模拟信号，所以需要增加模数转换模块。这里的模数转换模块采用芯片ADC0832。

2.2.3 声光报警电路

声光报警电路主要由LED（Light-Emitting Diode，发光二极管）灯、蜂鸣器和三极管组成。蜂鸣器在低电平时发出声音。当烟雾浓度或者温度达到限定值时，引脚P3.6变为低电平，三极管导通，LED灯发光，蜂鸣器发声，直到烟雾浓度或者温度低于阈值或者手动解除警报。2.3 Zigbee无线模块

Zigbee技术是一种新型的、基于IEEE 802.15.4标准的短距离无线通信技术，以其低数据速率、功耗低、传输距离短的优点而被广泛应用，在传输家电和小型电子设备的无线指令中尤为适用。其典型的传输数据类型有以传感器为代表的周期性数据传输，以照明控制为代表的间歇性数据传输和以鼠标为代表重复低反映时间数据传输。其目标功能是实现自动化控制。它采用跳频技术，选择有效覆盖范围（10～275）m的免执照频段。在美国是 915 MHz，欧洲是 868 MHz，ISM（Institute for Supply Management，美国供应管理协会）是2.4 GHz。为了增加数据传输的可靠性，可将传输范围扩大到334 m应对网络速率＜28 kb/s的情况。

CC2530无线片是比较常用的Zigbee芯片，以较低成本建立可靠的网络节点。CC2530拥有良好的RF（Radio Frequency，射频）收发性能，在2.4 GHz频率下工作。它属于增强型8051单片机，8 kb的RAM拥有编程等多种强大的功能。新一代的CC2530芯片提高原有的可操作性，而且具有更强的抗干扰性，可以进行更远距离的无线信号传输，是新一代家电遥控的首选。CC2530的P2.0口与单片机的P2.1口连接。

3 软件设计部分

3.1 Kendall-τ趋势算法

火灾发生时，警报器对现场的温度、烟雾浓度等信息进行收集并判断是否报警，收集到的数据满足2个特性：①幅值有明显上升或者下降的趋势，是趋势算法判断火灾的依据。②信号呈现相对持续性变化，以此判断火灾信号瞬时脉冲的上升或者下降是否为干扰信号。将计算得出的相对趋势值τ与预先确定的阈值比较，得出是否发生火灾的结论。

3.2 火灾信号发送部分

STC89C52单片机使用前先进行初始化，然后设置温度和烟雾阈值。之后数字温度传感器DS18B20开始采集温度数据，离子式烟雾传感器MQ-2采集烟雾信号并经过A/D电路转换被单片机识别。然后重复上次采集数据的操作，两次数据均超过阈值，说明发生火灾，单片机将通过CC2530芯片发出火灾信号。

3.3 火灾信号接收部分

报警部分由CC2530芯片不间断按时扫描，收到无线信号，经STC89C52单片机处理后，控制声光报警电路发出报警信息。

4 结语

相对于传统的火灾报警系统，该系统采用温度和烟雾传感器结合进行火灾报警，大大减小了误报警的概率。系统采用Zigbee无线传输方式，没有传统布线的繁琐与线路损耗，火灾信息更加快捷精准地传递给室内人员和小区物业人员，保障用户的生命财产安全。