基于ZigBee的校园火灾防范系统设计与实现

摘  要：文章基于ZigBee通信技术设计了一种无线校园火灾防范系统，可用于监测校园火灾。该系统通过ZigBee终端节点使用温度、烟雾和气体三种传感器来采集校园内需监测节点的三项实时数据，采集到的数据通过ZigBee网络经路由器传输到协调器，再由协调器经串口连接上位机，通过上位机软件可以实时查询到ZigBee终端节点采集到的各项数据。当三个数据中同时有两项或以上超过系统设置的阈值后，系统显示报警并提示告警位置，该系统可有效防止校园火灾。

关键词：ZigBee;传感器;火灾报警;无线传输

中图分类号：TP277    文献标识码：A   文章编号：2096-4706（2021）12-0168-05

Abstract： This paper designs a wireless campus fire prevention system based on ZigBee communication technology， which can be used to monitor campus fire. The system uses temperature sensor， smoke sensor and gas sensor to collect three real-time data that need to monitor nodes in the campus through the ZigBee terminal node. The collected data is transmitted to the coordinator passing through router by ZigBee network， and then is connected to the upper computer passing through the serial port by the coordinator. The data collected by ZigBee terminal nodes can be queried in real time through the upper computer software. When two or more of three data items exceed the threshold set by the system at the same time， the system displays the alarm and prompts the alarm position. The system can effectively prevent campus fire.

Keywords： ZigBee; sensor; fire alarm; wireless transmission

0  引  言

火灾是日常生活中最常见、最突出、危害最大的灾难之一。就学校校园而言，机房实验室、宿舍楼、档案馆、图书馆、办公室都存在一定的火灾隐患。一旦火灾发生，后果不堪设想，对于学校的财产安全和校园内师生的人身安全都将产生严重的威胁。本文提出的基于ZigBee的校园火灾防范系统结合了传统的火灾报警系统和ZigBee无线通信技术，建立了一种可以有效预防校园火灾的无线火灾防范系统。系统内的各终端节点包含的传感器可采集温度、烟雾和气体等环境参数，这些参数值从物理信号转换为电信号通过ZigBee网络传输到协调器，协调器再通过RS232接口连接上位机，在上位机上可实现数据查询，终端节点状态查询，火灾报警阈值设置等功能。实现各个监测点的温度、一氧化碳值和烟雾数据的实时可查。协调器和上位机可设置報警阈值，与实时数据做对比，若同时有两项以上参数超过设置的阈值，则立即通过灯光蜂鸣等措施提示警情[1]。

1  ZigBee技术

ZigBee是一种无线网络协议，主要特点有短距离、低功耗、低成本、支持节点数量大、支持多种网络拓扑结构等，ZigBee移动自组织网络也具有易于快速部署的优点，常用于各种无线传感器网络中[2]。表1列出了ZigBee网络的一些技术规范。与其他无线网络技术相比，ZigBee技术更适合于用来建立校园火灾防范系统。

ZigBee网络只提供了FFD（全功能）和RFD（精简功能）两种设备。分为三种设备类型，分别是协调器、路由器和终端。其中，ZigBee协调器是整个网络的核心部分，负责协调网络的初始化和为其他设备分配网络地址[3]。采用全功能设备，一般来说，ZigBee网络只有一个协调器，可有多个终端设备。终端设备主要负责数据的采集和发送，一般采用精简功能设备。如果终端离协调器距离过远，则可以利用路由器将终端收集的数据传送到协调器。路由器也是全功能设备。ZigBee网络有三种网络拓扑，包含星形、网格和树形。

2  基于ZigBee的校园火灾防范系统总体设计

2.1  系统结构及功能

设计校园火灾防范系统的主要目的是据此实时可靠地监测校园内的火灾灾情信息。因此，整个系统分为数据采集部分和数据处理报警部分。系统采取ZigBee网络星型拓扑结构。终端传感器节点负责准确地收集所需的信息数据，通过网络发送到监控中心。协调器处理和判断所接收的数据信息是否需要触发火灾报警。整个系统主要结构及功能如图1所示。

整个校园火灾防范系统可实现数据采集、数据传输、数据处理和存储功能。火灾初期，系统通过烟雾传感器、温度传感器、气体传感器的调节电路，将燃烧产生的烟雾、热量、气体等物理量转换为电信号，然后实现信号的数模转换，最后通过CC2530芯片的I/O端口输入。采集到的数据通过ZigBee协议栈经路由节点最终发送到协调器节点。协调器节点设置显示器实时显示输入信息，结合火灾常见的数据分析，通过设置合理的阈值判断是否发生火灾。若确定发生火灾后，立即通过声音、灯光、文字等显示在终端节点的协调器及上位机上，同时显示火灾位置，记录火灾时间。

2.2  系统网络拓扑结构

校园火灾防范系统分为ZigBee无线组网部分和上位机部分。在ZigBee无线网络部分中，系统分布有三种类型的节点，分别是终端、路由以及协调器节点[4]。具体到校园环境中，对于办公、教学、宿舍这样的区域，可以以房间为单位设置ZigBee终端节点。对于一些面积较广，隐患较大的区域，如图书馆和机房实验室，可以以组为单位配置ZigBee终端节点。在允许的范围内为了扩大传输范围，可配置多个路由节点。终端节点实时采集需监测的温度、烟雾、一氧化碳气体等环境数据，经过路由节点发往协调器节点，协调器节点自身携带显示器，可显示接收到的每个节点相关数据，同时协调器通过RS232总线连接上位机，设计相应的上位机软件，在上位机上实时显示经ZigBee网络传输来的数据信息。除显示功能外，上位机还需具备设置功能、存储功能、查询功能、报警功能。如设置报警阈值，将实时数据和设定好的阈值进行比较，按照规则两项以上数据超过阈值即触发火灾警报。整个网络结构是树状结构，如图2所示。

3  基于ZigBee的校园火灾防范系统的节点设计

在硬件层面上，ZigBee无线网络的实现依赖于支持IEEE802.15.4标准的射频芯片。本系统选择TI的CC2530芯片。CC2530集成了射频收发器、增强型标准8051微处理器核心、8 kB的RAM、32/64/128/256 kB多尺寸闪存、多个外围接口（如两个USART、12位ADC和21个通用GPIO等）。并支持其他IEEE802.15.4标准功能[5]。

3.1  终端节点

终端数据采集节点需要三种不同的传感器。其中，温度传感器选用DS18B20，DS18B20是数字温度传感器，电压范围为5.5～3.0 V，温度范围为-55～125 ℃，在-10～ 85 ℃范围内，精度为±0.5 ℃。烟雾传感器选用MQ-2传感器，其原理是使用对特殊气体或粒子敏感的电阻器，根据电压的变化来确定是否存在可燃气体或烟雾颗粒。一氧化碳传感器使用的型号为MQ-7，该气体传感器对一氧化碳具有较高的灵敏度，可检测到多种含一氧化碳的气体。这些传感器和CC2530芯片的连接图如图3所示。其中SENSOR1是MQ-2烟雾传感器，SENSOR2是DS18B20温度传感器，SENSOR3是MQ-7一氧化碳传感器。若此节点出现灾情，会通过LED灯和蜂鸣器报警。

3.2  协调器节点

协调器节点连接OLED显示屏，可显示各终端节点的实时数据，同样也连接蜂鸣器和LED灯提示报警信息，通过RS232将数据上传至上位机。协调器节点电路图如图4所示。

4  基于ZigBee的校园火灾防范系统实现

4.1  ZigBee节点实现

整个系统共三种类型的ZigBee节点。其中协调节点负责建立网络，分配网络的PANID，向其他节点发送指令，接收并显示路由或终端节点传输的数据信息，在协调器节点上设置按键用于修改火灾报警阈值。ZigBee路由节点主要负责扩展网络覆盖范围，路由节点上电后会自动扫描并加入网络，接收终端节点发送的数据转发给协调器。终端节点负责数据的采集和传输[6]。终端节点接入网络后执行协调器发送的命令，按照指令采集和发送收集到的数据。协调器接收到数据后，可对温度、烟雾浓度、一氧化碳浓度进行实时监控。当出现异常情况时，点亮LED灯并发出蜂鸣器实时报警。节点运行结果分别如图5、图6、图7所示。

4.2  上位机平台实现

上位机软件使用C#语言编写而成。上位机接受来自协调器传输的数据，通过上位机的软件界面可以实时显示当前终端节点传感器所采集到的温度、烟雾、一氧化碳浓度数据，节点的联网状态以及节点当前的工作状态。同时可在上位机上设置三个参数各自的阈值。若节点采集到的参数值都是在阈值范围内，那么节点的状态显示正常，表明当前没有火灾情况发生，若节点参数中的三项有两项或以上超过了阈值，则相应的节点状态显示异常。

上位机软件的实时监测结果如图8所示。此界面支持同时显示双节点状态，两个节点分布于不同区域内，上位机软件以秒为单位更新两个监测点检测到的各项数据。在监测前或监测过程中可设置或修改火灾的温度阈值、烟雾阈值、一氧化碳浓度阈值，此时三项阈值均设置为30。图中测试节点1烟雾数值44%超过了阈值30%，然而温度和一氧化碳在阈值范围内，此时节点状态显示为正常。测试节点2在同一时间烟雾和一氧化碳浓度两项指标均超过了阈值，此时节点状态显示为异常，提醒管理人员有灾情发生。通过这种方式，可以提高灾情报警的准确度[7]。

5  结  论

校园内的火灾隐患不容忽视，本系统可通过ZigBee终端设备实时的监测到校园内需监测地点的温度、烟雾、一氧化碳浓度值，并通过ZigBee无线网络传输到上位机，当异常发生即时报警。此方法可以有效地防范校园内的火灾发生，降低安全隐患。就ZigBee技术的应用而言，还有很多可能性。如果你能好好利用它，它一定会给你带来更多的方便。

参考文献：

[1] 许多明.火灾探测技术的现状分析及发展趨势 [J].价值工程，2015，34（22）：219-220.

[2] 葛广英，葛菁，赵云龙.ZigBee原理、实践及综合应用 [M].北京：清华大学出版社，2015.

[3] 王晓强，欧阳骏，黄宁淋.ZigBee无线传感器网络设计与实现 [M].北京：化学工业出版社，2012.

[4] 邓理文，刘晓军，扶宣伊，等.基于ZigBee的无线传感网络在火灾探测中的应用 [J].武警学院学报，2018，34（12）：10-14.

[5] 马鑫，黄全义，疏学明，等.新型无线火灾报警系统的设计与应用 [J].消防科学与技术，2011，30（1）：55-58.

[6] CALLAWAY E H.无线传感器网络：体系结构与协议 [M].王永斌，屈晓旭，主译.北京：电子工业出版社，2007.

[7] 熊琰，李坤芩，谭艳萍.基于ZigBee的校园火灾防范系统上位机软件设计 [J].电子测试，2020（13）：37-38.

作者简介：熊琰（1989—），女，汉族，贵州遵义人，助教，硕士研究生，研究方向：网络工程相关教学。