基于ZigBee的室内安全报警系统

王陈政，范 恩，曹良波，邱云明，胡珂立

（1.绍兴文理学院，浙江 绍兴 312000；2.深圳大学 物理与光电工程学院，广东 深圳 518060）

0 引 言

物联网技术、传感器技术、无线通信技术的快速发展为构建有效的室内环境报警系统提供了良好的技术支持[1-4]。ZigBee具有成本低、功耗低等优点，适合室内传感器间周期性、间歇性和低响应时间的数据传输[5-9]。

传统的室内安全警报系统一般由多个传感器和相关线路组成，布线繁琐、结构复杂、成本高，且不便于维修和拓展[10-11]。为解决上述问题，本文设计了一种基于ZigBee的室内安全报警系统。该系统首先采用低功耗无线专用芯片CC25300以及ZigBee技术构建无线传感器网络，然后将传感器采集的烟雾浓度、室内温度等数据通过无线传输网络发送给协调器，最后协调器对数据进行过滤分析后传输给上位机。因此，用户可以通过该系统实时获取室内信息，有效避免有线火灾警报系统存在的不足，同时满足低成本、低功耗、低速率的市场要求，可广泛应用于学校、工厂和小区等场所。

1 系统的设计思想

为减少火灾、煤气中毒等安全事故的发生，本文设计了一种基于ZigBee的室内安全报警系统，设计思路如下：

（1）信息采集：利用烟雾传感器、温湿度传感器采集相关数据并发送给协调器，通过协调器将数据传输给上位机；

（2）信息处理：收到数据后，协调器实时过滤，剔除无效数据，对有效数据进行综合分析，判断是否需要启动声光报警器；

（3）信息显示：利用基于Python开发的程序实时显示下位机传输的信息，通过程序界面修改报警阈值；

（4）信息存储：上位机程序利用MySQL数据库保存下位机采集的数据；

（5）数据查询：建立Web网站，通过浏览器访问数据库。

2 系统开发与实现

2.1 系统组成

如图1所示，室内安全报警系统主要由4个模块组成，即数据采集处理模块、报警模块、数据传输模块以及图形化界面显示模块。数据采集处理模块由多个传感器组成，主要负责数据采集，并对数据进行预处理；报警模块由声光报警器组成，实时监听报警命令，接收到指令后立即报警；数据传输模块由ZigBee协调器、路由器、终端节点组成，主要负责ZigBee组网、数据传输；图形化界面显示模块包括数据库以及上位机应用程序，数据库保存下位机采集的数据，上位机应用程序将采集的数据显示在图形用户界面上。

图1 系统功能架构

MQ-2型烟雾传感器：该传感器属于二氧化锡半导体气敏材料、表面离子式N型半导体。当室内温度处于200～300 ℃时，二氧化锡会吸附空气中的氧气，使半导体的电子密度减少、电阻值增加。当与烟雾接触时，如果晶粒间界处势垒受到烟雾的调制而发生变化，那么电导率就会发生变化。烟雾浓度越大，电导率越大，电阻越低。

DHT11温湿度传感器：该传感器是一款含有校准数字信号输出的温湿度复合传感器，具有响应快、抗干扰能力强、性价比高等优点。本系统通过CC2530 I/O口读取DHT11传感器的温湿度数据。

声光报警传感器：该传感器包括红、绿、蓝3种颜色，当报警灯的引脚为高电平时报警灯灭，低电平时报警灯亮。

ZigBee无线通信协议：该协议是一种低速短距离传输的无线网上协议，底层采用IEEE 802.15.4标准的媒体访问层与物理层。ZigBee无线通信一般含有3类节点类型：协调器（负责建立ZigBee网络、信息收发）、终端节点（信息采集、接受控制）和路由节点，其运行流程如图2所示。

图2 无线通信协议运行流程

2.2 系统数据库设计

图3所示为室内安全报警系统的数据库表结构。数据表中主要包括的字段：id，表示记录的索引；time，表示数据采集的时间；temp，表示温湿度传感器的温度信息；air，表示烟雾传感器采集烟雾和可燃气体的浓度。通过数据库能够实时存储各传感器采集的数据以及相关信息，方便用户查询、管理和分析。

图3 数据库表结构

3 系统测试

3.1 传感器数据采集测试

将协调器通过串口与PC相连，然后启动所有节点并烧录程序，待节点全部加入网络后，在串口助手中查看节点发送的数据，如图4所示。节点全部启动并加入网络后，可在LCD上查看传感器采集的数据，如图5、图6所示。如果使用打火机对烟雾传感器喷气，此时声光报警器发出警报。

图4 串口数据接收测试结果

图5 温湿度传感器采集数据显示

3.2 实时数据显示测试

将协调器通过串口与PC相连，启动上位机应用程序，在用户图形界面上可以看到实时显示的温度、烟雾浓度、有无人活动和环境安全状态，通过折线图显示数值的变化情况。用户可通过修改温度和烟雾浓度的阈值改变系统的报警状态，如图7所示。通过浏览器访问服务器时，可通过设置时间表单查看指定时段采集的数据，如图8所示。

图7 图形用户界面显示效果

图8 历史数据查询测试效果

4 结 语

室内安全监测对生产、生活十分重要。传统的室内安全警报系统布线繁琐、结构复杂、成本高，不便于维修和拓展。为此，本文根据室内实际安全监测需求，开发了一套基于ZigBee的室内安全警报系统。该系统基于ZigBee技术，采用温湿度传感器、声光电传感器、烟雾传感器等组网，利用数据库实现多传感器数据的存储和管理，同时开发软件实时显示数据。实验表明，该系统能够实时监测室内的温度、烟雾浓度等环境参数，实现智能报警，从而有效减少室内安全隐患。此外，用户可以实时查看各项传感器数据，根据具体需求对室内安全级别进行优化。