基于ZigBee的高层建筑火灾监控系统研究

李思宇，张竣淞，2，刘冬梅，王子琪，丘旭，宋毅伟

(1. 华北科技学院,北京 东燕郊 065201；2. 中国传媒大学，北京 朝阳 100024)

0 引言

近年来，由于城市人口突增，城市人口对于工作、住宅场所的需求急速增加，大批的高层建筑也如雨后春笋般冒出来。大量的高层建筑在建的同时也带来了相当多的安全隐患。其中消防安全最为基础。世界上各个发达国家都针对高层建筑物制定了极其严格的规章制度。美国针对所有的高层民用建筑颁发了相应的防火法规规定，房屋中配备火情自动警报、自动灭火系统和应急安全疏散通道[1]。在德国设置有专业的防火专员岗位来应对消防安全[2]。在法国高层建筑物的每一层都要求设置对应的防火隔离带，并且对建筑物的各项防火参数也都制定严格的限制[3-6]。根据专家调研，每个人平均每天在室内的时间占到90%，室内消防安全工作更显得尤为重要。在这一背景下，本文展开了基于ZigBee的高层建筑火灾监控系统的研究。

该系统是一款智能化设备，把ZigBee无线传输终端节点部署到室内，通过传感器实时采集温湿度、烟雾浓度等火灾特征信号环境信息，在后台对数据进行整合分析，最后可以根据分析的数据结果来实时监控室内是否发生了着火事件，若火情监控系统检测到有火情产生，系统上位机会将报警信息实时反馈给安全监管人员。经过对本研究进行仿真实验验证，结果表明该系统能够实现较高的准确率和较快的反应速率，能够满足高层建筑物的日常消防的使用条件，可以相当大程度保证居民生活环境的安全。因此，本课题的开展研究具有非常重要的现实意义。

1 系统框架与原理

1.1 系统总体框图

基于ZigBee的高层建筑火灾监控系统的设计框架图如图1所示。本系统的研究设计主要包括三部分[7-9]：第一，无线终端传感器节点；第二，路由器及协调器部分；第三，上位机控制系统。该系统的通信方式为ZigBee无线通信技术，环境中各类数据被终端传感器采集后通过无线传输网络节点发送至协调器。协调器汇集数据后通过无线网络传送到上位机监控系统。上位机监控系统将数据进行整理分析后，在电脑上显示得到对火情的实时监控的情况。

图1 ZigBee的高层建筑火灾监控系统的设计框架图系统整体框架

1.2 几种无线通信技术比较

目前，市面上主流的短距离无线通信技术有蓝牙短距离传输技术、利用红外线进行传输的技术和ZigBee短距离通信技术等[10]。

分别将ZigBee与红外、蓝牙等几种常用短距离无线通信技术进行比较，具体的参数比较如表1所示。为了满足系统的实时性和高可靠性，同时考虑到将在建筑物中布置大量的终端节点，以及系统长时间运行的工作特性，必须要考虑到成本和续航问题，综合几种无线通信方式，最终本系统选择的技术手段为ZigBee技术。

表1 几种无线传输方式的比较

1.3 ZigBee网络结构

ZigBee技术的协议栈结构如图2所示[11-17]。其中包括：物理层、媒体访问控制层，网络层和应用层。各个层级分别为上一级提供指定的服务。物理层是最底层结构，之后层级逐级递增。

物理层与媒体访问控制层组成了IEEE802.15.4通信层。终端节点控制模块和射频信号收发模块一起组成了物理层(PHY)；媒体访问控制层(MAC)的作用是搭建与高层的信道接口，使高层可以向下访问物理层。

图2 ZigBee协议栈结构

ZigBee网络有三种网络拓扑结构，分别是星型结构、树(簇)状结构和网状结构，如图3所示。星型结构信息传输最为简单，只是终端和协调器两部分之间的互动；树(簇)状结构是由多个星型结构连接在一起，再与一个协调器相连；网状结构拓扑结构最为复杂，拥有复杂结构的同时意味着网络有很多的通路，所以网络结构也是三者中灵活性最高和抗干扰能力最强的拓扑结构。其中，网状拓扑结构适用于高层建筑等大范围的监测，故本系统的ZigBee网络结构采用网状结构。

图3 ZigBee网络拓扑结构

协调器是ZigBee通信网络的核心部件，如果把整个网络比作一个机械臂来看，终端设备相当于机械臂的抓取装置，协调器就相当于机械臂的电脑，协调器处理机械手传回来采集的信息后，再下达接下来的指令。

2 硬件设计

本系统采用的芯片是CC2530为主控芯片。这款芯片有很多优点，拥有多种运行方式，这使得这款芯片在不同环境之间转换有非常强的适应能力[18]。

高层建筑火灾监控系统检测传感器是监测系统的底层传感器，主要包括烟雾浓度、CO浓度、温湿度变化等传感器。传感器将环境中变化参数的模拟信号转换成具有量化优势的数字电信号。

本系统烟雾传感器采用MQ-2型号传感器[19]，目的用来实时监控建筑内部可燃性气体浓度信号与实时烟雾浓度信号，电路图如图4。若传感器监测范围内烟雾的浓度升高，该传感器内部的电位器阻值增大，P0-6电平会变化，P2-0输出高电平，D1导通变亮，反之D1保持暗。

图4 MQ-2烟雾传感器电路

本系统温湿度传感器型号使用的是DHT11型号[20]。该传感器的优点在于输出数字信号之前内部已经对采集的信号进行校准，使得该模块具有极强的可靠性和长期稳定性。其中DHT11型号的温湿度传感器内部信息互通采用单线制串行接口，这种接口针对于短距离无线通信网有很大优势，会使系统处理信息简易快捷。

3 软件设计

基于ZigBee的高层建筑火灾监控系统软件设计流程图如图5所示。本系统引入数值概率算法，结合环境参数来保证系统的可靠性和即时性。

图5 火灾监控系统软件设计流程

拟定了高层建筑火灾数学模型和火灾发生概率的判决规则，具体内容如下：

在高层建筑内发生火灾的概率由可燃气体的标准差和均值共同影响。故对高层建筑内火灾监控系统参数进行控制，假设t0表示火灾监控系统的统计分析时间；s建筑内可燃性气体浓度的标准差；fs表示对可燃性气体信息采集的频率；E表示可燃性气体浓度的均值；p表示高层建筑火灾发生的概率。式(1)代表高层建筑火灾发生概率p与可燃性气体浓度标准差s的关系，式(2)代表高层建筑火灾发生概率p与高层建筑可燃性气体浓度均值E的关系。

ps=f1(s)

(1)

pE=f2(E)

(2)

式(1)能够简化为以下数学线性模型：

(3)

其中：sF代表高层建筑可燃性气体标准差阈值；sM代表可燃性气体的标准差饱和值；σ代表可燃性气体标准差系数σ=1/(sM-sF)。

通过分析式(3)可得，高层建筑内可燃性气体浓度的变化与标准差s值的变化有很大关系。当可燃性气体标准差s值变化并逐渐变大时，相同时间内建筑内可燃性气体浓度的变化量逐渐明显。当高层建筑内可燃性气体浓度标准差s渐渐达到可燃性气体标准差阈值sF的时候，环境中出现火灾产生的概率p。这时候火灾发生概率p与s之间的关系为正比例关系。火灾发生概率p会随着可燃性气体浓度标准差s的增大而增大。当标准差s增大到标准差饱和值sM的时候，系统可以判定通过高层建筑内可燃性气体浓度可以诱导火灾发生。

通过分析，可将式(2)简化得到

(4)

式中：EF表示高层建筑内可燃性气体浓度均值饱和值；EM表示高层建筑内可燃性气体浓度均值饱和值；pel表示高层建筑可燃性气体浓度均值影响概率下限；η表示高层建筑内可燃性气体浓度均值的系数，η=(1-pel)/(EM-EF)。

由高层建筑内可燃性气体浓度标准差和均值得到可燃性气体浓度影响高层建筑内火灾发生的概率p1影响函数：

p1=ps·pE

(5)

同理，针对高层建筑受湿度、温度和烟雾浓度等三种物理因素的影响，分析可得火灾发生概率为：

(6)

式中，pi(i=2,3,4)表示由温度信号、湿度信号或者烟雾浓度信号等三种环境参数分别诱导高层建筑产生火灾的概率值；aF表示温度信号、湿度信号或烟雾浓度信号等三种信号的相应阈值；aM代表温度信号、湿度信号或者烟雾信号等三种信号的相应的饱和值；l代表温度信号、湿度信号或烟雾浓度信号等三种信号的相应的影响系数l=1/(aM-aF)。

假定p2=f2(β),p3=f3(γ)，p4=f4(α)其中α代表高层建筑内烟雾浓度信号，β代表高层建筑内湿度信号，γ代表高层建筑内温度信号。通过分析上述高层建筑内可燃性气体浓度、烟雾浓度、温度以及湿度各物理信息参数，分别得到各个信号诱导火灾发生的影响系数。之后对上述参数各自进行概率加权和计算，可得到高层建筑内由四种环境参数引发火灾的总体概率：

+f2(β)λ2+f3(γ)λ3+f4(α)λ4

(7)

式中，pi代表针对一类物理参数影响时得到的高层建筑火灾发生概率；λi(i=2,3,4)代表相对应的火灾发生影响系数。

假定φ代表火灾发生危险系数，则能够得到一个与火灾发生概率p之间关系的数学模型。该模型可以用以下表示：

(8)

式中，φ(p)表示火灾发生等级；pτ火灾发生预警概率阈；pM代表高层建筑内火灾监控系统进行火灾警告的概率饱和值；km代表高层建筑内火灾监控系统进行火情级别划分的最高等级；t代表火灾监控系统对火情级别的折算系数t=km/(pM-pτ)。

经以上数学模型分析可得，当建筑物火灾发生概率低于警告概率阈值pτ时，则系统判定，该高层建筑是安全的，不会发出警告；若建筑物火灾发生概率超于警告概率阈值pτ时，则系统判定该高层建筑可能会发生火灾，马上发出警告。经计算可得，火情产生的危险系数φ(p)与火情产生概率p之间存在的关系为正反馈关系。建筑内火灾产生的危险系数φ(p)越高，火灾的产生概率p越大。若建筑物火灾发生概率超于警告概率饱和值pM时，则系统判定该高层建筑正在发生火灾，火灾监控系统控制程序发出警报。

4 实验及结果分析

本文提出的高层建筑火灾监控系统通过概率判决算法对火灾监控的流程和准确性进行优化，使得此系统有更高的准确率和更短的反应时间。传统的火灾监控系统在设计判决流程时判决参数单一，有一定的误判风险。为了验证本系统的可靠性和实用性，通过模拟建筑火灾发生状况，与普遍应用于建筑中的传统火灾监控系统进行仿真实验对比测试，分析比较实验结果。为简述实验过程，本文提出的高层建筑火灾监控系统定义为实验组；传统火灾监控系统定义为对照组。

基于高层建筑体积大、人流量大、功能繁杂、扑救和疏散人群困难等特点下，为了保证火灾监控系统应用后的可靠性，在MATLAB仿真中模拟高层建筑环境，在实验环境内设置10层，每层环境大小为5 m×5 m，布设4个节点，包1个终端监测节点、1个参考节点和2个路由节点，底层布设协调器节点和上位机。

利用实验组进行火灾实验测试：在24小时内进行每层4组共计40组实验，20组实时监控，20组火灾模拟。系统采集实验环境数据，因实验环境设置在室内，周围环境参数无突变因素，所以实验结果具有较高的准确性。

表2 实验组40组火灾监控模拟数据结果

在传感器采集到环境参数数据后，根据已建好的概率判决数学模型分析，在达到发生火灾的参数阈值后进行火灾报警。同时得到每次的报警响应时间，具体如图6所示。

图6 20组火灾监控系统报警响应时间

利用对照组进行火灾实验测试：设置与实验组同样的环境参数，为了避免在实验组进行火灾实验时对环境因素产生的影响，屋内开窗通风24小时，并再隔24小时后进行实验过程。同样在24小时内进行40组实验，20组实时监控，20组火灾模拟。实验监测如图7所示。

图7 对照组火灾监控系统火情模拟

将对照组发现火灾报警用时与实验组结果进行对比分析，分析结果如图8所示。

图8 火灾发生反应时间对比实验

从图8可以看出，相较对照组，实验组在反应时间上有很大优势，仅为对照组的四分之一。

同理，与是否进行火灾模拟进行联系，同时对以上实验结果进行分析，可以清晰的计算出火灾监控系统的报警准确率。分别对实验组与对照组面对火灾的报警准确率进行对比可得，实验组报警准确率也高于对照组，结果如图9所示。

图9 火灾发生反应时间对比实验

5 结论

(1) 本文提出的基于ZigBee短距离无线通信技术的监控报警系统，适用于高层建筑室内环境，能够准确实现火灾监控报警功能。

(2) 引入了数值概率算法构建数学模型，该算法的判决方式采用概率加权和计算，提高了系统进行火灾监控预警的可靠性和即时性。

(3) 经过实验测试，本系统报警反应时长仅为传统火灾监控系统报警反应时长的四分之一，准确率也有一定提升。

(4) 该系统拥有较快的报警响应速度、较高的准确率，并且通过实验验证了结论的可行性与可靠性。该系统安装简易，适用环境广，对提升高层建筑火灾探测能力，能够进行合理的风险管控，具有一定的现实意义。