基于物联网ZigBee 技术的家庭智能消防预警系统的设计与研究

◎董 萍

（三门峡职业技术学院信息传媒学院，河南 三门峡 472000）

随着时代的进步和高科技水平的迅猛发展，我国的经济水平有了较大提高。高层建筑具有兼容性强、容纳性高和占地面积小等特点，在一线城市深受青睐。火灾隐患是危害高层建筑家庭智能系统安全的重要因素，是目前造成人员伤亡以及财产损失事故的主要来源之一。“智能家居”“智慧城市”“智慧消防”等字眼已深入到人们日常的生活中。家庭智能消防预警控制技术与物联网技术相结合能极大地改变人们的生活方式。设计合理的家庭智能消防预警系统能有效感知火灾信息，使消防救援人员及时做出正确的决策，控制火灾事故的发生，尽量减少火灾带来的经济损失和人员伤亡。

1 高层建筑火灾隐患的特点

高层建筑具有火灾隐患多、火势蔓延速度快、人员疏散困难、救援难度大等特点，个别高层建筑存在消防车道宽度不足、设施维护保养不到位，安全疏散设施占用、堵塞、损坏，生命通道不畅通、建筑外墙采用易燃可燃外保温材料、消防设施严重缺失、故障、损坏、停用现象严重，多数高层未设置双电源，电缆井、管道井封堵不严、敷设杂物，火灾蔓延风险较大。同时，消防车道未进行标识化管理，小区内私家车占用消防车道、楼道内堆放杂物，尤其是地下室内，火灾荷载较大，隐患较多。绝大多数高层建筑未设置消防车登高作业场地，一旦发生险情，消防登高车将无法停靠开展救援；小区私家车停车位严重不足，住户占用、堵塞消防车通道等弊端，一旦发生火灾，波及范围大，建筑物的内部管道、楼梯、电梯等火势蔓延速度极快，人员疏散较为困难，后果非常严重，高层建筑家庭智能的消防安全隐患问题不容忽视。

传统的消防预警系统存在安装与检修困难，不支持基于物联网的统一管理与监控等弊端。加强火灾预警系统的设施建设是目前防范火灾事故的重点，将火灾事故的发生控制在火灾的萌芽阶段是摆在每一名消防工作人员亟待解决的问题。具备安全可靠的消防预警系统对于保障城市的正常运行极为重要。

2 基本概念

2.1 ZigBee 技术

ZigBee 技术适用于距离范围短的数据之间的传输，能够支持多种网络拓扑结构，组网灵活多样，其协议栈总体架构分为物理层、网络层和应用层三部分[1]。ZigBee 通信协议结构如图1 所示。

图1 ZigBee 通信协议结构图

2.2 WiFi 技术

WiFi 技术具有价位低、传输速率高、抗干扰能 力 强 的 特 点， 具 有 Ad -hoc WiFi 和Infrastructure 两种工作模式，已经广泛应用于人们的工作、生活等各个领域。

2.3 NFC 技术

NFC 是一种应用于短距离通信的技术，具有有源和无源两种设备[2]。前者主要应用于公交车的读卡器、智能手机的支付和各类公司、企事业单位的打卡器。后者主要指NFC 标签与其他微发射器。

2.4 物联网技术

物联网是物物相连的互联网，具有全面感知、可靠传送和智能处理三大特性，用来实现智能化识别，让所有能够被独立寻址的普通物理对象实现互联互通的网络，具有泛在感知、可靠传输、智慧处理的智能服务系统[3][5]。

在日常生活中，设备和系统被安装上低成本的传感器和调节器，收集和分析各类获取的数据信息，对数据信息进行监控、传输和检索。物联网包括连接设备、电源管理、安全系统、分析系统五大领域的核心技术，传感器节点主要负责实时采集外部温湿度数据。中瑞思创、九安医疗、东软集团、天泽信息、顺网科技、美的集团、格力电器等都是物联网技术的上市公司[5-6]。

3 预警系统的总体设计

3.1 预警系统架构

基于物联网ZigBee 技术的家庭智能消防预警系统能够根据现场温度和湿度环境，依据终端节点传感器对各类数据进行数据采集，并通过ZigBee 协调器节点发送数据给终端控制器进行预警处理，促使消防火灾预防的智能化和系统化。

消防预警系统分为应用、数据、网络、感知四层。

其中，感知层主要是通过具有火灾报警功能、自检功能、消音功能、低电量报警功能、故障报警功能，防拆报警功能的烟感报警器实现，独立式感烟探测器具有成本低、易安装的特点，能够实时检测烟雾和远程监控设备状态，能通过语音电话、短信、App、平台报警等多重方式通知报警信息，实现火灾事故的早发现、早报警。数据层主要通过管理监控云平台实现，云平台能够实现燃气隐患上报和处理，能够对相关的燃气泄漏报警信息的时间、地点、频次进行多纬度的数据展览，并能够还原泄漏点的位置、电话拨打记录、联系人确认情况等信息，为燃气事故调查提供严谨的科学依据。同时平台可以对网关，探测器的安装地点、转台进行查询、展示。预警系统框架如图2 所示。

图2 预警系统框架图

数据库对由感知层获取的火警数据、设备报警等各类信息分析和处理，平台通过电话自动语音、短信、App 推送及时将烟雾报警信息发送至小区消防负责人员和小区业主，设备维修工作人员通过手机App 客户端接收设备的维修信息，消防救援支队管理部门通过Web 对后台数据库进行统计分析确认工作。促使各个机构和部门的协同管理。

3.2 系统模块功能分析

基于物联网ZigBee 技术的家庭智能消防预警系统主要包括ZigBee 节点模块、传感器模块、电源模块、微控制中心模块、网关模块的设计。以照明系统为例，主要包括驱动电路模块、终端模块、协调器、控制中心、上位机部分，其主要功能如表1 所示。

表1 照明系统主要功能表

4 预警系统方案设计

预警系统的终端设备和网关之间通过Lora（Long Range）进行通信，并采用多入多出MIMO技术增强系统的可靠性和灵活性。为了降低终端设备的成本，系统采用星型网络拓扑结构。

4.1 移动App 模块设计

本模块主要包括用于负责火灾提醒的报警信息处理模块、终端设备故障信息以及异常报告提示的设备维护模块等。App 应用模块的功能，如图3 所示。

图3 移动App 模块图

4.2 云平台管理数据库设计

云平台管理模块具有火警预测、故障预报、设备维修等功能，能够对接上级消防救援支队的消防指挥中心部门，该部门对消防报警的各类数据进行统计分析，制作报表供各级领导进行决策。基于Web 云平台管理模块如图4 所示。

图4 基于Web 云平台管理模块图

5 预警系统硬件实现

5.1 系统硬件结构

基于物联网ZigBee 技术的家庭智能消防预警系统主要包括节点模块、传感器模块、烟雾传感器模块、温湿度传感器模块、火焰传感器模块、电源模块、控制中心MCU 及网关模块的硬件设计。该系统选用性能高、功耗低、体积小、接口丰富的ARM 处理器作为本系统的嵌入式处理器。系统的主控处理器选用三星公司开发的S3C2401A 处理器，该处理器价格低廉，可靠性高，且具备MMU，可以支持嵌入式Linux 系统，资源较为丰富。家庭智能系统网关就是一个基于ARM 的嵌入式硬件开发平台，主要包括S3C2401A 处理器、存储器模块、电源模块、串口通信模块、以太网模块、GSM 扩展模块。家庭智能系统网关硬件结构如图5 所示。

图5 基于物联网ZigBee 技术的家庭智能消防预警系统图

在ZigBee 节点模块的设计过程中，采用组网功能强、包含不同可编程闪存的由T1 公司生产的具有低功耗的CC2530 芯片。在系统的设计过程中，具有一个对危险源感知的准确性和信息反馈的及时性的多功能传感器网络显得尤为重要。系统采用MQ-2 气敏烟雾传感器检测空气中各种成分的浓度来实现火灾的监测，电路图如图6 所示。

图6 MQ- 2 烟雾传感器电路图

5.2 S3C2401A 处理器

S3C2401A 处理器不仅集成了16KB 指令的高速缓冲存储器，而且集成了LCD 控制器、网卡控制器、DMA 控制器、多通道定时器、内嵌EMI接口、海量外部中断，用于用户交互设备和控制系统中，为用户提供简化的硬软件设计，并提供了非常丰富的开发接口。S3C2401A 处理器支持虚拟存储管理，支持大端和小端的存储格式，有1GB 的寻址空间。S3C2401A 的时钟与电源管理共有6 个专用寄存器，并且支持NAND Flash 启动，被广泛应用于各类电子产品中。

5.3 SDRAM 存储器电路

SDRAM 存储器具有较快的存取访问速度，经常被应用到嵌入式系统中。S3C2401A 处理器集成了SDRAM 存储器。S3C2410A 处理器的Bank6 和Bank7 支持SDRAM 存储器，其中Bank6能够作为SDRAM 存储空间。

6 系统软件实现

基于物联网ZigBee 技术的家庭智能消防预警系统在软件设计方面，主要是在Windows CE6.0 平台上开发的，软件总体架构包括OEM层、操作系统层、应用程序层。OEM 层主要实现家庭智能消防预警系统各种硬件设备的初始化和驱动功能，操作系统层是用来协调OEM 层和应用程序层，应用程序层主要存储用户接口的各种程序、家庭智能消防预警系统控制器的各种应用程序等。

6.1 软件开发环境搭建

软件开发环境采用的是交叉编译器IAR，这是一款基于C 语言、支持多种微处理器开发、使用方便、代码科学紧凑、能够直接使用Z-Stack协议栈进行二次开发的交叉编译器。

6.2 Z-Stack 协议栈

Z-Stack 协议栈的功能就是以函数的形式将各层协议提供给用户在应用层直接调用。ZStack 协议栈本身就是一个操作系统，随着定时器周而复始地计时，任务也不断轮询。

6.3 终端节点软件设计

终端节点主要包括将收集的数据发送给协调器节点和接受来自协调器的指令这两个功能。传感器模块和CC2530 芯片的终端节点启动后，开始对设备进行初始化，然后扫描信道，加入ZigBee 网络，获取协调器的响应，并为协调器分配一个地址。终端节点工作原理如图7 所示。

图7 终端节点工作原理图

7 预警系统的测试与分析

预警系统测试主要包含ZigBee 组网与通信、控制中心MCU 与网关、终端节点上传、系统功能集成四个方面的测试。其中，ZigBee 组网测试是家庭智能消防预警系统正常运行的关键。下面以终端节点上传测试为例进行介绍。

终端节点主要指ZigBee 传感器模块，包括烟雾、温湿度、火焰传感器三个模块。当发生火灾时，可以通过传感器感受周围的环境，对温度和湿度进行测试。终端节点上传测试如图8 所示。

图8 终端节点上传测试结果图

经过测试，终端节点可以完成数据收集、上传、警示灯亮灭等功能，串口打印的数据比较准确，终端节点符合要求，系统安全可靠、稳定性强、功耗低、实验效果良好，能够满足家庭智能消防预警的需求。同时，各项测试结果数据均表明各个模块设计合理，系统符合实际需求。

8 结论

住宅智能化是家居环境的革新和未来居住模式发展的必然趋势。论文设计的基于物联网ZigBee 技术的家庭智能消防预警系统能够极大地节省终端链路成本，缩短消防的响应时间和处理速度，降低火灾经济财产损失、人员伤亡，加强消防部门检查，加强对家庭火灾的智能防控能力，提高家庭消防的安全管理标准。