基于ZigBee的高層建筑無線火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)

摘要 選取CC2430作為無線網(wǎng)絡(luò)的核心芯片，構(gòu)建一個(gè)ZigBee星形網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)無線火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的簡(jiǎn)化模型。通過該無線網(wǎng)絡(luò)傳輸樓層各房間的一氧化碳濃度和溫度信息，并由控制中心根據(jù)預(yù)先設(shè)定的規(guī)則，判斷是否有火災(zāi)發(fā)生，定時(shí)報(bào)告該高層建筑的安全情況。該系統(tǒng)具有較好的應(yīng)用前景和經(jīng)濟(jì)效益。
關(guān)鍵詞 ZigBee；星形網(wǎng)絡(luò)；火災(zāi)報(bào)警；高層建筑

近年來，隨著建筑材料中使用的易燃材料增多，對(duì)樓宇火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)提出了更高的要求。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和ZigBee技術(shù)的應(yīng)用，解決了傳統(tǒng)的有線火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)誤報(bào)警率較高、布線復(fù)雜以及維護(hù)困難的問題，使火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)化、自動(dòng)化、智能化。
ZigBee技術(shù)是短距離無線通信技術(shù)，其節(jié)點(diǎn)電池工作時(shí)間可達(dá)6個(gè)月至兩年，由于功耗低，被業(yè)界認(rèn)為是最有可能應(yīng)用在工業(yè)控制、傳感器網(wǎng)絡(luò)、家庭監(jiān)控、安全系統(tǒng)等場(chǎng)合的無線方式。使用2．4 GHz波段，采用跳頻技術(shù)和擴(kuò)頻技術(shù)，可與254個(gè)節(jié)點(diǎn)聯(lián)網(wǎng)，節(jié)點(diǎn)可以是各種儀器和家庭自動(dòng)化應(yīng)用設(shè)備。其采用IEEE802．15．4作為其物理層和MAC層規(guī)范，ZigBee聯(lián)盟制定網(wǎng)絡(luò)層(NWwK)規(guī)范，用戶可根據(jù)自己的需要，對(duì)應(yīng)用層進(jìn)行開發(fā)利用，因此該技術(shù)能夠?yàn)橛脩籼峁C(jī)動(dòng)、靈活的組網(wǎng)方式。基于上述原因，文中提出了一種基于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)，完成了對(duì)樓宇火災(zāi)情形的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和報(bào)警。

1 系統(tǒng)的總體方案
由于構(gòu)建大型的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)需要多個(gè)探測(cè)節(jié)點(diǎn)及復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)，所需成本較大，設(shè)計(jì)周期較長(zhǎng)，設(shè)計(jì)采用簡(jiǎn)化的模型模擬一個(gè)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)，如圖1所示，采用星形網(wǎng)絡(luò)，用12個(gè)終端節(jié)點(diǎn)和1個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)。其中每個(gè)房間放置2個(gè)終端節(jié)點(diǎn)，分別與一個(gè)溫度傳感器和一個(gè)一氧化碳傳感器相連，采集一氧化碳濃度和溫度信息。

根據(jù)測(cè)定分析，空氣中的一氧化碳0．01％；當(dāng)空氣中一氧化碳濃度達(dá)到0．06％時(shí)，1小時(shí)便能引起人的中毒；如果達(dá)到0．32％，只需30 min，人便可陷入昏迷致死亡。因此本設(shè)計(jì)CO濃度上限NH設(shè)定為0．06％，溫度上限TH設(shè)定為30～35℃。
協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)接收到數(shù)據(jù)后，綜合判斷是否有火災(zāi)發(fā)生，其判定的規(guī)則為：(1)如果溫度或一氧化碳濃度超限，則分別置標(biāo)志位為1，否則為0。(2)根據(jù)溫度和一氧化碳濃度的標(biāo)志位來判斷是否發(fā)生火災(zāi)，如有火災(zāi)發(fā)生，則發(fā)出相應(yīng)的警報(bào)：一氧化碳?xì)怏w濃度、溫度標(biāo)志位只有一個(gè)為1時(shí)，發(fā)出警報(bào)I；一氧化碳濃度、溫度標(biāo)志位二者均為1時(shí)，發(fā)出警報(bào)II。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
文中協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)采用CC2430芯片作為處理器芯片，CC2430芯片以強(qiáng)大的IAR集成開發(fā)環(huán)境為支持，是TI／Chipcon公司推出的系統(tǒng)芯片(SoC)CMOS解決方案，支持2．4 GHz IEEE802．15．4 ZigBee協(xié)議。其片上集成了一個(gè)增強(qiáng)型工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的8位8051微控制器內(nèi)核，片內(nèi)資源豐富，外圍支持電路簡(jiǎn)單、超低功耗、高靈敏度、出眾的抗噪聲及抗干擾能力，且所用元件均為低成本型，可支持快速、廉價(jià)的ZigB ee節(jié)點(diǎn)構(gòu)建。結(jié)合了TI／Chipcon業(yè)界領(lǐng)先的ZigBee協(xié)議棧之后，CC2430被認(rèn)為是市場(chǎng)上最具競(jìng)爭(zhēng)力的ZigBee解決方案。
系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)由3部分組成：終端節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、電源設(shè)計(jì)。其中終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)為文中的重點(diǎn)。
2．1 終端節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)中每個(gè)房間放置2個(gè)終端節(jié)點(diǎn)，分別與一個(gè)溫度傳感器和一個(gè)CO傳感器相連，采集一氧化碳濃度和溫度信息。其中CO傳感器采用TGS 2442，是一種電阻式半導(dǎo)體氣體傳感器，其特點(diǎn)是低功耗、低成本、對(duì)一氧化碳選擇性高、靈敏度高、壽命長(zhǎng)、受濕度的影響小，抑制了對(duì)酒精的靈敏度，工作于極短的脈沖加熱方式。TGS2442對(duì)一氧化碳有高選擇性，所以適于一氧化碳?xì)怏w檢測(cè)。其內(nèi)部電路如圖2所示。