基于ZigBee的高層建筑無(wú)線(xiàn)火災報警系統

摘要 選取CC2430作為無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的核心芯片，構建一個(gè)ZigBee星形網(wǎng)絡(luò )來(lái)實(shí)現無(wú)線(xiàn)火災報警系統的簡(jiǎn)化模型。通過(guò)該無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )傳輸樓層各房間的一氧化碳濃度和溫度信息，并由控制中心根據預先設定的規則，判斷是否有火災發(fā)生，定時(shí)報告該高層建筑的安全情況。該系統具有較好的應用前景和經(jīng)濟效益。
關(guān)鍵詞 ZigBee；星形網(wǎng)絡(luò )；火災報警；高層建筑

近年來(lái)，隨著(zhù)建筑材料中使用的易燃材料增多，對樓宇火災報警系統提出了更高的要求。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )和ZigBee技術(shù)的應用，解決了傳統的有線(xiàn)火災報警系統誤報警率較高、布線(xiàn)復雜以及維護困難的問(wèn)題，使火災報警系統實(shí)現了網(wǎng)絡(luò )化、自動(dòng)化、智能化。
ZigBee技術(shù)是短距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，其節點(diǎn)電池工作時(shí)間可達6個(gè)月至兩年，由于功耗低，被業(yè)界認為是最有可能應用在工業(yè)控制、傳感器網(wǎng)絡(luò )、家庭監控、安全系統等場(chǎng)合的無(wú)線(xiàn)方式。使用2．4 GHz波段，采用跳頻技術(shù)和擴頻技術(shù)，可與254個(gè)節點(diǎn)聯(lián)網(wǎng)，節點(diǎn)可以是各種儀器和家庭自動(dòng)化應用設備。其采用IEEE802．15．4作為其物理層和MAC層規范，ZigBee聯(lián)盟制定網(wǎng)絡(luò )層(NWwK)規范，用戶(hù)可根據自己的需要，對應用層進(jìn)行開(kāi)發(fā)利用，因此該技術(shù)能夠為用戶(hù)提供機動(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(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的火災報警系統，完成了對樓宇火災情形的實(shí)時(shí)監測和報警。

1 系統的總體方案
由于構建大型的火災報警系統需要多個(gè)探測節點(diǎn)及復雜的網(wǎng)絡(luò )，所需成本較大，設計周期較長(cháng)，設計采用簡(jiǎn)化的模型模擬一個(gè)火災報警系統，如圖1所示，采用星形網(wǎng)絡(luò )，用12個(gè)終端節點(diǎn)和1個(gè)協(xié)調器節點(diǎn)構成火災報警系統的數據傳輸網(wǎng)絡(luò )。其中每個(gè)房間放置2個(gè)終端節點(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。

根據測定分析，空氣中的一氧化碳0．01％；當空氣中一氧化碳濃度達到0．06％時(shí)，1小時(shí)便能引起人的中毒；如果達到0．32％，只需30 min，人便可陷入昏迷致死亡。因此本設計CO濃度上限NH設定為0．06％，溫度上限TH設定為30～35℃。
協(xié)調器節點(diǎn)接收到數據后，綜合判斷是否有火災發(fā)生，其判定的規則為：(1)如果溫度或一氧化碳濃度超限，則分別置標志位為1，否則為0。(2)根據溫度和一氧化碳濃度的標志位來(lái)判斷是否發(fā)生火災，如有火災發(fā)生，則發(fā)出相應的警報：一氧化碳氣體濃度、溫度標志位只有一個(gè)為1時(shí)，發(fā)出警報I；一氧化碳濃度、溫度標志位二者均為1時(shí)，發(fā)出警報II。

2 系統的硬件設計
文中協(xié)調器節點(diǎn)和終端節點(diǎn)采用CC2430芯片作為處理器芯片，CC2430芯片以強大的IAR集成開(kāi)發(fā)環(huán)境為支持，是TI／Chipcon公司推出的系統芯片(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)增強型工業(yè)標準的8位8051微控制器內核，片內資源豐富，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節點(diǎn)構建。結合了TI／Chipcon業(yè)界領(lǐng)先的ZigBee協(xié)議棧之后，CC2430被認為是市場(chǎng)上最具競爭力的ZigBee解決方案。
系統的硬件設計由3部分組成：終端節點(diǎn)、協(xié)調器節點(diǎn)、電源設計。其中終端節點(diǎn)設計和協(xié)調器節點(diǎn)設計為文中的重點(diǎn)。
2．1 終端節點(diǎn)硬件設計
設計中每個(gè)房間放置2個(gè)終端節點(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，是一種電阻式半導體氣體傳感器，其特點(diǎn)是低功耗、低成本、對一氧化碳選擇性高、靈敏度高、壽命長(cháng)、受濕度的影響小，抑制了對酒精的靈敏度，工作于極短的脈沖加熱方式。TGS2442對一氧化碳有高選擇性，所以適于一氧化碳氣體檢測。其內部電路如圖2所示。