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基于ZigBee的高层建筑无线火灾报警系统

时间:08-13 来源:互联网 点击:

摘要 选取CC2430作为无线网络的核心芯片,构建一个ZigBee星形网络来实现无线火灾报警系统的简化模型。通过该无线网络传输楼层各房间的一氧化碳浓度和温度信息,并由控制中心根据预先设定的规则,判断是否有火灾发生,定时报告该高层建筑的安全情况。该系统具有较好的应用前景和经济效益。
关键词 ZigBee;星形网络;火灾报警;高层建筑

近年来,随着建筑材料中使用的易燃材料增多,对楼宇火灾报警系统提出了更高的要求。无线传感器网络和ZigBee技术的应用,解决了传统的有线火灾报警系统误报警率较高、布线复杂以及维护困难的问题,使火灾报警系统实现了网络化、自动化、智能化。
ZigBee技术是短距离无线通信技术,其节点电池工作时间可达6个月至两年,由于功耗低,被业界认为是最有可能应用在工业控制、传感器网络、家庭监控、安全系统等场合的无线方式。使用2.4 GHz波段,采用跳频技术和扩频技术,可与254个节点联网,节点可以是各种仪器和家庭自动化应用设备。其采用IEEE802.15.4作为其物理层和MAC层规范,ZigBee联盟制定网络层(NWwK)规范,用户可根据自己的需要,对应用层进行开发利用,因此该技术能够为用户提供机动、灵活的组网方式。基于上述原因,文中提出了一种基于ZigBee无线网络的火灾报警系统,完成了对楼宇火灾情形的实时监测和报警。

1 系统的总体方案
由于构建大型的火灾报警系统需要多个探测节点及复杂的网络,所需成本较大,设计周期较长,设计采用简化的模型模拟一个火灾报警系统,如图1所示,采用星形网络,用12个终端节点和1个协调器节点构成火灾报警系统的数据传输网络。其中每个房间放置2个终端节点,分别与一个温度传感器和一个一氧化碳传感器相连,采集一氧化碳浓度和温度信息。

根据测定分析,空气中的一氧化碳0.01%;当空气中一氧化碳浓度达到0.06%时,1小时便能引起人的中毒;如果达到0.32%,只需30 min,人便可陷入昏迷致死亡。因此本设计CO浓度上限NH设定为0.06%,温度上限TH设定为30~35℃。
协调器节点接收到数据后,综合判断是否有火灾发生,其判定的规则为:(1)如果温度或一氧化碳浓度超限,则分别置标志位为1,否则为0。(2)根据温度和一氧化碳浓度的标志位来判断是否发生火灾,如有火灾发生,则发出相应的警报:一氧化碳气体浓度、温度标志位只有一个为1时,发出警报I;一氧化碳浓度、温度标志位二者均为1时,发出警报II。

2 系统的硬件设计
文中协调器节点和终端节点采用CC2430芯片作为处理器芯片,CC2430芯片以强大的IAR集成开发环境为支持,是TI/Chipcon公司推出的系统芯片(SoC)CMOS解决方案,支持2.4 GHz IEEE802.15.4 ZigBee协议。其片上集成了一个增强型工业标准的8位8051微控制器内核,片内资源丰富,外围支持电路简单、超低功耗、高灵敏度、出众的抗噪声及抗干扰能力,且所用元件均为低成本型,可支持快速、廉价的ZigB ee节点构建。结合了TI/Chipcon业界领先的ZigBee协议栈之后,CC2430被认为是市场上最具竞争力的ZigBee解决方案。
系统的硬件设计由3部分组成:终端节点、协调器节点、电源设计。其中终端节点设计和协调器节点设计为文中的重点。
2.1 终端节点硬件设计
设计中每个房间放置2个终端节点,分别与一个温度传感器和一个CO传感器相连,采集一氧化碳浓度和温度信息。其中CO传感器采用TGS 2442,是一种电阻式半导体气体传感器,其特点是低功耗、低成本、对一氧化碳选择性高、灵敏度高、寿命长、受湿度的影响小,抑制了对酒精的灵敏度,工作于极短的脉冲加热方式。TGS2442对一氧化碳有高选择性,所以适于一氧化碳气体检测。其内部电路如图2所示。


VH用于维持敏感素子处于与对象气体(CO气体)相适应的特定温度而施加在集成的加热器上,VC则用于测定与传感器串联的负载电阻RL上的两端电压VOUT,当传感器探测到一氧化碳气体时,传感器的内阻RS变小,输出电压VOUT迅速上升,即一氧化碳气体浓度达到一定程度时,对应RS阻值会随之变化。CO传感器与终端节点连接如图3所示。

温度传感器采用单总线智能温度传感器DS18B20,该器件为单片结构、体积小,外部只有3个引脚。与传统的热敏电阻相比,DS18B20不需运算放大器,可直接读出被测温度,并根据实际要求通过编程来实现9~12位的数字值读数。而且具有微型化、低功耗、高性能、易于微处理器连接和抗干扰能力强等优点,即适合与单片机构成智能温度检测系统。温度传感器与终端节点连接如图4所示。

2.2 协调器节点硬件设计
协调器接收数据后,根据预先设定的规则,判断是否有火灾发生,其外围电路包括:蜂鸣器电路、状态指示灯电路、液晶显示电路等。
(1)蜂鸣器电路。CC2430的P1.3口输出的是控制信号,Q1相当于一个电子开关,用于控制蜂鸣器的供电通断。当P1.3口输出高电平时,Q1饱和导通,LS1通电工作发出声响,当P1.3口输出为低电平时,Q1截止,蜂鸣器断电,停止工作。如图5所示。

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