基于ZigBee的高层建筑无线火灾报警系统

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。