基于ZigBee的高層建筑無線火災報警系統

摘要 選取CC2430作為無線網絡的核心芯片，構建一個ZigBee星形網絡來實現無線火災報警系統的簡化模型。通過該無線網絡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，判斷是否有火災發生，定時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濟效益。
關鍵詞 ZigBee；星形網絡；火災報警；高層建筑

近年來，隨著建筑材料中使用的易燃材料增多，對樓宇火災報警系統提出了更高的要求。無線傳感器網絡和ZigBee技術的應用，解決了傳統的有線火災報警系統誤報警率較高、布線復雜以及維護困難的問題，使火災報警系統實現了網絡化、自動化、智能化。
ZigBee技術是短距離無線通信技術，其節點電池工作時間可達6個月至兩年，由于功耗低，被業界認為是最有可能應用在工業控制、傳感器網絡、家庭監控、安全系統等場合的無線方式。使用2．4 GHz波段，采用跳頻技術和擴頻技術，可與254個節點聯網，節點可以是各種儀器和家庭自動化應用設備。其采用IEEE802．15．4作為其物理層和MAC層規范，ZigBee聯盟制定網絡層(NWwK)規范，用戶可根據自己的需要，對應用層進行開發利用，因此該技術能夠為用戶提供機動、靈活的組網方式。基于上述原因，文中提出了一種基于ZigBee無線網絡的火災報警系統，完成了對樓宇火災情形的實時監測和報警。

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探測節點及復雜的網絡，所需成本較大，設計周期較長，設計采用簡化的模型模擬一個火災報警系統，如圖1所示，采用星形網絡，用12個終端節點和1個協調器節點構成火災報警系統的數據傳輸網絡。其中每個房間放置2個終端節點，分別與一個溫度傳感器和一個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，1小時便能引起人的中毒；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℃。
協調器節點接收到數據后，綜合判斷是否有火災發生，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判斷是否發生火災，如有火災發生，則發出相應的警報：一氧化碳氣體濃度、溫度標志位只有一個為1時，發出警報I；一氧化碳濃度、溫度標志位二者均為1時，發出警報II。

2 系統的硬件設計
文中協調器節點和終端節點采用CC2430芯片作為處理器芯片，CC2430芯片以強大的IAR集成開發環境為支持，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協議。其片上集成了一個增強型工業標準的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、廉價的ZigB ee節點構建。結合了TI／Chipcon業界領先的ZigBee協議棧之后，CC2430被認為是市場上最具競爭力的ZigBee解決方案。
系統的硬件設計由3部分組成：終端節點、協調器節點、電源設計。其中終端節點設計和協調器節點設計為文中的重點。
2．1 終端節點硬件設計
設計中每個房間放置2個終端節點，分別與一個溫度傳感器和一個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，其特點是低功耗、低成本、對一氧化碳選擇性高、靈敏度高、壽命長、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。