基于ZigBee技術(shù)的火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)(精)

1、基于 ZigBee 技術(shù)的火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)112汪洋文杰 王 楠司軼芳(1.北京中外建建筑設(shè)計(jì)有限公司 西北分公司 陜西 西安 710075;2.西安建筑科技大學(xué) 信息與控制工程學(xué)院 陜西 西安 710055摘 要提出 ZigBee 技術(shù)在火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)的應(yīng)用。以 ZigBee 的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì) 為依據(jù) ,詳細(xì)介紹 ZigBee 技術(shù)在火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)中的應(yīng)用 ,論述該系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案及 硬件設(shè)計(jì)方案?？梢蕴岣呋馂?zāi)報(bào)警的可靠性、靈活性以及降低安裝、運(yùn)行成本。關(guān)鍵詞ZigBee 火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)中圖分類(lèi)號(hào) :TP2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 :A 文章編號(hào) :1671-7597(20090920030-02火災(zāi)自動(dòng)

2、報(bào)警系統(tǒng) (FAS 是樓宇自控系統(tǒng) (BAS 的分系統(tǒng) ,服務(wù)于樓宇自控系統(tǒng) , 它可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)和通報(bào)火情 ,并采取有效措施控制 ,提高建筑物的防災(zāi)自救能力。引言目前主要的火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)大多采用有線方式構(gòu)建火災(zāi)傳感器網(wǎng)絡(luò),這類(lèi)方式耗材多、施工與維護(hù)復(fù)雜 ,擴(kuò)展能力差 ,線路容易老化或腐蝕、磨損 ,故障發(fā)生率高 線,并且不易排查修理。新興的無(wú)線傳感技術(shù) ,圖 2 Zigbee 火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D在傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建、維護(hù)方面都有著有線方式無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì) ,成為火災(zāi)建立 基于 ZigBee 的火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng) ,首先要建立一個(gè) ZigBee 無(wú)線骨報(bào)警系統(tǒng)的重要 發(fā)展方向。干網(wǎng)絡(luò) ,見(jiàn)圖 2。Z

3、igBee 無(wú)線骨干網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)主節(jié)點(diǎn)根據(jù)防火監(jiān)控區(qū)域的分用 于樓宇及建筑物內(nèi)的無(wú)線火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)需采用的是低成本、低布進(jìn)行合理設(shè)置 并通過(guò)調(diào)整位置或發(fā)射功率使它們之間可以進(jìn)行相互通功耗、小體積、短距離通 信。 ZigBee 技術(shù)的出現(xiàn)就解決了這些問(wèn)題。信。每個(gè)主節(jié)點(diǎn)不僅本身可以與傳感 器連接直接進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控 ,還 ZigBee 是一種低速短距離、雙向無(wú)線通信技術(shù) 擴(kuò)展性強(qiáng)、功耗極低、系可以自動(dòng)中轉(zhuǎn)其他網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)傳過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)。每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn) 間的距離可以根統(tǒng)構(gòu)成簡(jiǎn)單 ,組網(wǎng)方式靈活。將 ZigBee 傳感器網(wǎng)絡(luò)和人工智能結(jié)合 可大據(jù)實(shí)際測(cè)試情況進(jìn)行調(diào)整 ,可以從 10m 左右到擴(kuò)展后的幾百米

4、。大提高火災(zāi)報(bào)警的可靠性 ,與其他無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)比較 ,它更適合于組建大子節(jié)點(diǎn) （傳感器節(jié)點(diǎn)分布于需要檢測(cè)的區(qū)域 ,負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)據(jù)的感知和范圍、傳輸數(shù)據(jù)量小的無(wú) 線火災(zāi)報(bào)警網(wǎng)絡(luò)。處理 ,采用數(shù)據(jù)融合技術(shù)作出預(yù)報(bào)警判斷 ,將數(shù)據(jù)預(yù)報(bào)警判斷結(jié)果通過(guò)無(wú)二、無(wú) 線火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)線射頻信號(hào)發(fā)射出去 ,在接到執(zhí)行命令時(shí)完成相應(yīng)的滅火工作 ;匯集節(jié)點(diǎn) （一系統(tǒng) 總體結(jié)構(gòu)接收所覆蓋的傳感器節(jié)點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn)發(fā)出的無(wú)線射頻信號(hào) ,通過(guò) RS232送入無(wú) 線傳感器將探測(cè)到的火災(zāi)信號(hào)通過(guò) Zigbee 無(wú)線通信模塊發(fā)送至數(shù)據(jù)監(jiān)控主機(jī) ,同時(shí) 將監(jiān)控主機(jī)的命令發(fā)送出去。集中器 ,數(shù)據(jù)集中器將收集到得數(shù)據(jù)送至火災(zāi)監(jiān)控中心 ,再

5、由火災(zāi)監(jiān)控中火災(zāi)監(jiān) 控中心是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的控制和管理中心 ,負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的控制和心對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處 理和統(tǒng)計(jì)評(píng)估 ,根據(jù)預(yù)先設(shè)定的有關(guān)規(guī)則 ,將這些數(shù)數(shù)據(jù)的處理及決策等。監(jiān)控主機(jī) 通過(guò)串口接收無(wú)線網(wǎng)絡(luò)采集的數(shù)據(jù) ,實(shí)時(shí)據(jù)轉(zhuǎn)換為適當(dāng)?shù)膱?bào)警動(dòng)作 ,相應(yīng)的發(fā)出警報(bào) ,例如 :產(chǎn)生少量煙 ,但溫度顯示并存儲(chǔ)。同時(shí)支持對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的有條件查詢(xún)、增加或刪 除記錄等管理 ;急劇上升 發(fā)出警報(bào) I ;產(chǎn)生少量煙、且溫升平緩 發(fā)出警報(bào)II 。滅火在接到傳感器節(jié)點(diǎn)預(yù)報(bào)警時(shí) ,根據(jù)預(yù)先設(shè)定的有關(guān)規(guī)則 ,作出火災(zāi)報(bào)警的系 統(tǒng)采取相應(yīng)的措施。最終判決 ,在確圖 1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖（二 Zigbee 網(wǎng)絡(luò)ZigBee 在網(wǎng)絡(luò)層

6、中,定義了3種功能的模塊:一是網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器 ,負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的建立; 二是路由器 ,負(fù)責(zé)查詢(xún)、建立和修復(fù)信息包的路由路徑并負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)送 ;三是各類(lèi)終端裝置 ,只能加入已形成的網(wǎng)絡(luò) ,可以收發(fā)信息 ,不能轉(zhuǎn)發(fā)信息 ,無(wú)路由功能。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器和 路由器由全功能器件 (FFD 實(shí)現(xiàn),終端裝置由簡(jiǎn)化功能器件 (RFD 實(shí)現(xiàn)。 ZigBee 網(wǎng)絡(luò) 有多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) ,一般多采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) ,因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 ,實(shí)現(xiàn)方便 ,不需要大量協(xié) 調(diào)器節(jié)點(diǎn) ,可降低成本。認(rèn)火災(zāi)發(fā)生時(shí)啟動(dòng)相應(yīng)的聯(lián)動(dòng)機(jī)制。(三系統(tǒng)工作原理圖 3 Zigbee 火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)工作原理當(dāng)傳感器感測(cè)到火災(zāi)信號(hào)時(shí) ,由火災(zāi)監(jiān)控中心對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理和統(tǒng)

7、計(jì) 評(píng)估。根據(jù)預(yù)先設(shè)定的有關(guān)規(guī)則 ,將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為適當(dāng)?shù)膱?bào)警動(dòng)作指標(biāo) ,相應(yīng)地啟 動(dòng)報(bào)警及滅火裝置 ,迅速滅火。此功能與原自動(dòng)消防裝置并聯(lián)使用 ,起到雙重保險(xiǎn)作 用,確保消防滅火系統(tǒng)啟動(dòng)。由于 ZigBee 采用自組織 (ad-hoc 方式組網(wǎng) ,允許隨時(shí)建立無(wú)線通信鏈路 ,協(xié)調(diào)器 一直處于監(jiān)聽(tīng)狀態(tài) ,當(dāng)有新的 RFD 加入到網(wǎng)絡(luò)中時(shí) ,會(huì)被附近的 FFD發(fā)現(xiàn)并將其信息傳送給協(xié)調(diào)器 ,由協(xié)調(diào)器進(jìn)行編址 ,計(jì)算其路由信息,更新數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)表和設(shè)備關(guān)聯(lián)表 ,確定其物理位置?？梢詫?shí)現(xiàn)該系統(tǒng)的選用 CC2420芯片作為射頻收發(fā)模塊 ,CC2420符合 2.4GHz IEEE 802.15.4定位功能 ,

8、用于 消防人員和救助人員的位置追蹤。消防隊(duì)員在進(jìn)入火災(zāi)區(qū)標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線收發(fā)芯片?？?確保短距離通信的有效性和可靠性。利用此芯片域前 ,帶上可移動(dòng)的 RFD 裝置,則在 進(jìn)入 ZigBee 無(wú)線骨干網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)內(nèi) ,移開(kāi)發(fā)的無(wú)線通信設(shè)備支持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸率高達(dá) 250kbps ,可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的動(dòng)的 RFD 將自動(dòng)加入到網(wǎng)絡(luò)中 ,根據(jù)與鄰近的 FFD 的通信情況 ,可以確定其快速組網(wǎng)。具體位置 ,便于指揮中心準(zhǔn)確指揮救援和滅火工作 ,工作原理示意圖見(jiàn)圖四、結(jié) 論3所示。將 ZigBee 技術(shù)應(yīng)用在火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)中 ,將有利于改善防火系統(tǒng)的三、系統(tǒng) 硬件設(shè)計(jì)方案性能,大大降低現(xiàn)有的火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)的安裝

9、和運(yùn)行成本。特別是其可把 ZigBee 終端模塊的工作分為兩個(gè)過(guò)程 :采集數(shù)據(jù)發(fā)送給 ZigBee 接入移動(dòng)性及可擴(kuò)展 性,大大方便了火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)的調(diào)整、更新 ,提高了點(diǎn) (即數(shù)據(jù)發(fā)送過(guò)程 ,以及接 收來(lái)自 ZigBee 接入點(diǎn)的命令 (即數(shù)據(jù)接收現(xiàn)有火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)的靈活性。并增加 了移動(dòng)定位功能 ,也方便了火災(zāi)過(guò)程。救援和滅火工作。系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集端和數(shù)據(jù)接收端構(gòu)成。數(shù)據(jù)采集端由傳感器、 MCU 和 Zigbee 模塊組成。 MCU 與 Zigbee 模塊通過(guò) SPI 總線連接。數(shù)據(jù)接收端使用相同的 Zigbee 模塊,并利用 RS232異步串口與 PC 機(jī)通信。其功能相當(dāng)于一參考文

10、獻(xiàn) :個(gè)接入點(diǎn) ,一方面將主機(jī)向數(shù)據(jù)采集端發(fā)送的控制信號(hào)以無(wú)線的方式發(fā)射出 1 楊艷華、張鳳登、馬進(jìn)明 ,ZigBee 技術(shù)在火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)中的應(yīng)用去 ,另一方面接 收采集數(shù)據(jù)并上傳給主機(jī)。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖 4 所示。J.上海電力學(xué)院學(xué)報(bào) ,2008,24(4:393396.2劉靜、趙望達(dá) ,基于 ZigBee 技術(shù)的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì) J.單片機(jī)與嵌入式系 統(tǒng)應(yīng)用 ,2007(1:5659.3肖昕宇,基于 ZigBee 技術(shù)的無(wú)線消防報(bào)警定位系統(tǒng) D,湖南長(zhǎng)沙 :湖南大 學(xué),2007.4王文君、胡國(guó)珍 ,基于 IP-LINK1221 模板的 ZigBee 應(yīng)用系統(tǒng) J.單片機(jī)與嵌 入式系

11、統(tǒng)應(yīng)用 J.2007(12:6370.圖 4 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖5顏學(xué)義、葉湘濱 ,基于 Zigbee 技術(shù)的火災(zāi)報(bào)警傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì) J.岳 MCU 選 用 STC89C51RC 單片機(jī) ,它超強(qiáng)抗干擾、高速、低功耗 ,指令代陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué) 報(bào),2007,22(6:6972.碼完全兼容傳統(tǒng) 8051單片機(jī),在系統(tǒng)可編程 ,無(wú)需編程器 ,無(wú)需仿真器。 MCU 通 過(guò)兩個(gè)全雙工串口分別與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和 ZigBee 模塊相連 ,主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)作者簡(jiǎn)介 :的讀取、處理和傳送功能。微處理器與 ZigBee 模塊采用串行通信模式 ,實(shí)汪洋 文杰(1981-,男,滿族,吉林人 ,北京中外建建筑設(shè)計(jì)有限公司現(xiàn)微處

12、理器對(duì) ZigBee 模 塊的初始化和與它之間的數(shù)據(jù)交換功能。西北分公司 ,助理工程師 ,從事建筑電氣設(shè)計(jì)工作。站場(chǎng)型數(shù)據(jù)庫(kù)是鐵路計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)中采用的一種數(shù)據(jù)組織方式,它設(shè)計(jì)保證系統(tǒng)的可靠性 ,因此在數(shù)據(jù)組織與數(shù)據(jù)安全方面有些獨(dú)到的設(shè)按照站場(chǎng)的地理位置 組成 ,在專(zhuān)門(mén)開(kāi)辟的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)域 ,為每一個(gè)信號(hào)設(shè)計(jì)。對(duì)于利用網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的信號(hào)控 制系統(tǒng) ,還需要考慮網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)的傳輸安備 (如信號(hào)機(jī)、轉(zhuǎn)轍機(jī)和軌道電路區(qū)段建立 一個(gè)靜態(tài)數(shù)據(jù)模塊 ,然后根全和存儲(chǔ)安全問(wèn)題 ,例如使用分布式數(shù)據(jù)庫(kù) ,采用特殊的數(shù) 據(jù)編碼手段和據(jù)設(shè)備之間的相對(duì)位置 ,在數(shù)據(jù)模塊上建立指針 ,指向每一個(gè)相鄰的數(shù) 據(jù)采用自動(dòng)回授重發(fā)技

13、術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可靠傳輸?shù)取ＤK。構(gòu)成一個(gè)能反映設(shè)備相對(duì)位置的靜態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)庫(kù)?？傊?,在信號(hào)控制系統(tǒng)中 ,數(shù)據(jù)組織方式和數(shù)據(jù)安全設(shè)計(jì)需要根據(jù)具靜態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù) 中的每個(gè)數(shù)據(jù)模塊 ,分別有指針指向相鄰的靜態(tài)數(shù)據(jù)塊 ,體系統(tǒng)的功能進(jìn)行周全的考 慮,確保其滿足信號(hào)控制系統(tǒng)的可靠性要求和可以實(shí)現(xiàn)相鄰數(shù)據(jù)模塊之間的檢索。 在建立聯(lián)鎖進(jìn)路時(shí) ,首先系統(tǒng)會(huì)找到故障 -安全要求。進(jìn)路的始端和終端數(shù)據(jù)模塊 ,然后在利用數(shù)據(jù)指針 ,搜索相鄰數(shù)據(jù)模塊。當(dāng)相鄰 的模塊有多個(gè)時(shí) ,可以按照預(yù)先設(shè)置的搜索原則 (直股優(yōu)先或彎股優(yōu)先進(jìn)行搜索 ,若搜 索到?jīng)]有下一個(gè)模塊的盡頭模塊后仍未找到終端 ,參考文獻(xiàn) :則退回到分支處向另一個(gè)方

14、向搜索。這樣在存儲(chǔ)數(shù)據(jù)時(shí) ,不需要按照一個(gè) 1 林 瑜筠 ,鐵路信號(hào)基礎(chǔ) (M,北京 ,中國(guó)鐵道出版社 ,2007,2.車(chē)站可以辦理的所有進(jìn)路存儲(chǔ)靜態(tài)數(shù)據(jù) ,而只需要存儲(chǔ)這些靜態(tài)數(shù)據(jù)模 2 桅 伸、肖潔 ,如何在數(shù)據(jù)災(zāi)難后繼續(xù)生存 J.計(jì)算機(jī)周刊 ,1999,塊,然后利用一個(gè)搜索程 序即可完成所有進(jìn)路靜態(tài)數(shù)據(jù)的檢索。(41.在靜態(tài)數(shù)據(jù)搜索完成后 ,可以根據(jù)在此基礎(chǔ)上 ,檢索與這些靜態(tài)數(shù)據(jù) 3 李柱,PC 數(shù)據(jù)冗災(zāi)與恢復(fù) J.農(nóng)業(yè)網(wǎng)絡(luò)信息 ,2004,(08.有關(guān)的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù) ,從而檢查進(jìn)路建立的條件 ,完成聯(lián)鎖關(guān)系的檢查和建立。4李嘉 ,數(shù)據(jù)災(zāi)難的應(yīng)對(duì)措施 J.中國(guó)牧業(yè)通訊 ,養(yǎng)殖場(chǎng)顧問(wèn) ,2004,(二計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖 中的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)(08.在計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)中 ,數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí) ,需要有充足的冗余 ,因此數(shù)據(jù)可 5 安全觀念升 級(jí) ,內(nèi)部數(shù)據(jù)安全漸成關(guān)注熱點(diǎn) J.計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò) ,以利用兩種不同的結(jié)構(gòu)方式并存儲(chǔ) 在不同的存儲(chǔ)區(qū)。通常存儲(chǔ)方式可以采 2005,(08.用進(jìn)路表式的數(shù)據(jù)庫(kù)和站場(chǎng)式的數(shù)據(jù)庫(kù)。通過(guò)在不同的存儲(chǔ)區(qū)域存儲(chǔ)的數(shù) 6 蔡葵 ,效益始于數(shù)據(jù)安全 J.華南金融電腦 ,2005,(05.據(jù),利用不同的進(jìn)路表生成方法均可以獲得所辦理的進(jìn)路數(shù)據(jù) ,將數(shù)據(jù)對(duì) 7數(shù)據(jù)