基于ＺｉｇＢｅｅ技术的火灾自动报警系统

洋文杰　王　楠　司轶芳

[摘要]提出ZigBee技术在火灾自动报警系统的应用。以ZigBee的特点和优势为依据,详细介绍ZigBee技术在火灾自动报警系统中的应用,论述该系统设计方案及硬件设计方案。可以提高火灾报警的可靠性、灵活性以及降低安装、运行成本。

[关键词]ZigBee火灾自动报警系统

中图分类号:TP2文献标识码:A文章编号:1671-7597(2009)0920030-02

一、引言

火灾自动报警系统(FAS)是楼宇自控系统(BAS)的分系统,服务于楼宇自控系统,它可以及时发现和通报火情,并采取有效措施控制,提高建筑物的防灾自救能力。

目前主要的火灾自动报警系统大多采用有线方式构建火灾传感器网络,这类方式耗材多、施工与维护复杂,扩展能力差,线路容易老化或腐蚀、磨损,故障发生率高线,并且不易排查修理。新兴的无线传感技术,在传感器网络构建、维护方面都有着有线方式无可比拟的优势,成为火灾报警系统的重要发展方向。

用于楼宇及建筑物内的无线火灾自动报警系统需采用的是低成本、低功耗、小体积、短距离通信。ZigBee技术的出现就解决了这些问题。ZigBee是一种低速短距离、双向无线通信技术,扩展性强、功耗极低、系统构成简单,组网方式灵活。将ZigBee传感器网络和人工智能结合,可大大提高火灾报警的可靠性,与其他无线网络技术比较,它更适合于组建大范围、传输数据量小的无线火灾报警网络。

二、无线火灾自动报警系统

(一)系统总体结构

无线传感器将探测到的火灾信号通过Zigbee无线通信模块发送至数据集中器,数据集中器将收集到得数据送至火灾监控中心,再由火灾监控中心对这些数据进行处理和统计评估,根据预先设定的有关规则,将这些数据转换为适当的报警动作,相应的发出警报,例如:产生少量烟,但温度急剧上升——发出警报I;产生少量烟、且温升平缓——发出警报II。灭火系统采取相应的措施。

(二)Zigbee网络

ZigBee在网络层中,定义了3种功能的模块:一是网络协调器,负责网络的建立;二是路由器,负责查询、建立和修复信息包的路由路径并负责转送;三是各类终端装置,只能加入已形成的网络,可以收发信息,不能转发信息,无路由功能。网络协调器和路由器由全功能器件(FFD)实现,终端装置由简化功能器件(RFD)实现。ZigBee网络有多种拓扑结构,一般多采用星型拓扑结构,因为其结构简单,实现方便,不需要大量协调器节点,可降低成本。

建立基于ZigBee的火灾自动报警系统,首先要建立一个ZigBee无线骨干网络,见图2。ZigBee无线骨干网络中每个主节点根据防火监控区域的分布进行合理设置,并通过调整位置或发射功率使它们之间可以进行相互通信。每个主节点不仅本身可以与传感器连接直接进行数据采集和监控,还可以自动中转其他网络节点传过来的数据。每个网络节点间的距离可以根据实际测试情况进行调整,可以从10m左右到扩展后的几百米。

子节点(传感器节点)分布于需要检测的区域,负责对数据的感知和处理,采用数据融合技术作出预报警判断,将数据预报警判断结果通过无线射频信号发射出去,在接到执行命令时完成相应的灭火工作;汇集节点接收所覆盖的传感器节点和路由节点发出的无线射频信号,通过RS232送入监控主机,同时将监控主机的命令发送出去。

火灾监控中心是整个网络的控制和管理中心,负责整个系统的控制和数据的处理及决策等。监控主机通过串口接收无线网络采集的数据,实时显示并存储。同时支持对数据库的有条件查询、增加或删除记录等管理;在接到传感器节点预报警时,根据预先设定的有关规则,作出火灾报警的最终判决,在确认火灾发生时启动相应的联动机制。

(三)系统工作原理

当传感器感测到火灾信号时,由火灾监控中心对这些数据进行计算处理和统计评估。根据预先设定的有关规则,将这些数据转换为适当的报警动作指标,相应地启动报警及灭火装置,迅速灭火。此功能与原自动消防装置并联使用,起到双重保险作用,确保消防灭火系统启动。

由于ZigBee采用自组织(ad-hoc)方式组网,允许随时建立无线通信链路,协调器一直处于监听状态,当有新的RFD加入到网络中时,会被附近的FFD发现并将其信息传送给协调器,由协调器进行编址,计算其路由信息,更新数据转发表和设备关联表,确定其物理位置。可以实现该系统的定位功能,用于消防人员和救助人员的位置追踪。消防队员在进入火灾区域前,带上可移动的RFD装置,则在进入ZigBee无线骨干网络覆盖区内,移动的RFD将自动加入到网络中,根据与邻近的FFD的通信情况,可以确定其具体位置,便于指挥中心准确指挥救援和灭火工

作,工作原理示意图见图3所示。

三、系统硬件设计方案

把ZigBee终端模块的工作分为两个过程:采集数据发送给ZigBee接入点(即数据发送过程),以及接收来自ZigBee接入点的命令(即数据接收过程)。

系统主要由数据采集端和数据接收端构成。数据采集端由传感器、MCU和Zigbee模块组成。MCU与Zigbee模块通过SPI总线连接。数据接收端使用相同的Zigbee模块,并利用RS232异步串口与PC机通信。其功能相当于一个接入点,一方面将主机向数据采集端发送的控制信号以无线的方式发射出去,另一方面接收采集数据并上传给主机。系统硬件结构框图如图4所示。

MCU选用STC89C51RC单片机,它超强抗干扰、高速、低功耗,指令代码完全兼容传统8051单片机,在系统可编程,无需编程器,无需仿真器。MCU通过两个全双工串口分别与现场设备和ZigBee模块相连,主要实现数据的读取、处理和传送功能。微处理器与ZigBee模块采用串行通信模式,实现微处理器对ZigBee模块的初始化和与它之间的数据交换功能。

选用CC2420芯片作为射频收发模块,CC2420符合2.4GHz IEEE 802.15.4

标准的无线收发芯片。可确保短距离通信的有效性和可靠性。利用此芯片开发的无线通信设备支持数据传输率高达250kbps,可以实现多点对多点的快速组网。

四、结论

将ZigBee技术应用在火灾自动报警系统中,将有利于改善防火系统的性能,大大降低现有的火灾自动报警系统的安装和运行成本。特别是其可移动性及可扩展性,大大方便了火灾自动报警系统的调整、更新,提高了现有火灾自动报警系统的灵活性。并增加了移动定位功能,也方便了火灾救援和灭火工作。

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作者简介:

汪洋文杰(1981-),男,满族,吉林人,北京中外建建筑设计有限公司西北分公司,助理工程师,从事建筑电气设计工作。