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摘?要 现有无线烟雾报警器大多数只能提供声光报警，本文探讨了一种全新的组网式烟雾报警器的设计思路及具体实现。
关键词 无线烟雾报警器；CC2530芯片
中图分类号 X924 文献标识码 A 文章编号 1673-9671-（2012）112-0183-01
随着经济和城市建设的快速发展，城市高层建筑以及地下设施的不断增多，火灾的隐患也大大增加，火灾的数量及造成的经济损失也呈逐年上升的趋势。无论是在工业建筑、住宅、宾馆，还是图书馆、商场等公共场所，火灾烟雾报警器都已经成为了不可或缺的装置。设置火灾报警系统已经成为了现代建筑设计时所必须考虑的重要部分，是建筑防火安全的哨站。然而现有传统烟雾报警器只能简单的提供简单的声光报警，即在感受到烟雾或者火灾信号时发出刺耳的蜂鸣声以及灯光的闪烁信号。这种装置的缺点是当建筑物内没有人员时，如夜晚或工厂停工期间，火灾信号不能被及时发现，致使火情蔓延，造成生命财产损失。因此，急需一种新型的火灾烟雾报警系统来弥补现有报警器的缺陷与不足。
据此，我们根据火灾的特点，设计开发出了一套基于Zigbee协议，短距离、低功耗的防火报警系统，解决了有线火灾报警器不能解决的问题，实现了消防中心对全楼防火消防状况的实时监控，对保护人身安全和财产安全有着现实的意义。组网式无线火灾报警系统由总台和若干节点组成，下面分别介绍其实现原理及具体组成。
1 节点
作为系统的最小单元，节点分布式部署在每个房间内部，节点的作用是探测每个房间内部的温度，烟雾浓度等一手数据，定时向总台汇报经过加密调制的信息，并在必要的时候发出警报。对比市面上的众多单片机解决方案后，我们决定采用TI（德州仪器）的成型芯片CC2530来做节点的总控芯片，CC2530具有价格低廉，耗能低又不失稳定的特点。最重要的是其已经内置TI业界领先的开源ZigBee协议栈（Z-StackTM），能够较为方便的开发出一套适合组网式无线烟雾报警系统的程序，降低了开发成本。在节点的传感器配置上，新型的报警系统打破了传统火灾报警器只能探测烟雾的局限性，根据建筑物或实地场所的要求，不同的节点上安装不同类型的火灾探测器如迷宫式烟雾探测器，温度探测器等。
对与存放某些特种材料的库房，材料燃烧时并没有浓烟产生，房间内应该安装带有温度探测器的节点，获得的温度数据作为判别屋内有无发生火灾的标准。目前市场上成型的温度探测器有DS18B20数字温度传感器，测量温度范围为-55℃至+125℃，提供9至12位数字串行信号输出，无论是在温度范围还是在精度上，完全可以适应各种火灾现场的温度探测任务。
而对于其他普通场所，如办公室、商场等，可燃物体如纸张、纺织品等燃烧会生成大量烟雾时，则可以选用烟雾探测器。值得一提的是，对于某些材料，自燃时并不产生明火，但大多数会产生浓烟，对此可调整烟雾探测器的灵敏度，以免当发生火灾时探测器静默，贻误火情。然而对于非禁烟的公共场合，灵敏度不宜调整的过高。经实验，MQ-2型烟雾探测器在报警阈值设置为最大浓度电压的65%时为最佳值，此时即不会遗漏真实的火灾烟雾，也不会对吸烟者造成的干扰进行误判。
由于对于烟雾浓度没有一个明确的定义，市面上的烟雾传感器种类繁多，大致可分为迷宫式和离子式。迷宫式烟雾探测器是由红外射线发射管和接受器组成，他的工作原理类似于自动门机构。当光信号被烟雾阻隔时，控制芯片随即向节点单片机CC2530输出告警信号，经过处理后汇报给总台。而离子式探测器则是由两个电离室构成，通过探得由放射性粒子与粉尘碰撞所导致的电流该变量来判定空气中的烟雾浓度，精度比较高，但是使用寿命较短。
由于系统设计的初衷就是使火灾报警器摆脱线缆的束缚，因此对于节点的供电我们选择了JCN-133x82型太阳能组件以及三节5号锂蓄电池。经查阅相关资料，该太阳能组件在普通的屋内日光环境下能提供5 V，0.3 A的平稳输出，折合功率1.5 W。而节点其余电子元件总能耗约不到0.2 W，剩余能量完全可供锂电池蓄电使用。而锂电池充满电则可为节点供电50小时以上，完全可以满足节点夜晚工作。考虑到有时连续的阴天的特殊情况，可以临时替换成普通碱性5号电池。太阳能电池板提供电压达到节点工作下门限时，节点开始工作并够自动配置，完成搜索组网工作并开始汇报节点情况。
2 总台
报警系统总台部署在建筑物的消防总控室内，由一台无线收发调节器及一台计算机组成。无线收发调节器负责与建筑物内的众多节点进行通讯，将汇总的信息汇报给计算机进行处理。当数据通过串口传输进计算机后，计算机对数据进行翻译解码，获取房间内的温度，烟雾浓度等信息，通过与设定的参数进行比对，判断房间内的火灾情况，并在必要的时候发出告警（如传统声光信号或者拨打当地火警电话通知消防部门）。由于成型系统最终面向的是终端用户，而用户一般对这系统的技术细节并不了解，也无需了解。用户直接接触到的是软件的的UI（用户界面），因此往往通过界面的简洁与否，操作的复杂程度，能否满足不同用户的要求来判断系统的完善程度。为此，在软件设计上我们实现了以下功能：
1）在界面中我们能够看到网内已连接节点的名称（即楼宇房间号），可以在界面上清楚的看到每个节点的运行状况，例如房间温度、烟雾浓度等，最后一次回报时间等数据，加以人为判断。
2）当有节点发出告警信号时，计算机将对告警信号进行分析，根据相邻节点情况迅速判定告警信号是否为真。程序对于火灾等级也进行了划分，将单个房间告警，相邻多个房间告警和整层告警进行分级，以便采取最有效的措施。
3）对于节点汇总的信号，软件分析完毕后可在后台静默写入MySQL数据库，并提供基于Apache和PHP远程图形操作界面，可供操作人员在不在场的情况下快速获知并处理火情。
对于节点和总台的通信内容，我们作出了规定：数据内容为10位十六位数据0x 00 00 00 00 00，分别代表着节点的不同信息。
前两位信息为信号发送的目的地，可设置为总台，以免被其余节点错误截留。第三四位数据代表了节点的精确到个位的十六位温度值，可作为日常屋内温度监控。由于火灾的特性，过度精确的温度值并没有具体意义。如果节点采用的是单一烟雾传感器，则第三四位值为00。第五六位的值为烟雾浓度值，对于不同的烟雾传感器，烟雾浓度的值有着不同规定。当采用单一温度传感器时，第五六位的值为00。第七八位信息代表了节点所在房间的唯一ID，总台根据接收到的ID进行定位。确保了数据的准确性，同时也可以对区域数据进行统计，判断火情等级。
对于总台，由于是固定安排在某房间内部，因此不用考虑供电问题。但是随之而来的是安全问题，如何判定总台接受到的某个告警信号是由合法的楼内节点发出而不是伪造的信号。有鉴于此，数据的七八位是预留的校验位，通过CC2530内置AES加密模块对前八位数据进行加密，取前两位加密后信息写入数据的后两位。经总台验证后，即可判别数据的真伪，起到了保护网络安全的作用。
无线火灾报警系统的设计为用户提供了一套使用方便，扩展性强的解决方案，可以说解决了传统报警器所存在的问题。当然，整套系统目前还存在着很多缺陷，我们只有在实践中不断完善提高，才能让人民群众更好的远离火灾！
参考文献
[1]全国民用建筑工程设计技术措施-电气[M].建筑出版社，2003.
[2]高层民用建筑设计防火规范[M].GB50045-95.
关键词 无线烟雾报警器；CC2530芯片
中图分类号 X924 文献标识码 A 文章编号 1673-9671-（2012）112-0183-01
随着经济和城市建设的快速发展，城市高层建筑以及地下设施的不断增多，火灾的隐患也大大增加，火灾的数量及造成的经济损失也呈逐年上升的趋势。无论是在工业建筑、住宅、宾馆，还是图书馆、商场等公共场所，火灾烟雾报警器都已经成为了不可或缺的装置。设置火灾报警系统已经成为了现代建筑设计时所必须考虑的重要部分，是建筑防火安全的哨站。然而现有传统烟雾报警器只能简单的提供简单的声光报警，即在感受到烟雾或者火灾信号时发出刺耳的蜂鸣声以及灯光的闪烁信号。这种装置的缺点是当建筑物内没有人员时，如夜晚或工厂停工期间，火灾信号不能被及时发现，致使火情蔓延，造成生命财产损失。因此，急需一种新型的火灾烟雾报警系统来弥补现有报警器的缺陷与不足。
据此，我们根据火灾的特点，设计开发出了一套基于Zigbee协议，短距离、低功耗的防火报警系统，解决了有线火灾报警器不能解决的问题，实现了消防中心对全楼防火消防状况的实时监控，对保护人身安全和财产安全有着现实的意义。组网式无线火灾报警系统由总台和若干节点组成，下面分别介绍其实现原理及具体组成。
1 节点
作为系统的最小单元，节点分布式部署在每个房间内部，节点的作用是探测每个房间内部的温度，烟雾浓度等一手数据，定时向总台汇报经过加密调制的信息，并在必要的时候发出警报。对比市面上的众多单片机解决方案后，我们决定采用TI（德州仪器）的成型芯片CC2530来做节点的总控芯片，CC2530具有价格低廉，耗能低又不失稳定的特点。最重要的是其已经内置TI业界领先的开源ZigBee协议栈（Z-StackTM），能够较为方便的开发出一套适合组网式无线烟雾报警系统的程序，降低了开发成本。在节点的传感器配置上，新型的报警系统打破了传统火灾报警器只能探测烟雾的局限性，根据建筑物或实地场所的要求，不同的节点上安装不同类型的火灾探测器如迷宫式烟雾探测器，温度探测器等。
对与存放某些特种材料的库房，材料燃烧时并没有浓烟产生，房间内应该安装带有温度探测器的节点，获得的温度数据作为判别屋内有无发生火灾的标准。目前市场上成型的温度探测器有DS18B20数字温度传感器，测量温度范围为-55℃至+125℃，提供9至12位数字串行信号输出，无论是在温度范围还是在精度上，完全可以适应各种火灾现场的温度探测任务。
而对于其他普通场所，如办公室、商场等，可燃物体如纸张、纺织品等燃烧会生成大量烟雾时，则可以选用烟雾探测器。值得一提的是，对于某些材料，自燃时并不产生明火，但大多数会产生浓烟，对此可调整烟雾探测器的灵敏度，以免当发生火灾时探测器静默，贻误火情。然而对于非禁烟的公共场合，灵敏度不宜调整的过高。经实验，MQ-2型烟雾探测器在报警阈值设置为最大浓度电压的65%时为最佳值，此时即不会遗漏真实的火灾烟雾，也不会对吸烟者造成的干扰进行误判。
由于对于烟雾浓度没有一个明确的定义，市面上的烟雾传感器种类繁多，大致可分为迷宫式和离子式。迷宫式烟雾探测器是由红外射线发射管和接受器组成，他的工作原理类似于自动门机构。当光信号被烟雾阻隔时，控制芯片随即向节点单片机CC2530输出告警信号，经过处理后汇报给总台。而离子式探测器则是由两个电离室构成，通过探得由放射性粒子与粉尘碰撞所导致的电流该变量来判定空气中的烟雾浓度，精度比较高，但是使用寿命较短。
由于系统设计的初衷就是使火灾报警器摆脱线缆的束缚，因此对于节点的供电我们选择了JCN-133x82型太阳能组件以及三节5号锂蓄电池。经查阅相关资料，该太阳能组件在普通的屋内日光环境下能提供5 V，0.3 A的平稳输出，折合功率1.5 W。而节点其余电子元件总能耗约不到0.2 W，剩余能量完全可供锂电池蓄电使用。而锂电池充满电则可为节点供电50小时以上，完全可以满足节点夜晚工作。考虑到有时连续的阴天的特殊情况，可以临时替换成普通碱性5号电池。太阳能电池板提供电压达到节点工作下门限时，节点开始工作并够自动配置，完成搜索组网工作并开始汇报节点情况。
2 总台
报警系统总台部署在建筑物的消防总控室内，由一台无线收发调节器及一台计算机组成。无线收发调节器负责与建筑物内的众多节点进行通讯，将汇总的信息汇报给计算机进行处理。当数据通过串口传输进计算机后，计算机对数据进行翻译解码，获取房间内的温度，烟雾浓度等信息，通过与设定的参数进行比对，判断房间内的火灾情况，并在必要的时候发出告警（如传统声光信号或者拨打当地火警电话通知消防部门）。由于成型系统最终面向的是终端用户，而用户一般对这系统的技术细节并不了解，也无需了解。用户直接接触到的是软件的的UI（用户界面），因此往往通过界面的简洁与否，操作的复杂程度，能否满足不同用户的要求来判断系统的完善程度。为此，在软件设计上我们实现了以下功能：
1）在界面中我们能够看到网内已连接节点的名称（即楼宇房间号），可以在界面上清楚的看到每个节点的运行状况，例如房间温度、烟雾浓度等，最后一次回报时间等数据，加以人为判断。
2）当有节点发出告警信号时，计算机将对告警信号进行分析，根据相邻节点情况迅速判定告警信号是否为真。程序对于火灾等级也进行了划分，将单个房间告警，相邻多个房间告警和整层告警进行分级，以便采取最有效的措施。
3）对于节点汇总的信号，软件分析完毕后可在后台静默写入MySQL数据库，并提供基于Apache和PHP远程图形操作界面，可供操作人员在不在场的情况下快速获知并处理火情。
对于节点和总台的通信内容，我们作出了规定：数据内容为10位十六位数据0x 00 00 00 00 00，分别代表着节点的不同信息。
前两位信息为信号发送的目的地，可设置为总台，以免被其余节点错误截留。第三四位数据代表了节点的精确到个位的十六位温度值，可作为日常屋内温度监控。由于火灾的特性，过度精确的温度值并没有具体意义。如果节点采用的是单一烟雾传感器，则第三四位值为00。第五六位的值为烟雾浓度值，对于不同的烟雾传感器，烟雾浓度的值有着不同规定。当采用单一温度传感器时，第五六位的值为00。第七八位信息代表了节点所在房间的唯一ID，总台根据接收到的ID进行定位。确保了数据的准确性，同时也可以对区域数据进行统计，判断火情等级。
对于总台，由于是固定安排在某房间内部，因此不用考虑供电问题。但是随之而来的是安全问题，如何判定总台接受到的某个告警信号是由合法的楼内节点发出而不是伪造的信号。有鉴于此，数据的七八位是预留的校验位，通过CC2530内置AES加密模块对前八位数据进行加密，取前两位加密后信息写入数据的后两位。经总台验证后，即可判别数据的真伪，起到了保护网络安全的作用。
无线火灾报警系统的设计为用户提供了一套使用方便，扩展性强的解决方案，可以说解决了传统报警器所存在的问题。当然，整套系统目前还存在着很多缺陷，我们只有在实践中不断完善提高，才能让人民群众更好的远离火灾！
参考文献
[1]全国民用建筑工程设计技术措施-电气[M].建筑出版社，2003.
[2]高层民用建筑设计防火规范[M].GB50045-95.