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无线火灾报警系统设计

文档作者：毛杰宁李梅罗旌钰文档来源：中国地质大学(北京)信息工程学院		点击数：	更新时间： 2021年11月19日
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第25卷
V01．25
第7期
No．7
电子设计工程
Electronic Design Engineering
2017年4月
Apr．2017
无线火灾报警系统设计
毛杰宁，李梅，罗旌钰
(中国地质大学(北京)信息工程学院，北京100083)
摘要：火灾灾害给我们带来了难以估量的损失，因而火灾预防报警一直是国内外备受关注的课题之
一。为解决传统有线火灾系统存在的问题。提出一种基于ZigBee无线技术的无线火灾报警系统设
计。系统采用星形拓扑结构的无线网络结构，并分为中心处理端和探测端两部分组成。中心处理端采
用STM32F103ZET6芯片为核心．探测终端采用STC89C52RC芯片为核心．两部分同时与基于Zig—
Bee技术的无线射频芯片CC2530相结合．实现了大范围区域火灾监控与报警的需要。经过研究与测
试表明，该系统设计成本低、智能化高、工作性能稳定可靠。
关键词：无线；火灾报警；智能化：ZigBee
中图分类号：TN709 文献标识码：A 文章编号：1674—6236(2017)07—0115—04
Design of wireless fire alarm system
MAO Jie—ning，kI Mei，LUO Jing—yu
(School of Information Engineering，University of Ceosciences(Beijing)，Beijing 100083，China)
Abstract：Fire disaster brought as immeasurable loss，and thus prevent the fire alarm has been one of
the topics of concern at home and abroad．To solve problemsoflhe traditional wired fire system，the
authors propose a designofwireless fire alarm system based on ZigBee wireless technologyin this paper．
The system uses wireless network architecture star topology，and itis divided into a central processing
end and probing ends of the two parts．The central processing end use STM32F103ZET6 as the core，the
probe end use STC89C52RC as the core．andthey combined with radio frequency chip CC2530 ZigBee—
based technology，to achieve the need ofa wide range of regional fire monitoring and alarms．After
research and testing show that the system is designed for low cost，high intelligence，stable and reliable
performance．
Key words：wireless；fire alarm；intelligent；ZigBee
目前，国内主要采用总线型火灾自动报警系统，
这种自动报警系统已采用微处理器控制．其线制一
般有四线制、三线制、二线制，探测器和模块均采用
地址编码形式，通过总线与控制器实现信号传送【1】。
虽然这种报警系统能有效减少火灾带来的损失，但
其中仍存在不少问题，施工麻烦、性价比较低、灵活
性差，同时难以保证其稳定二广作和维修。而国外发达
国家在建设和应用城市火灾自动报警监控系统方面
逐渐趋向成熟，他们将自动火灾报警作为公共报警
手段接入监控系统，并有效运行多年．使消防指挥中
心能够快速准确判断火灾地点、火灾类型，并调度消
防部队迅速到达现场，自动报警监控系统在此起y-0
了很大的作用[21。
设计针对传统火灾自动报警的问题，系统采用
基于ZigBee与嵌人式相关的技术，通过多个探测终
端和中心处理端。自组成星形拓扑的网络结构[31，实
现了对多个探测地点的管理与监控，为减少火灾隐
患提供了保证。同时本文设计在探测端使用温度传
感器DSl8820和烟雾传感器MQ一2，来获取监控区
域温度和烟雾浓度的变化。
收稿日期：2016—06—09 稿件编号：201606075
基金项目：国家自然科学基金面上项目(41374185)；大学生创新性实验计划项目(2015AB025)
作者简介：毛杰宁(1995一)，男，湖南娄底人。研究方向：电子信息处理。
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万方数据
《电子设计工程}2017年第07期
1 系统设计与框架架构
1．1系统设计
系统分主要为中心处理端(主控)和探测终端
(从控)两部分，同时它们组成以中心处理端为核心
的星形拓扑结构。中心处理端主要处理和分析各探
测端数据，并将工作情况显示在TFT—LCD显示屏
上：而探测终端则承担接收并处理传感器数据的工
作。两者结合合适的无线传输协议来实现两者之间
的通信。系统设计框图如图1所示。
坐到
主
I从控1
髫f唑掣峄
▲o—————]————一一茎丑互蛔’
为实现中心处理端和探测终端进行良好的通信
工作，系统采用ZigBee无线传输协议。Zigbee【4】是基
于IEEE802．15．4标准的低功耗个域网协议，根据这
个协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通
信技术，并较于蓝牙同、Wi—Fi嘲等无线协议，具有低复
杂度、自组织、低功耗、低数据速率、低成本的优点，
并非常适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌
入各种设备踊。
1．2系统工作模式设计
针对传统自动火灾报警系统适用范围小、智能
化程度低[8】和安装维修困难的问题，本设计通过程序
算法和通信协议的设计．使探测终端并及时将数据
传输给中心处理端，中心处理端对数据进行分析，智
能判断出环境和设备的状况，从而做出相应反应。
但为保证各个设备正常运行，并提高智能化程
度，减轻维修难度，本文需要解决几个关键问题：1)各
个探测终端数据与中心端通信时的相互之问干扰
2)设备的接入与管理3)设备异常的判断。
图2访问流程图
1)为解决设备通信相互之间的干扰，整个系统
需要设定一种合理工作机制，来确保各个探测终端
与中心端通信时，不会受到其它设备的干扰。经考虑
与分析．探测终端与主控传递的数据，主要是温度和
一116一
烟雾浓度的数值，以及检测到环境的异常发出的警
报。所以本文采取定时点名访问的方式[9】来获取各个
探测端的数值，主控每隔1秒访问一个探测终端，当
主控访问到某一个探测终端的时候。该探测终端就
返回相关的数据，其余探测终端就不会回应主控的
访问。同时因为主控与一个探测终端的通信仅需极
短的时问，不到整个访问周期的5％，主控剩余的时
间便可以接收其余探测端的警报或其它紧急信息。
图2为访问流程图，i为探测终端地址，／7,为累计值，
max为访问累计值上限；
2)而为实现设备的接人与管理，那么每个探测
终端需要唯一的标识码作为地址来区分。如果将标
志码直接写入探测端，就会造成地址分配的诸多问
题。同时考虑到探测终端主要是与主控进行通信，本
文通过主控分配地址的方式来区分各个探测终端。
当有新的探测终端接入系统中时，该探测终端就会
向中心端发送地址请求。如果主控给他分配了地址
时，就会显示新设备接入，即表示成功，否则就是失
败。就这样每一个探测终端都有了唯一的地址区分，
就方便主控对各个探测终端的管理了。
3)每个探测终端是否正常工作是保证系统正
常运行的前提。而设备异常又主要体现在两个方面，
一是无法进行正常通信，二是温度传感器DSl8820
和烟雾传感器MQ一2无法正常工作。针对第一个问
题，本文设计主控某个探测终端无法得到回应时，在
下一个访问周期将会继续访问并做累计，累计过程
如果得到回应即表示正常：当累计的值超过访问上
限就表示该探测端异常。而第二个问题，系统先通过
平均滤波算法，保证数据的可靠性。同时又监控数
据，当数据长时间维持某一值不动．又或者在很短的
时间内变化剧烈．就会向中心端发送异常警报，提示
使用者注意。
图3为探测端工作图，图4为主控工作图。
2系统硬件组成设计
测试系统硬件主要分为探测终端电路和中心处
理端电路．中心处理端由于处理的数据过多，选用
STM32F103ZET6芯片作为处理芯片【10l：而探测终端
处理的数据较少，选用STC89C52RC芯片作为处理
芯片。图5为中心处理端结构图．图6为探测端结构
图。警报部分主要通过蜂鸣器和不同颜色的指示灯
进行报警工作。
通信芯片采用cc2530芯片f111承担主从设备之
笋巫酊
万方数据
毛杰宁．等无线火灾报警系统设计
图3探测端工作图
图4中心处理端工作图
’
l通信芯片I
图5中心处理端结构图
图6探测端结构图
间的通信工作，ce2530芯片是TI公司推出最新一代
ZigBee标准芯片，CC2530包括了极好性能的一流
RF收发器，工业标准增强性8051 MCU，因此它特别
适合在低功耗无线传感器网络应用。同时，ec2530通
过串口与处理芯片进行通僧埘。
中心处理端显示部分。使用T丌一LCD显示屏实
现人机交互．T订一LCD显示屏是液晶显示器中的一
类重要代表，具有体积小，功耗低，显示品质优良等
诸多优点，已成为当前桌面显示的主’流【131。
探测终端传感器主要包括温度传感器DSl8820
和烟雾传感器MQ一2。它们分别用来监控实际区域
的温度变化和烟雾浓度，将数据传输给探测终端芯
片，探测终端收到数据后，为确保数据的可靠性，我
们统计30次数据并求平均值，当这些指标超出预设
值，探测端就会启动报警。
温度传感器DSl8820是DALLAS公司生产的
单总线器件，具有线路简单、体积小的特点。通过一
个端口即可实现通信。实际应用中不需要外部任何
元器件即可实现测温，i贝4量温度范围在一55一+125℃
之间。数字温度计的分辨率用户可以从9位到12位
选择【141。
烟雾传感器MQ一2对不同种类、不同浓度的气
体具有不同的电阻值，文中测试实验中采用封装好
了FC一22模块．通过ADC模块将温度的变化数值传
输给单片机【15。17】。
3测试效果
测试中我们模拟正常的使用，在同一系统接入
3个探测终端设备，以监控3个区域的温度和烟雾
浓度变化。当设备接人系统中，在1CD显示屏上看到
成功标志，设备就开始正常工作，并且每隔3秒左右
更新一次数据。
当我们人为给其中一个探测终端改变环境因素
时，提升温度或烟雾浓度达到异常值时，主控在极短
的时间内就开始报警。并提示对应探测端温度或烟
雾浓度异常。
当我们给一个探测终端断电或它的传感器断电
时，几秒过后，主控便开始报警，并提示对应探测终
端工作异常或传感器工作异常。
4 结论
为减少火灾带来的损失，实现对火灾隐患区的
监控，文中提出一套的无线火灾自动报警系统，并针
对传统火灾自动报警系统安装维修困难、智能化程
度低、适用范围小的问题，我们提出使用合理的工作
管理机制、程序算法，并基于ZigBee无线传输的无
线火灾报警系统。从而使设备更加的系统化、人性
化、合理化。测试结果也表明该系统体系行之有效，
能及时反应监控设备和环境的状态。从而达到了设
计的要求。
一117—
万方数据
《电子设计工程}2017年第07期
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