摘要：本文简要介绍了火灾特点和ZigBee技术，提出并设计了一种基于ZigBee信息传输的火灾检测系统。将CO浓度、烟雾浓度以及温度信息融合起来，采用模糊推理机制判断是否有火灾发生。并初步设计了部分硬件电路。介绍了软件程序思想。

　　0 引言

　　近年来，随着我国经济的增长和居民生活水平的提高，各种工业制成品和生活用品如洪水般涌现，火灾事故也随之日益增多，造成了巨大的经济和财产损失，更为惨重的代价则是人员的伤亡。因此，研究火灾的起因、特点和现象，建立一个可靠、快速、及时的火灾监控系统有着久远的意义。目前，已有许多用于各个领域的火灾监测的研究资料和经验，火灾检测器与报警系统也比较多，比较成熟。本文在借鉴以往研究的基础上，设计了一种使用ZigBee作为通信方式的火灾监测系统。

　　1 火灾的特点

　　火灾发生的过程中会有气体、烟雾、热和光等产生，一般将火灾过程分为早期，阴燃、火焰放热和衰减四个阶段。火灾早期释放的多是燃烧气体，主要包括CO、CO 、H 等，烟雾、火焰、热量都较少；阴燃阶段则产生大量的可见或不可见的烟雾，火焰、热量也不多；而火焰放热阶段则向外辐射热量，环境温度迅速上升。

　　一般来说，早期和阴燃阶段的时间相对较长，主要以气体和烟雾为主，在这个阶段可以实现早期报警。而且有资料显示：阴燃或明火燃烧的气态燃烧产物主要成分为CO、CO 、H O，其中CO不受外界环境影响，比空气轻，向上扩散比烟雾快，且CO的产生要远早于烟雾。但某些火灾的前两个阶段不明显，可能会猛然释放大量的热，这时可以检测温度实现报警。于是，本文设计中选CO气体作为火灾早期的检测对象。为了提高检测的可信度，同时也对烟雾、温度进行检测。

　　2 ZigBee无线火灾监控

　　2.1 ZigBee技术简介

　　ZigBee是一种近距离、低功耗、低数据传输率、低复杂度和低成本的无线网络技术。它有3个工作频段，分别为868MHz、915MHz和2.4GHz。其中，868MHz和915MHz频段为欧美国家使用。而2.4GHz频段则为通用的ISM（Industrial Sci—entific Medica1）频段，该频段分16个信道，数据传输率为250kbps。ZigBee无线网络基于DSSS扩频技术，采用CSMA／CA（载波监听多路访问／冲突避免）的信道接人方式，节点问的通信距离介于10—100m，加上PA模块后可达千米。为了增加使用的灵活性，每个ZigBee节点都具有两个地址，一个是2Byte的网络地址，使用方便；另一个是8Byte的物理地址，为范围内的地址。

　　在设计中，使用的是HELICOMM公司的IP.LINK1223-5142无线Mesh组网模块，该模块的工作在2.4GHz频段，数据传输率为250kbps，支持625k增强模式，传输距离可达1200m。它支持AT和二进制命令模式。其中，二进制模式支持命令请求、命令应答、数据请求以及ACK应答四种类型的帧格式，可以使用命令帧直接读取RSSI（接收信号强度指示）；模块内嵌温度传感器，10bit采样，可以直接使用命令帧读取采样温度值。

　　IP-LINK 1223-5142无线Mesh组网模块提供Mesh、Star、Linear AODV三种网络拓扑类型，它的发射电流为150mA，接收电流为41 mA，发射功率为22dBm。在使用该模块时，master节点与各client节点的通信信道、网络ID号必须相同，2.4GHz频段的16个信道（每个信道带宽为5MHz）可以根据需要选取，网络ID号的可选范围为0～65535。

　　2.2 无线监控系统结构。

　　图1为所设计的ZigBee无线火灾监控系统的总体设计示意图，主要任务介绍如下：

　　上位机：上位机主要由一台PC机和一块ZigBee中心节点组成。当ZigBee中心节点接收到各检测节点发送来的火灾数据时，经RS232串口上传至监控主机。

　　IP-LINK 1223—5142无线Mesh组网模块：使用Mesh类型网络拓扑。

　　检测节点：采用CO气敏传感器采样外界CO的气体浓度，经过A／D转换后送到微控器（单片机）；采用烟雾传感器探测外界的烟雾浓度，并经A／D转换后由微控器处理；外界的温度检测则由所选用的Zig.Bee模块内置的温度传感器完成，当需要时由微控器经串口发送命令来读取温度采样值。电源模块由市电或其他电力供电线路引入，经变换完成5V和3.3V的电源供电。当检测节点MCU判断出有火灾或者疑似火灾现象时，经ZigBee无线收发模块向上位机发送信息，同时发出现场报警。

图1 火灾监测与报警系统示意图

　　3 检测节点设计

　　3.1 部分硬件电路设计

　　检测节点硬件部分主要由单片机（MCU）、3.3V／5V电源供电模块，ZigBee收发模块、CO气敏传感器、烟雾传感器、温度传感器等组成。

　　CO气敏传感器采用MOTOROLA公司的半导体检测器MGS1100，它的体积较小，受环境温度的影响也较小，工作特性比较一致。在使用时，MGS1100的工作方式使用推荐工作模式：先在加热器两端（3，1）加持续5s的5V高电压（高温），然后加热电压降至1V（低温）并保持10s，高低加热电压周期性反复。

　　VC由MCU管脚驱动输出，为了得到较好的CO浓度检测，一般在加热端的1V供电（低温）9.5s时检测输出电压V_OUT ，由V_OUT的大小可得CO的浓度。推荐工作模式的周期性工作用555定时器实现，它的输出经驱动电路供给MGS1100 的加热端。图2为MGS1100工作电路。

图2 MGSllO0工作电路

　　烟雾传感器选用常见的MQ-2型气体传感器，它有广泛的探测范围，灵敏度也较好，适宜于烟雾、液化气、甲／丁-／丙烷、氢气等的探测。MQ.2型气体传感器对不同种类和浓度的气体有不同的电阻值，在使用时要注意调整灵敏度，同时要考虑温湿度的影响；使用前要注意预热。使用MQ-2型气体传感器的测量电路比较简单，见图3。MQ一2型气体传感器的加热端和测量输入端均用5V DC供电，输出端V1经调理输入到MCU，V1的大小与烟雾浓度值直接相关。

图3 MQ-2型气体传感器测量电路

　　温度传感器采用IP—LINK 1223-5 142 ZigBee模块内置的温度传感器，需要温度数据时，只需用微控器通过串口向ZigBee模块发送一个读取温度采样值的命令请求帧，ZigBee模块会返回一个命令应答帧，该帧里的数据负载即为10位的温度采样值。

　　MCU选用AVR Megal6L，该单片机的PA引脚的第二功能是一个10位的逐次逼近型ADC。因此，在设计使用中，以上各检测输出信号的模数转换均使用AVR Megal6L自带的模数转换器。

　　3.2 微控器软件设计思想

　　传统的火灾检测装置，大多采用开关量的检测方式，判断被检测信号是不是达到某一个阈值，如果达到该阈值，则发动报警处理。这种方式检测灵敏度相对较低，检测速度也相对较慢，不能在火灾早期进行预警或判断。而且，根据单个传感器送来的信息作出是否发生火灾的判决，可能会导致误判。例如，当烟雾探测器探测到的粒子浓度达到预定阈值时，就会发出信号。这些粒子可能是烟雾粒子，也可能是水雾或灰尘等非火灾产生的粒子，这样的话就会导致误判。

　　因此，本设计尝试运用模糊判断的思想来融合多个检测信号，以期在检测灵敏度和快速性方面有所改善。

　　在设计中，采用多变量模糊推理的思想。在单片机中，推理机制如图4中所示。先选取信号CO浓度的当前值和变化数值（当前采样值相对上次采样值的变化量）进行模糊推理。将CO浓度信号的当前采样值取为正常、疑似火灾、火灾三个模糊语言值，将CO信号的变化数值取为负小（包括0）、正小、正大三个模糊语言值，组成单变量二维模糊推理，输出COUT也分为正常、疑似火灾和火灾三个模糊值。再将烟雾信号采样值与温度信号采样值也都分为正常、疑似火灾、火灾三个模糊语言值，和COUT组成多变量一维模糊推理。各个模糊语言值的隶属函数均选为适合各自的较为简单的梯形隶属函数，便于在单片机内较快的实现计算。

图4 单片机内模糊判断机制框图

　　单片机对检测信号的采样周期为15s，即按CO传感器MGS110的工作周期进行采样，在MGS1100的加热电压为1V（低温）时的大约9.5s处采样MGS1100的输出电压V0UT，接着采样MQ-2型烟雾传感器的输出V1和读取ZigBee模块内置的温度传感器的温度采样值。采用中断机制进行采样程序的触发，将555定时器的输出引到单片机的管脚，当检测到上升沿时触发中断程序，中断程序内利用AVRMega16单片机内的定时计数器或延迟程序使信号采样程序在触发中断后的第9.5s时开始运行。对各采样值进行上文介绍的模糊判断机制，若判断为火灾或者疑似火灾，则通过ZigBee无线收发模块将判断信息发送到监控主机。

　　4 主机监控界面系统设计

　　为了提供可视化的操作，实现远程监控，选择MICROSOFT VISUAL BASIC 6.0设计了上位主机监控界面。VISUAL BASIC 6.0中提供了大量的控件和对象，对象的事件处理能力足够满足设计的需要。

　　主机通过RS232串口经过RS232／TFL电平转换，与ZigBee网络master节点进行通信。VISUALBASIC 6.0中的MSComm通信控件提供了标准的事件处理函数和过程¨ ，并可以通过属性的设置或者编程的方法设置串口的参数。监控主机界面的主要功能如下：

　　1）动态的提醒和显示出现火灾或者疑似火灾的地点，并以数据库的形式将其发生时问日期、地点、处理情况等信息保存下来。

　　2）发送client节点查询命令，以检查client节点是否在正常工作；可以根据需要，在界面里配置各常用的串口参数。

　　3）显示和提供人性化的操作方式。提供对数据库的各种操作，包括生成和打印报表等。

　　5 结束语

　　本文设计了一种使用ZigBee传输数据的火灾监测与报警系统，并已初步实现了它。基于ZigBee的无线信号传输网络克服了传统有线信号传输网络的缺点，而且采用多信息融合和模糊推理方法，较好的提高了检测速度，减小了误判率。但在较为具体实现的低功耗和低成本方面，仍需要进一步的提高。

参考文献:

[1]. 100m datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/100m_2509927.html.
[2]. RS232 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/RS232_585128.html.
[3]. MGS1100 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/MGS1100_1098159.html.