中国科技论文在线 基于 Zigbee 的家庭火灾报警系统的设计# http://www.paper.edu.cn 尉志武，胡彧** （太原理工大学测控技术研究所，太原 030024） 摘要：本文介绍了一种基于 Zigbee 的家庭火灾报警系统的设计。通过使用烟雾传感器、一 氧化碳传感器和热释电红外线传感器来监测火灾信号，并通过使用加权算法来判断火灾的发 生，从而减小了火灾的漏报率和误报率。当有火灾发生时，通过短信报警器将信息传递给用 户，并通过互联网将信息传送到监控中心，便于进行火灾救援。 关键词：Zigbee；家庭火灾报警；火灾监控系统 中图分类号：TP277 The Design of House Fire Warning System Based Zigbee YU Zhiwu, HU Yu TaiYuan 030024) (Instisute of Measuring and Controlling Technology,Taiyuan University of Technology, Abstract: This paper introduces a house fire warning design based on zigbee.In the system, smoke sensors, carbon monoxide sensors and pyroelectric infrared detectors are used to monitor the fire signal. In order to reduce the false negative rate fire and false alarm rate, the system use weighted algorithm to determine the occurrence of fire. When a fire occurs, the alarm pass information to the user via SMS and access the Internet to transmit the information to the monitoring center. It is easy to carry out fire rescue. Keywords: Zigbee; Home Fire Alarm; Fire Monitoring System 5 10 15 20 0 引言 25 根据公安部消防局的统计数据，对我国近三年的火灾次数进行统计，如表 1 所示： 表 1 火灾次数统计表 Tab.1 Number of Table of Fire 年份 火灾次数 死亡人数 2007 2008 2009 1—10 月 15.9 万 13.3 万 10.6 万 1418 人 1385 人 831 人 住宅发生火 灾次数 6.1 万 5.2 万 住宅死亡人 数 969 人 968 人 578 人 住宅次数所 占比例 38.30% 39.10% 住宅死亡所 占比例 68.30% 69.90% 69.60% 30 通过上表可知：近三年来全国的火灾发生次数每年都在十几万次，虽然逐年在减少，但 发生的次数依然很高，死亡人数也没有太大的减少。每年家庭住宅火灾发生次数将近占到总 火灾发生次数的 40%，但死亡人数却占到了总死亡人数的 70%，因此，家庭火灾的预防是 重中之重。火灾的发生状态，0~3 分钟是火灾初期，3~6 分钟是火灾发展期，6~12 分钟是火 灾旺盛期，因此要尽量在火灾发生的初期火灾就被监测出来，减少火灾所带来的损失。对于 35 火灾的监测，主要是以火灾报警系统为主，而如何能够更加准确的将火灾消灭在最小状态一 直是火灾监测的重点，而如何能够降低火灾报警系统的误报和漏报，一直都是研究的重点。 Zigbee 技术是一种功耗低、成本低、易应用的近距离无线通信技术[1]。本设计将它与火 灾报警系统有机的结合起来，通过无线传感器网络节点来传递火灾信息，节点利用热释电红 基金项目：山西省自然科学基金（2009011019-2） 作者简介：尉志武，（1985-），男，硕士研究生，主要研究方向：无线传感器网络 通信联系人：胡彧，（1968-）,女，教授，主要研究方向：智能信息处理与智能控制. E-mail: huyutyut@163.com - 1 - 

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 40 45 50 外传感器，CO 传感器和烟雾传感器同时捕捉火灾信号，利用加权值来判断火灾是否发生， 实现家庭火灾报警。本设计利用 Zigbee 无线传输代替了有线传输，这样使得整个房间的布 局美观大方.通过使用热释电红外传感器和烟雾传感器来监测明火的发生，使用 CO 传感器 来监测阴燃火的发生，这样就降低了家庭火灾报警系统的漏报率，通过使用加权算法来减少 报警系统的误报率，从而提高系统的稳定性和可靠性。 1 Zigbee 技术简介 Zigbee 技术以 IEEE802.15.4 通信标准为基础发展起来，IEEE802.15.4 定义了通信网络 的物理层和媒体控制子层规范，确定了物理通信信道、传输速率以及如何共享通信信道。 Zigbee 联盟在 IEEE802.15.4 的基础上定义了 Zigbee 技术的高层协议，包含了 NWK 网络层 和 APP 应用层框架协议[2]。Zigbee 将网络中的设备分为协调器、路由器和终端设备。协调 器负责组建和管理整个 Zigbee 网络，并统筹分配 16 位网络短地址给其子节点。路由器加入 网络后帮助其子节点转发传感器数据，起到数据路由的作用。而终端设备是向其父节点发送 数据。在 Zigbee 协议规范中定义了三种网路拓扑：星型结构、网状结构和簇树型结构[3]。本 设计将采用簇树型结构组建无线传感器网络。 2 家庭火灾报警系统设计 2.1 系统总体设计 55 无线传感器网络终端节点将采集到的火灾信号通过 Zigbee 无线网络将信息传递给路由 节点，在通过路由节点将信息传递给协调器节点，在协调器内将火灾信息进行数据融合，当 判断有火灾发生时，发送报警信息给每个节点，开启蜂鸣器产生报警，并将火灾信息通过短 信报警器发送短信告知用户，并通过串口将火灾信息传送到客户端，并通过 Internet 将信息 传送到监控中心，以便积极开展救援工作，整个系统设计如图 1 所示。 60 65 图 1 家庭火灾报警系统总体结构图 Fig.1 The Overall Structure of Home Fire Warning System 2.2 系统硬件设计 本设计中节点电路分为传感器、LM393 比较器、CC2430 模块、2.4G 无线收发器、天线、 蜂鸣器和电源，如图 2 所示。传感器收到火灾信号后通过比较器将模拟量转化成数字量，传 输到 CC2430 模块，然后通过 2.4G 收发器发送信息。CC2430 模块采用高性能、低功耗的 8051 微控制器内核，具有丰富的片上存储功能，具有 128KB 闪存和 8KBSRAM[4]。 - 2 - 

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 蜂鸣器 MQ-2烟雾传感器 LM393比较器 MQ-7烟雾传感器 LM393比较器 SPS532CA 红外线传感器 LM393比较器 电 源 CC2430 模块 2.4G 无线 收发 器 天线 图 2 系统硬件设计结构图 Fig2 Hardware Diagram of the System 2.4G 无线收发器采用 CC2420RF 收发器，它是适应 2.4GHzIEEE802.15.4 的 RF 收发器， 在系统中完成数据的收发工作。它具有阵发模式数据传输功率，无线传输速率高，有极高的 接收灵敏度和抗干扰性能[5]。 2.3 系统软件设计 当终端节点的传感器监测到有火灾信号，就开始向协调器发送信息，并同时启动定时器， 如果在定时结束后还没有收到协调器的回复信息就继续发送原信息。如果收到回复信息则进 入监测状态继续监测火灾信号，如图 3 所示。 图 3 终端节点的程序流程图图 4 协调器节点的程序流程图 Fig.3 Program Flow Chart of End Device Fig.4 Program Flow Chart of Coordinator 当终端节点发送的火灾信号通过路由节点将信息发送给协调器时，协调器对于收到的信 息进行判断，如果是第一次收到火灾信息，则开启系统定时器并进入火灾监测计数状态。在 设定的时间内，分别对收到的烟雾传感器报警的次数、CO 传感器报警的次数和热释电红外 线传感器的次数进行统计。当达到设定的时间后，协调器会分别为这三种传感器的次数分配 一个设定的权值，如果满足下面的式子： 烟雾次数×烟雾权值+CO 次数×CO 权值+红外线次数×红外权值≥设定值 - 3 - 70 75 80 85 

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 就会产生报警信息。如果不满足，则整个系统回复到原初始状态。整个协调器的软件设 计如图 4 所示。 3 系统客户端和监控系统设计 3.1 客户端设计 本文采用 VB6.0 编写了一套基于 PC 串口的图形用户界面，如图 5 所示。本系统使用 MSComm 控件通过串行端口与协调器实现传输和接受数据，使用 Winsock 控件与监控系统 通过 Internet 进行连接。在监控系统的 IP 地址栏内输入监控系统的 IP 地址，点击连接远程 服务器的控制按钮，如果连接成功就会在状态栏内显示出来，就可以进行远程监控了。在右 边的串口设置栏内设置串口参数，通过 RS-232 总线与协调器进行连接，从而传递信息。当 有火灾信号传到客户端时，如果哪个房间发生火灾就会在相对应得显示框中显示红色，并通 过 Internet 将火灾信息发送到监控系统。当火灾被扑灭时，通过解除警报按钮使整个火灾监 控网络又回到原初始状态继续监测火灾。 90 95 100 105 3.2 监控系统设计 图 5 客户端界面 Fig.5 Interface of Client 火灾监控系统使用Winsock 控件能够与客户端连接起来,每一个显示框都代表了 一个客 户端的情况。当有火灾发生时，就会发出警报通知监控人员，并在显示框显示不同的颜色， 从而可以知道是哪一个客户端发出的警报，并根据不同的显示颜色来判断是哪个房间发生火 灾，可以使监控人员做出快速反应，界面设计如图 6 所示。 110 - 4 - 

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 图 6 监控系统界面 Fig.6 Interface of Monitoring System 115 4 结论 本文设计的一种基于 Zigbee 的家庭火灾报警系统，采用 CC2430 片上系统组建无线传 感器网络。本文对客户端的设计进行了介绍，给用户一种直观的感觉，并且方便用户操作。 本系统实现了对于室内的火灾监测，解决了现有火灾报警系统施工与维护复杂，抗干扰能力 低的问题。通过使用多传感器加权算法可以有效的降低火灾的误报率和漏报率，能够更好的 提高火灾的监测能力。 120 [参考文献] (References) 125 130 [1] 刘劲松，杨明，刘晓平.基于 CC2430 和 Zigbee2006 协议栈的通信模块设计[J].单片机与嵌入式系统应用， 2010,2:26-28. [2] Horng Mong-Fong, Shih Chien-Chou, Hsieh Wen-Hsiung etc. A temperature surverillance system based on Zigbee technology for blaze detection [J]. 2009 4th International Conference on Innovative Computing, Information and Control, ICICIC 2009, 2009:1277-1280. [3] 路染妮，张刚.Zigbee 无线传感器网路的路由协议研究[J].电子设计工程，2010,18（11）：182-185. [4] 瞿雷，刘盛德，胡咸斌.Zigbee 技术及应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2007. [5] 张静.基于 Zigbee 技术的火灾自动报警系统[N].山西财经大学学报，2009,31(2). - 5 -