物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)下的智能火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)

摘要：設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的智能火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)，以ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)為底層的數(shù)據(jù)采集和傳輸網(wǎng)絡(luò)，完成對(duì)火災(zāi)信息的準(zhǔn)確感知。WSN節(jié)點(diǎn)以CC2530和CC2591為處理和無線收發(fā)單元，以DHT21和MQ傳感器為數(shù)據(jù)采集單元，實(shí)現(xiàn)了多傳感器數(shù)據(jù)采集。采用Qt技術(shù)設(shè)計(jì)了系統(tǒng)GUI，基于qextserialport類和SQLite數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的串口通信和數(shù)據(jù)庫操作。測試表明，系統(tǒng)準(zhǔn)確可靠，GUI界面友好，易于操作。
關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；火災(zāi)預(yù)警；ZigBee；Qt

引言
物聯(lián)網(wǎng)(Internet Of Things，IOT)技術(shù)的提出和快速發(fā)展為火災(zāi)預(yù)警技術(shù)的發(fā)展提供了新的思路和解決方案。當(dāng)前，火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)作為智能家居、樓宇自動(dòng)化的重要組成部分，已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用和普及。但是，系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性一直有待提高，傳統(tǒng)的總線制火災(zāi)系統(tǒng)在使用中已經(jīng)暴露出了很多問題，包括布線的種種弊端以及高虛警率和漏警率等。鑒于此，本文設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的智能火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)概述
系統(tǒng)采用物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)設(shè)計(jì)，按照其四層結(jié)構(gòu)模型，以ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(ZigBee—WSN)為底層的感知識(shí)別層，以GSM／GPRS或Inter net為網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建層，管理層和應(yīng)用層則采用PC和智能手機(jī)相結(jié)合的方式。系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

底層數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)采用ZigBee樹簇狀網(wǎng)絡(luò)，由傳感節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)和管理節(jié)點(diǎn)組成。部署系統(tǒng)時(shí)，首先在待監(jiān)測區(qū)域固定若干匯聚節(jié)點(diǎn)，作為單位區(qū)域內(nèi)的路由器，匯聚網(wǎng)絡(luò)信息。匯聚節(jié)點(diǎn)采用消防電源長期供電，確保網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定。傳感節(jié)點(diǎn)則可以根據(jù)實(shí)際需要隨機(jī)布置，具有可任意“播撒”的特點(diǎn)。這樣，若干傳感節(jié)點(diǎn)通過2．4 GHzISM信道不斷地將環(huán)境感知數(shù)據(jù)發(fā)送給匯聚節(jié)點(diǎn)，再由其匯聚給管理節(jié)點(diǎn)。管理節(jié)點(diǎn)作為ZigBee網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器，負(fù)責(zé)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的建立、信道選擇、地址分配以及節(jié)點(diǎn)的加入和退出等，并通過RS232與控制管理中心PC通信。控制管理中心應(yīng)提供良好的人機(jī)交互環(huán)境，實(shí)時(shí)顯示網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)，存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)上傳的數(shù)據(jù)。同時(shí)，還可以對(duì)多傳感器采集數(shù)據(jù)進(jìn)行信息融合，達(dá)到對(duì)火災(zāi)的智能判別。在確定存在火情的情況下，能夠進(jìn)行聲光、短信報(bào)警，并啟動(dòng)自動(dòng)消防設(shè)備。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2．1 處理器單元設(shè)計(jì)
感知識(shí)別層采用ZigBee—WSN技術(shù)，負(fù)責(zé)完成復(fù)雜環(huán)境下的火災(zāi)信息感知。系統(tǒng)中，各傳感節(jié)點(diǎn)的處理器單元和無線收發(fā)單元分別選擇TI公司的CC2530芯片和CC2591芯片。CC2530內(nèi)部集成了工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型8051內(nèi)核、符合2．4 GHz IEEE 802．15．4的RF收發(fā)器、21個(gè)可編程邏輯的GPIO、5通道的DMA、8通道可配置分辨率的ADC、看門狗定時(shí)器以及AES安全協(xié)處理器等。因此，CC2530以其較高的性價(jià)比成為高校開展科研、企業(yè)進(jìn)行產(chǎn)品研發(fā)的重要選項(xiàng)，已經(jīng)具有了較高的市場占有率。同時(shí)，系統(tǒng)還增加了射頻放大芯片CC2591，其目的就是保證網(wǎng)絡(luò)的傳輸距離和復(fù)雜室內(nèi)環(huán)境中的穿透能力，確保網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的可靠傳輸。經(jīng)測試，采用了CC2591的WSN節(jié)點(diǎn)的傳輸能力可達(dá)500～1000 m，且穿透能力得到了較大的提升。
系統(tǒng)WSN節(jié)點(diǎn)的硬件電路如圖2所示。