《基于火灾报警和被困人员定位功能的消防系统设计》-工学论文，通信论文-论文范文参考-科学狗论文网

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基于火灾报警和被困人员定位功能的消防系统设计

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方建博张福文刘旭周野李洁纯韩成浩

摘要：我国目前有线火突报警系统较成熟，但并不具备被困人员定位追踪功能，无线报警系统正在兴起。针对这一现状，文章设计了一种具有火突报警和被困人员定位功能的消防系统。该系统包括参考节点、定位节点及网关，火灾发生时，定位节点能与参考节点通过ZigBee进行无线通信，并计算出自身位置发送至网关，网关通过CAN总线将信息汇总到控制中心。从而实现了无线火突报警和被困人员定位，在实施救援时，能够大大降低救援难度，缩短救援时间。

关键词：火灾报警系统；ZigBee；无线定位

随着社会发展，高层建筑的不断增多以及现代化城市经济的发展，建筑物内人口的增加，电气设备过载、过热、短路和老化等不安全因素，均布局的扩大和具有火灾隐患，重特大火灾发生概率呈上升趋势，消防问题越来越受到人们重视。

在我国基于有线的火灾报警系统和消防联动系统已经趋于成熟，然而有线通信方式扩展性能差，对管线的要求苛刻，投资大，布线繁琐，影响美观，维护困难。此外，传统火灾报警系统和消防联动系统不具备对被困人员的定位及追踪。近几年，国外新兴起新型的无线火灾报警系统，我国在无线报警系统方面稍微滞后于国外，却仍然可以看出无线报警系统广阔的发展前景[1]。

基于以上国内外报警系统现状，本文利用ZigBee技术设计一种具有无线火灾报警和被困人员定位的新型系统。ZigBee技术具有低功耗，低成本，高可靠性，网络容量大，安全等特点[2]。能够有效地降低系统复杂度，提升可靠性和稳定性。

1 系统总体设计方案

系统的总体设计方案如图1所示。图中有以下4个模块：（1）定位节点，是被困人员随身携带的模块，可以是胸针、腕带等。（2）参考节点，一般布置在楼内的走廊和工作室内，坐标值已知，具有火灾探测功能。（3）网关，需要每层设置一个或多个，在系统中起着承上启下的作用。（4）控制中心，一般设置在一楼消防控制中心负责接受现场信息并解析，并發送命令及时处理[3]。

火灾发生时，参考节点首先把自身位置信息提供给定位节点，定位节点根据参考节点提供的信息，即固定坐标值和接收到的信号强度（Received Signal Strength Indicator，RSSI）平均值，计算出自身的具体位置，并将相关信息传送至所在楼层的网关上。该信息还包括各个定位节点标志号，以及被困人员的体温和脉搏等生理特征。

网关接收到相关信息以后，通过控制器局域网络（Controller Area Network，CAN）总线把这些数据，连同自身的ID号以及参考节点发送的环境温度和烟雾浓度一同传送至控制中心的服务器上。

控制中心根据网关提供的各项信息，就可以准确定位被困人员的位置，包括被困人员所处的楼层和具体房间的位置。定位节点的坐标值、标志号及网关的ID号，对被困人员的准确定位起到关键性的作用。

2 系统硬件设计

2.1 参考节点设计

参考节点选用CC2430芯片，是一个位于已知坐标位置的静态节点，配备温度传感器及离子感烟器，具有火灾探测功能。火灾发生时，它能够与定位节点进行通信，把一个信息包传递给定位节点，其中包含自己位置X、Y坐标和RSSI值。从理论上讲，参考节点布置得越多，其定位精度越高。同时，参考点能够将周围的环境温度和烟雾浓度转发至网关节点[4-5]。

2.2 定位节点设计

定位节点选用CC2431芯片，具有定位引擎功能。定位节点结构还包括测量被困人员体温的温度传感器，显示相关数据的液晶显示器，以及无线传输电路等。CC2431芯片是一款针对无线传感器网络ZigBee的片上系统，使用8051MCU，具有高性能、低功耗的优点，还具有极高的灵敏度和抗干扰性能。

定位节点可以通过参考节点的坐标来计算自身位置，它可以收集参考节点的X、Y坐标值和RSSI值，并将这些信息和输入参数（A，N）相结合，计算本身的坐标位置信息。同时，定位节点将相关数据传送至网关，包括被困人员的体温和脉搏等生理特征信息。CC2431芯片定位的原理是根据信号随着距离增加而衰减的原理。

2.3 网关设计

网关相当于ZigBee网络中的协调器，负责整个网络的管理、服务和协调。

每层至少设置一个网关。网关选用CC2530芯片。当两个或两个以上同时分布一个楼层时，可以分区放置网关。网关的主要功能是接收来自于ZigBee待定位节点的数据信息。每一个ZigBee定位节点与网关之间的数据通信链路是由ZigBee定位节点的安装位置和建筑物内部结构特点确定，但数据信息的格式是固定不变的。网关结构如图2所示。

3 结语

本文利用ZigBee无线网络技术所开发的新型系统，具有无线火灾自动报警及被困人员实时定位、疏导功能，可以提高系统的智能化程度和安全系数。系统在最短的时间内报警，并实时定位和跟踪，大大提高了应急救援工作的效率，将损失降低到最低。同时，也解决了传统的火灾自动报警和消防联动控制系统存在的工程庞大、系统复杂、施工难、维护困难、投资大等问题，节省了大量的管材和导线，提高了系统的性价比，目前在国内市场有很大扩展空间。

[参考文献]

[1]颜学义.基于ZigBee的智能火突报警系统设计[D].长沙：国防科学技术大学，2008.

[2]朱琳.基于ZigBee技术的嵌入式火突报警系统的研究与设计[D].镇江：江苏大学，2013.

[3]谭秀华.ZigBee技术在远程监控网络中的应用研究[D].北京：华北电力大学，2011.

[4]宋庆恒.谭懿.基于CC2530的温室智能移动监测系统的设计[J].中国农机化学报，2015（36）：114-117.

[5]董晓瑞.基于ZigBee定位系统设计与实现[D].哈尔滨：哈尔滨理工大学，2011.

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