基于嵌入式的火灾检测系统设计
徐志刚
摘 要： 研究一种基于嵌入式的火灾检测系统，通过应用无线技术和嵌入式技术设计火灾检测系统。该系统能够实时地采集火灾因子，并采用无线通信和路由传输的方式将数据传输到处理器中，进而生成火灾决策和预警。互联网以及手机监测中心可以采用无线通信方法及时地获取预警信息和环境参数，根据所监测的烟尘、大气压、温度以及相对湿度等信息来综合分析森林环境状况，进而有效地预报火灾，避免森林火灾产生较大的经济损失。实验结果表明，该设计达到了预期目标。
关键词： 嵌入式技术； 无线传感网络； 火灾检测； 實时监测
中图分类号： TN911.23?34； TP27 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）10?0168?04
Abstract： A fire detection system based on embedded technology is studied. The wireless technology and embedded technology are used to design the fire detection system. The system can collect the fire factor in real time， and uses the modes of wireless communication and route transmission to transmit the data to the processor， so as to generate a fire decision， and perform the early warning. The wireless communication method is adopted in Internet and mobile phone monitoring center to acquire the early warning information and environmental parameters timely. According to the monitored smoke， atmospheric pressure， temperature， relative humidity and other information， the environmental condition of the forest is analyzed comprehensively to forecast the fire effectively， and avoid the economic losses caused by forest fire. The experimental results show that the system has reached the expected target.
Keywords： embedded technology； wireless sensor network； fire detection； real?time monitoring
在特定环境以及人民活动范围逐渐提升的过程中我国的森林火灾事件频频出现。森林火灾具有危害性大以及难以预测的特性。由于森林火灾的危害性和普遍性以及森林资源的珍贵性使得森林防火的重要性越来越大，所以应当通过对高效精确技术手段的应用来有效地预警和监测森林火灾[1?2]。
通过对无线技术和嵌入式技术的应用所设计的火灾检测系统，能够实时地采集火灾因子，采用无线通信和路由传输的方式将数据传输到处理器中，进而生成火灾决策和预警。互联网以及手机监测中心可以采用无线通信方法及时地获取预警信息和环境参数，根据所监测的烟尘、大气压、温度以及相对湿度等信息来综合分析森林环境状况，进而有效地预报火灾，避免森林火灾产生较大的经济损失[3?4]。
1 火灾检测系统总体设计
森林具有数目分布随机、面积广以及距离短的特点，因此本文以ZigBee技术为基础设计了一种无线传感器网络来监控森林火灾。作为一种自组织、低复杂度、近距离、低功耗以及低成本的无线组网通信技术，ZigBee技术具有有线系统所不具有的优势，能够以较为灵活的方式进行安装和布置，同时具有较高的可靠性、较低的能耗以及低廉的安装费用等优势，因此在实时监测森林火灾的过程中能够发挥非常重要的作用[5?6]。
系统的整体结构框图如图1所示。外部通信网络、数据采集网络、终端设计以及主控制器是本文所设计火灾检测系统的主要组成部分。其中终端节点、路由器以及协调器是无线数据采集网络的三种功能节点，通过自组织这三种功能节点能够组成无线通信网络，各种传感器组成了终端设备，在风力、烟雾浓度以及温度等森林环境参数监测的过程中能够发挥非常重要的作用。
主控制器，也就是嵌入式网关，该部分为系统的主要控制部分，需要将系统外部网络与内部网络连接起来；另外利用ZigBee无线网络能够实时地监测智能终端设备[7]。内部网路，也就是无线数据采集网络，多个 CC2530 模块组成了这种网络。模块中包含终端节点、路由器以及解调器三种类型的节点，通过ZigBee无线网络能够将终端节点上所采集的数据传输到协调器，然后利用UART接口协调器能够将数据传输到嵌入式网关中。传感器主要包含风力传感器、气体传感器以及温湿度传感器等，主要在内部网络的终端节点上进行安装，主要对目标区域的环境参数进行采集。
外部网络， Internet，用户通过外部网络能够远程访问整个系统[8]。
2 系统硬件设计
2.1 嵌入式模块硬件设计
作为一种中央处理器架构，ARM架构和PC 常用的X86比较类似，这种架构具有稳定性高、效率高、成本低以及功耗低的特点，因此在嵌入式设备的应用非常广泛[9]。本文在设计的过程中对S3C2440A 处理器进行了应用。
（1） 供电电路。本文设计的嵌入式系统中使用 5 V，3.3 V及1.25 V 三种电压供电。5 V和3.3 V电压为存储器和外部设备供电，1.25 V电压为S3C2440A 处理器的内核供电。3.3 V电压由5 V电压经过AS1117AR?3.3芯片转换，1.25 V电压由3.3 V电压经过MAX8860EUA 芯片转换得来[10]。供电电路如图2所示。
（2） USB 接口电路。本文使用4线制的USB连接方式，USB 的接口电路如图3所示，D+，D-端用于传输数据。
（3） 以太网电路。本文研究的嵌入式检测系统中使用DM9000 网卡芯片作为以太网连接，使用H1102 网络变压器作为电气隔离以及保护芯片之用[11]。
2.2 无线通信模块硬件设计
本文设计火灾检测系统的无线通信模块使用TI 公司的 CC2530 芯片作为射频芯片。
（1） 主控器最小系统。最小系统电路是实现主控器基本功能的基础电路，如图4所示[12]。
2.3 传感采集模块硬件设计
（1） 温湿度传感器。本系统采用SHT10数字式温湿度传感器芯片对检测区域内的环境温湿度进行实时监测，该芯片抗干扰能力突出、功耗低、体积较小。SHT10数字式温湿度传感器芯片与CC2530主控模块连接见图6。
（2） 烟雾浓度传感器 MQ?2。本系统采用MQ?2 烟雾浓度传感器对检测区域内的环境烟雾浓度进行实时监测，该芯片抗干扰能力突出、对烷类气体检测效果最优。其工作电压为DC 5 V，检测范围在100～1 000 ppm。MQ?2 烟雾浓度传感器与CC2530主控模块连接如图7所示，传感器需要经过LM358 放大处理后与CC2530进行连接[13]。
3 系统软件设计
3.1 采集节点的程序设计
在接通电源以后采集节点首先初始化整个系统。完成初始化以后就开始对节点自身附近的可用信道进行扫描，如果有可用信道就通过发送入网请求来进入到网络中。根据前面的描述，森林检测环境非常复杂，只能采用電池供电的方法对实际森林环境进行检测，因此节点的能量会受到一定的限制。
为了减少节点采集过程中所耗费的能量，在完成初始化后节点就进入到休眠状态，利用定时采集数据的方法能够唤醒采集节点。当达到定时时间以后就会唤醒节点，根据所设置的定时周期就可以周期性地采集森林环境数据，然后直接或者间接地将采集到的数据传输到网关节点中，就能够不间断地监测森林环境，还能够保证实时和高效地传输网关节点和采集节点之间的数据。另外还能够有效地避免节点消耗过多的能量，对于整个系统生命周期的延长有非常重要的作用。采集节点的程序流程如图8所示[14]。
3.2 路由节点的程序设计
在对路由节点程序进行设计的过程中，应当保证路由转发数据功能的实现。在申请进入网络以后路由节点需要根据所设置的周期对森林环境数据进行不间断的采集，另外还要对其他路由节点和采集节点发送过来的数据进行采集，最后将这些数据传输到网关节点中。路由节点的流程如图9所示[15]。
3.3 网关节点的主程序设计
在整个森林火灾检测系统中网关节点是核心部分，能够连接监测中心和传感器节点。既要对路由节点和传感器节点发送过来的环境数据进行接收，还要通过对通信模块的控制将数据传输到远端监测中心；另外一方面各个传感器节点通过网关节点能够获取监测中心的指令。在接通电源后网关节点首先初始化核心微处理器模块，同时对无线通信模块进行初始化。初始化完成后通过对空闲信道的扫描来建立全新的网络，并对所建立的网络进行启动。
接下来节点的地址信息通过网关节点传输到周围的传感器中，如果传感器处在有效的通信范围内，而且接收到了信息，才对网关所分配的地址成功获取以后就能够将确认信息发送到网络中，使得成功地组建系统网络。这样传感器所发送的入网请求就能够得到定时的响应和监测，对于传感器节点所采集到的环境数据也能够顺利的接收。网关节点的主程序流程如图10所示[15]。
3.4 监控组态软件设计
基本上所有的工业软硬件通信接口都能够实现与组态王的兼容，因此可以将其称之为具有开放性特点的监控系统集成平台。具有适应性强以及展性强的特点。利用组态王能够进行网络的发布，另外通过浏览器监控端能够在任意的位置对监控画面和监控的数据进行查看。图11为组态王操作智能板卡的方法。设计人员利用组态王对所用板卡的驱动程序进行固定调用以后就能够对板卡的逻辑关系进行使用，另外利用组态王能够自动的完成其他底层的操作。
嵌入式火灾检测系统的组态界面如图12所示。
4 结 论
本文研究一种基于嵌入式的火灾检测系统，通过对无线技术和嵌入式技术的应用所设计的火灾检测系统。对检测系统的嵌入式模块硬件、无线通信模块硬件、传感采集模块硬件进行了设计。对系统采集节点程序、路由节点程序、网关节点程序及组态软件进行了设计。结果表明，该设计达到了预期目标。
参考文献
[1] 苏坡.基于ZigBee无线传感器网络的森林火灾监测系统研究[D].西安：长安大学，2015.
[2] 杨磊.基于ZigBee和GPRS无线远程森林防火系统研究与设计[D].沈阳：沈阳理工大学，2015.
[3] 曹流圣.基于Android和ZigBee技术的室内智能监控系统的设计与实现[D].杭州：浙江大学，2015.
[4] 陈静.基于LabVIEW的校园宿舍消防安全管理系统的设计与实现[D].成都：电子科技大学，2014.
[5] 邓懿.基于ARM与ZigBee的矿井安全监测系统研究与设计[D].兰州：兰州交通大学，2015.
[6] 黎智成.基于Zigbee无线通信网络的智能办公综合监控系统[D].广州：华南理工大学，2012.
[7] 尹红敏.基于ZigBee的矿井安全监测系统设计[D].太原：中北大学，2013.
[8] 尹盼.基于ZigBee技术的矿井综合监测系统设计与网络节点开发[D].长沙：中南大学，2009.
[9] 战胜.基于组态王的变电站综合监控系统设计及应用[D].北京：华北电力大学，2014.
[10] 马加名.基于GIS的高校学生宿舍火灾风险评估及应急决策系统研究[D].武汉：武汉理工大学，2014.
[11] 张志强.高等学校学生宿舍安全管理研究[D].上海：上海师范大学，2015.
[12] 张军国，李文彬，韩宁，等.基于ZigBee无线传感器网络的森林火灾监测系统的研究[J].北京林业大学学报，2007（4）：41?45.
[13] 汤文亮，曾祥元，曹义亲.基于ZigBee无线传感器网络的森林火灾监测系统[J].实验室研究与探索，2010（6）：49?53.
[14] 张军国.面向森林火灾监测的无线传感器网络技术的研究[D].北京：北京林业大学，2010.
[15] 陶冶.基于ZigBee的森林火灾预警系统的设计与实现[J].计算机应用，2011（z2）：209?211.
摘 要： 研究一种基于嵌入式的火灾检测系统，通过应用无线技术和嵌入式技术设计火灾检测系统。该系统能够实时地采集火灾因子，并采用无线通信和路由传输的方式将数据传输到处理器中，进而生成火灾决策和预警。互联网以及手机监测中心可以采用无线通信方法及时地获取预警信息和环境参数，根据所监测的烟尘、大气压、温度以及相对湿度等信息来综合分析森林环境状况，进而有效地预报火灾，避免森林火灾产生较大的经济损失。实验结果表明，该设计达到了预期目标。
关键词： 嵌入式技术； 无线传感网络； 火灾检测； 實时监测
中图分类号： TN911.23?34； TP27 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）10?0168?04
Abstract： A fire detection system based on embedded technology is studied. The wireless technology and embedded technology are used to design the fire detection system. The system can collect the fire factor in real time， and uses the modes of wireless communication and route transmission to transmit the data to the processor， so as to generate a fire decision， and perform the early warning. The wireless communication method is adopted in Internet and mobile phone monitoring center to acquire the early warning information and environmental parameters timely. According to the monitored smoke， atmospheric pressure， temperature， relative humidity and other information， the environmental condition of the forest is analyzed comprehensively to forecast the fire effectively， and avoid the economic losses caused by forest fire. The experimental results show that the system has reached the expected target.
Keywords： embedded technology； wireless sensor network； fire detection； real?time monitoring
在特定环境以及人民活动范围逐渐提升的过程中我国的森林火灾事件频频出现。森林火灾具有危害性大以及难以预测的特性。由于森林火灾的危害性和普遍性以及森林资源的珍贵性使得森林防火的重要性越来越大，所以应当通过对高效精确技术手段的应用来有效地预警和监测森林火灾[1?2]。
通过对无线技术和嵌入式技术的应用所设计的火灾检测系统，能够实时地采集火灾因子，采用无线通信和路由传输的方式将数据传输到处理器中，进而生成火灾决策和预警。互联网以及手机监测中心可以采用无线通信方法及时地获取预警信息和环境参数，根据所监测的烟尘、大气压、温度以及相对湿度等信息来综合分析森林环境状况，进而有效地预报火灾，避免森林火灾产生较大的经济损失[3?4]。
1 火灾检测系统总体设计
森林具有数目分布随机、面积广以及距离短的特点，因此本文以ZigBee技术为基础设计了一种无线传感器网络来监控森林火灾。作为一种自组织、低复杂度、近距离、低功耗以及低成本的无线组网通信技术，ZigBee技术具有有线系统所不具有的优势，能够以较为灵活的方式进行安装和布置，同时具有较高的可靠性、较低的能耗以及低廉的安装费用等优势，因此在实时监测森林火灾的过程中能够发挥非常重要的作用[5?6]。
系统的整体结构框图如图1所示。外部通信网络、数据采集网络、终端设计以及主控制器是本文所设计火灾检测系统的主要组成部分。其中终端节点、路由器以及协调器是无线数据采集网络的三种功能节点，通过自组织这三种功能节点能够组成无线通信网络，各种传感器组成了终端设备，在风力、烟雾浓度以及温度等森林环境参数监测的过程中能够发挥非常重要的作用。
主控制器，也就是嵌入式网关，该部分为系统的主要控制部分，需要将系统外部网络与内部网络连接起来；另外利用ZigBee无线网络能够实时地监测智能终端设备[7]。内部网路，也就是无线数据采集网络，多个 CC2530 模块组成了这种网络。模块中包含终端节点、路由器以及解调器三种类型的节点，通过ZigBee无线网络能够将终端节点上所采集的数据传输到协调器，然后利用UART接口协调器能够将数据传输到嵌入式网关中。传感器主要包含风力传感器、气体传感器以及温湿度传感器等，主要在内部网络的终端节点上进行安装，主要对目标区域的环境参数进行采集。
外部网络， Internet，用户通过外部网络能够远程访问整个系统[8]。
2 系统硬件设计
2.1 嵌入式模块硬件设计
作为一种中央处理器架构，ARM架构和PC 常用的X86比较类似，这种架构具有稳定性高、效率高、成本低以及功耗低的特点，因此在嵌入式设备的应用非常广泛[9]。本文在设计的过程中对S3C2440A 处理器进行了应用。
（1） 供电电路。本文设计的嵌入式系统中使用 5 V，3.3 V及1.25 V 三种电压供电。5 V和3.3 V电压为存储器和外部设备供电，1.25 V电压为S3C2440A 处理器的内核供电。3.3 V电压由5 V电压经过AS1117AR?3.3芯片转换，1.25 V电压由3.3 V电压经过MAX8860EUA 芯片转换得来[10]。供电电路如图2所示。
（2） USB 接口电路。本文使用4线制的USB连接方式，USB 的接口电路如图3所示，D+，D-端用于传输数据。
（3） 以太网电路。本文研究的嵌入式检测系统中使用DM9000 网卡芯片作为以太网连接，使用H1102 网络变压器作为电气隔离以及保护芯片之用[11]。
2.2 无线通信模块硬件设计
本文设计火灾检测系统的无线通信模块使用TI 公司的 CC2530 芯片作为射频芯片。
（1） 主控器最小系统。最小系统电路是实现主控器基本功能的基础电路，如图4所示[12]。
2.3 传感采集模块硬件设计
（1） 温湿度传感器。本系统采用SHT10数字式温湿度传感器芯片对检测区域内的环境温湿度进行实时监测，该芯片抗干扰能力突出、功耗低、体积较小。SHT10数字式温湿度传感器芯片与CC2530主控模块连接见图6。
（2） 烟雾浓度传感器 MQ?2。本系统采用MQ?2 烟雾浓度传感器对检测区域内的环境烟雾浓度进行实时监测，该芯片抗干扰能力突出、对烷类气体检测效果最优。其工作电压为DC 5 V，检测范围在100～1 000 ppm。MQ?2 烟雾浓度传感器与CC2530主控模块连接如图7所示，传感器需要经过LM358 放大处理后与CC2530进行连接[13]。
3 系统软件设计
3.1 采集节点的程序设计
在接通电源以后采集节点首先初始化整个系统。完成初始化以后就开始对节点自身附近的可用信道进行扫描，如果有可用信道就通过发送入网请求来进入到网络中。根据前面的描述，森林检测环境非常复杂，只能采用電池供电的方法对实际森林环境进行检测，因此节点的能量会受到一定的限制。
为了减少节点采集过程中所耗费的能量，在完成初始化后节点就进入到休眠状态，利用定时采集数据的方法能够唤醒采集节点。当达到定时时间以后就会唤醒节点，根据所设置的定时周期就可以周期性地采集森林环境数据，然后直接或者间接地将采集到的数据传输到网关节点中，就能够不间断地监测森林环境，还能够保证实时和高效地传输网关节点和采集节点之间的数据。另外还能够有效地避免节点消耗过多的能量，对于整个系统生命周期的延长有非常重要的作用。采集节点的程序流程如图8所示[14]。
3.2 路由节点的程序设计
在对路由节点程序进行设计的过程中，应当保证路由转发数据功能的实现。在申请进入网络以后路由节点需要根据所设置的周期对森林环境数据进行不间断的采集，另外还要对其他路由节点和采集节点发送过来的数据进行采集，最后将这些数据传输到网关节点中。路由节点的流程如图9所示[15]。
3.3 网关节点的主程序设计
在整个森林火灾检测系统中网关节点是核心部分，能够连接监测中心和传感器节点。既要对路由节点和传感器节点发送过来的环境数据进行接收，还要通过对通信模块的控制将数据传输到远端监测中心；另外一方面各个传感器节点通过网关节点能够获取监测中心的指令。在接通电源后网关节点首先初始化核心微处理器模块，同时对无线通信模块进行初始化。初始化完成后通过对空闲信道的扫描来建立全新的网络，并对所建立的网络进行启动。
接下来节点的地址信息通过网关节点传输到周围的传感器中，如果传感器处在有效的通信范围内，而且接收到了信息，才对网关所分配的地址成功获取以后就能够将确认信息发送到网络中，使得成功地组建系统网络。这样传感器所发送的入网请求就能够得到定时的响应和监测，对于传感器节点所采集到的环境数据也能够顺利的接收。网关节点的主程序流程如图10所示[15]。
3.4 监控组态软件设计
基本上所有的工业软硬件通信接口都能够实现与组态王的兼容，因此可以将其称之为具有开放性特点的监控系统集成平台。具有适应性强以及展性强的特点。利用组态王能够进行网络的发布，另外通过浏览器监控端能够在任意的位置对监控画面和监控的数据进行查看。图11为组态王操作智能板卡的方法。设计人员利用组态王对所用板卡的驱动程序进行固定调用以后就能够对板卡的逻辑关系进行使用，另外利用组态王能够自动的完成其他底层的操作。
嵌入式火灾检测系统的组态界面如图12所示。
4 结 论
本文研究一种基于嵌入式的火灾检测系统，通过对无线技术和嵌入式技术的应用所设计的火灾检测系统。对检测系统的嵌入式模块硬件、无线通信模块硬件、传感采集模块硬件进行了设计。对系统采集节点程序、路由节点程序、网关节点程序及组态软件进行了设计。结果表明，该设计达到了预期目标。
参考文献
[1] 苏坡.基于ZigBee无线传感器网络的森林火灾监测系统研究[D].西安：长安大学，2015.
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[6] 黎智成.基于Zigbee无线通信网络的智能办公综合监控系统[D].广州：华南理工大学，2012.
[7] 尹红敏.基于ZigBee的矿井安全监测系统设计[D].太原：中北大学，2013.
[8] 尹盼.基于ZigBee技术的矿井综合监测系统设计与网络节点开发[D].长沙：中南大学，2009.
[9] 战胜.基于组态王的变电站综合监控系统设计及应用[D].北京：华北电力大学，2014.
[10] 马加名.基于GIS的高校学生宿舍火灾风险评估及应急决策系统研究[D].武汉：武汉理工大学，2014.
[11] 张志强.高等学校学生宿舍安全管理研究[D].上海：上海师范大学，2015.
[12] 张军国，李文彬，韩宁，等.基于ZigBee无线传感器网络的森林火灾监测系统的研究[J].北京林业大学学报，2007（4）：41?45.
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[14] 张军国.面向森林火灾监测的无线传感器网络技术的研究[D].北京：北京林业大学，2010.
[15] 陶冶.基于ZigBee的森林火灾预警系统的设计与实现[J].计算机应用，2011（z2）：209?211.
