基于ZigBee 和GPRS 的火灾报警系统的研究
2015年4月22日 08:29 作者:郝祺林 杨平先基于ZigBee 和GPRS 的火灾报警系统的研究
郝祺林 杨平先 四川省自贡市四川理工学院 643000
【文章摘要】
本文为实现对火灾现场实时的远程监控，设计一种基于ZigBee 网络和GPRS 网络的火灾远程监控系统。该系统采用ZigBee 及传感器构建数据采集短距离传输网络，结合GPRS 无线数据传输和短信报警，配合服务器及上位机构建了一种基于GPRS 的远程监控方案。
【关键词】
火灾报警；GPRS ；ZigBee
0 引言
远程监控火灾报警系统设计的根本目的，是为了实时监控环境现场的各项指标的动态情况，以最快速度对现场情况做出分析与处理，并进行火灾报警的目的。若火灾发现不及时，导致报警延误，由小火变成大火，就可能造成重大的人身伤亡和财产损失。所以, 现实的情况要求智能化和信息化的防火系统必须由一个有效的远程监控火灾报警系统进行监控, 以实现现场各项指标的动态监控。当发生异常状况时, 监控人员能通过该系统及时准确的确定火灾情况, 将火灾控制和消灭在前期阶段, 以减少火灾带来的灾难。
1 系统总体构架设计
整个系统由基于GPRS 技术的无线数据传输网络和基于Zigbee 技术的无线传感网络监控系统两部分组成。主要是依据ZigBee 和GPRS 这两种网络的特点进行的优势互补，设计采用ZigBee、GPRS、Internet 三层网络架构将火灾信息接入互联网的分布式系统架构。设计的远程监测火灾报警系统总体结构如图1 所示。
ZigBee 无线传感器网络结构拓扑图为星型结构，其中包括传感器节点、路由节点、协调器节点等。协调器节点主要转发数据, 并且维持ZigBee 网络的正常运作。ZigBee 协调器与GPRS 通过控制器相互连接并进行数据/ 命令传输。在ZigBee 网络中, 所有传感器的数据都通过ZigBee 节点送往ZigBee 协调器, 后者将其传送给GPRS, 然后发送给远程的监控中心。
该设计方案有三个优点：
1）采用ZigBee 网络节点构建的无线分布式系统能够灵活控制建筑物内部各个位置的设备，免除布线工作和设备移动的烦扰。
2）上层采用GPRS 网络，能够实现精准远程监控的目的，适用范围更广的同时能节约大量的资源。
3）控制中心同时监测多个终端，可以使管理服务集中化，创建社区或城市消防安保综合报警平台。
2 系统硬件设计
2.1 传感网络
无线传感器网络采用传感器节点与ZigBee 节点的设计方式，主要功能是采集数据并将采集的数据发送至协调器。无线传感网络结构如图2 所示。
本系统采用多种传感器构成传感器群，通过多接口与MCU 进行通信，可实现烟雾、温度、火焰辐射、二氧化碳浓度等环境参数的综合采集。火灾传感器是系统中的关键元件，应分布于需要检测的区域， 它的稳定性、可靠性和灵敏性等技术指标会受到诸多因素的影响，因此火灾传感器的选择和布置应该严格按照规范进行。
2.2 ZigBee
ZigBee 技术是由ZigBee 联盟推出的一种基于IEEE802.15.4 标准的近距离、低复杂度、低功耗、低数据传输率、低成本的新型无线通信技术，能够实时地感知和采集网络覆盖区域中的各种环境或监测对象信息。本系统以CC2530 无线微处理器模块为核心，并结合不同的传感模块。CC2530 结合了先进的RF 收发器的优越性能，标准的增强型8051CPU，系统内可编程闪存，8KB RAM 和其它许多强大的功能。CC2530 有四种不同的闪存版本： CC2530F 32、64、128、256，分别带有32、64、128、256KB 的闪存。CC2530 具有不同的运行模式，使它在超低功耗要求的系统下能很好的运行。为了进一步提高低能源的消耗，CC2530 的运行模式之间
图1 系统总体结构图
图2 无线传感网络结构图的转换时间比较短。
ZigBee 协调器、ZigBee 路由器与ZigBee 终端三种类型构成了ZigBee 网络。ZigBee 网络只能有一个协调器，负责数据的汇集和交互，所以网络协调器与外部其他节点构成一个星形网络。
2.3 GPRS 无线传输网络
GPRS 模块采用SIMCOM 公司的SIM900A 模块，是一个二频的GSM/GPRS 模块。工作的频段为：DCS 1800MHz 和EGSM 900MHz。SIM900A 支持GPRS multi-slot class10 或class 8 和GPRS 编码格式为CS-1,CS-2, CS-3,CS-4。SIM900A 自带TCP/IP 协议，扩展的TCP/IP AT 指令能够很容易使用TCP/IP 协议，这些AT 指令在做数据传输方面的应用时非常有用而且操作也很方便[4]。
GPRS 无线传输网络包括控制器模块、GPRS 模块、ZigBee 协调器以及一些外部设备。主要是负责对数据的接受并对其进行处理，采用数据融合技术作出预报警判断，将数据预报警判断发送给上位机。主控制器与GPRS 模块之间通过RS232 串行口连接，并发送AT 指令对GPRS 模块进行收发控制，实现远程数据通信的目的。
3 系统软件设计
火灾报警系统主要是结合ZigBee 与GPRS 技术，具备远程命令控制和实时监测、自动组建网络、分析数据及其自动报警等功能。基于以上功能，软件部分主要包括终端节点、网关节点、上位机软件的设计。
3.1 ZigBee 无线传感网络
ZigBee 无线传感网络主要由ZigBee 终端节点和ZigBee 协调器节点两个部分。一个网络只能有唯一一个协调器，且能通过MCU 与GPRS 互连进行通信。ZigBee 组建无线网络主要是分为协调器组建ZigBee 无线网络和ZigBee 终端节点加入网络的过程。协调器在建网前必须要检测节点是否具有ZigBee 协调器功能且没有加入到其他网络中，再进行信道扫描并找到可以组建新网络的信道，配置网络参数，最后运行网络且等待ZigBee 节点的加入。ZigBee 节点也需要对信道进行扫描， 再选择ZigBee 协调器创建的网络并加入， 节点会向协调器发送入网请求，得到协调器允许后，则说明成功入网。网络组建流程如图3 所示。
3.2 GPRS 无线传输网络
GPRS 模块SIM900A 与控制器间是基于AT 指令进行串行通信的，通过MCU 发送不同的AT 指令给SIM900A 模块， SIM900A 模块依据接收到的不同AT 指令去执行不同的任务。主要是利用SIM900A 模块进行基于TCP/IP 协议的网络通信。由于SIM900A 内部已经带有了TCP/IP 协议， 所以只要发送正确的AT 指令进行TCP/IP 连接就能实现与上位机数据交互的功能[5]。在实现数据收发控制前，需通过AT 指令主动和上位机服务器进行连接，当通信通路成功后，才可进行数据通信。
GPRS 远程无线数据传输过程中所需要用到的AT 指令：
1) 发送指令“AT”检查串口通信是否接通，反馈结果“OK”；
2) 发送指令“AT+IPR = 9600”设置波特率为9600 比特；
3) 发送指令“AT+CGATT?”检查MS 是否附着上GPRS 网络，反馈结果“1”说明附着，“0”说明没有；
4) 发送指令“AT+CGDCONT=1, "IP", "CMNET"”对模块进行APN 配置，IP 即支持的数据协议类型，CMNET 即互联网的接入点网络名称；
5) 发送指令“ATD*99#”建立连接，进入数据传输模式。
短信报警过程中所需要用到的AT 指令：
1) 发送指令“AT+CMGF=1” 设置短信系统进入文本模式；
2) 发送指令“AT+CSCS="GSM"”反馈“OK”，“AT+CMGS="+86xxxxxxxxxxx"” 反馈“+CMGS:34”，“+CMGS:34”反馈“OK”表示发送一条短信。
图3 ZigBee 无线网络组建流程
4 系统实现
该系统的监控网络页面主要是运行Dreamweaver 开发工具来实现的，利用网页对系统进行的实时的监测和控制。系统网页分为登录界面如图5 所示和主界面， 主要是实现对各项数据的监测以及消防联动系统的控制。当监控人员成功登入系统内，主界面包括监测管理和控制平台， 监测管理主要是对温度、CO2 浓度、火焰辐射、烟雾的数据进行实时的监测，如图6 所示，控制平台主要是对消防灭火联动装置（消防栓系统、自动喷淋系统、防排烟系统、空调通风系统、防火卷帘系统、消防电话广播）进行控制管理。
5 结束语
本文简要介绍了基于ZigBee 和GPRS 的火灾报警系统的设计方法和系统开发流程。将ZigBee 无线传感技术与GPRS 无线数据传输网络相结合应用于火灾监测中，使得原有的被动火灾报警改变为主动的实时监测。当现场突发异常情况时, 监控人员就能通过该系统及早了解火灾现场的温度、烟雾、二氧化碳浓度、火势的面积大小等动态信息, 为消防工作人员的行动提供参考和指导，以最快的速度控制住火灾的危害并至完全消灭。
【参考文献】
[1] 张翔. 基于物联网技术的火灾自动报警系统研究[J]. 防灾科技学院学报，2011，13（01）：51-54.
[2] 宋冬, 廖杰, 陈星, 江灏. 基于ZigBee 和GPRS 的智能家居系统设计[J]. 计算机工程，2012，38（23）： 243-246.
[3] 李斌, 李文锋.WSN 与RFID 技术的融合研究[J]. 计算机技术， 2008,34（09）：127-129.
[4] SIMCom 有限公司.SIM900A 硬件设计手册[P]，2004.
[5] 饶达琴. 基于ZigBee 和GPRS 融合组网技术的远程监控系统[D].2012.
[6] 罗东川.WWW Server 中CGI 的工作原理及编程方法[J]. 计算机系统应用，1996，11:17-19.
【作者简介】
郝祺林(1987-)，男（汉），硕士生，主研物联网技术与应用研究，四川省自贡市四川理工学院;
杨平先(1961-)，男（汉），教授，硕士生导师，主要研究方向：信号与信息处理。
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