物联网架构下的智能火灾预警系统

摘要：设计了一种基于物联网架构的智能火灾预警系统，以ZigBee无线传感器网络为底层的数据采集和传输网络，完成对火灾信息的准确感知。WSN节点以CC2530和CC2591为处理和无线收发单元，以DHT21和MQ传感器为数据采集单元，实现了多传感器数据采集。采用Qt技术设计了系统GUI，基于qextserialport类和SQLite数据库实现了系统的串口通信和数据库操作。测试表明，系统准确可靠，GUI界面友好，易于操作。
关键词：物联网；火灾预警；ZigBee；Qt

引言
物联网(Internet Of Things，IOT)技术的提出和快速发展为火灾预警技术的发展提供了新的思路和解决方案。当前，火灾预警系统作为智能家居、楼宇自动化的重要组成部分，已经得到广泛应用和普及。但是，系统的实时性和准确性一直有待提高，传统的总线制火灾系统在使用中已经暴露出了很多问题，包括布线的种种弊端以及高虚警率和漏警率等。鉴于此，本文设计了一种基于物联网架构的智能火灾预警系统。

1 系统概述
系统采用物联网架构设计，按照其四层结构模型，以ZigBee无线传感器网络(ZigBee—WSN)为底层的感知识别层，以GSM／GPRS或Inter net为网络构建层，管理层和应用层则采用PC和智能手机相结合的方式。系统的整体结构如图1所示。

底层数据采集网络采用ZigBee树簇状网络，由传感节点、汇聚节点和管理节点组成。部署系统时，首先在待监测区域固定若干汇聚节点，作为单位区域内的路由器，汇聚网络信息。汇聚节点采用消防电源长期供电，确保网络的稳定。传感节点则可以根据实际需要随机布置，具有可任意“播撒”的特点。这样，若干传感节点通过2．4 GHzISM信道不断地将环境感知数据发送给汇聚节点，再由其汇聚给管理节点。管理节点作为ZigBee网络的协调器，负责整个网络的建立、信道选择、地址分配以及节点的加入和退出等，并通过RS232与控制管理中心PC通信。控制管理中心应提供良好的人机交互环境，实时显示网络的状态，存储网络上传的数据。同时，还可以对多传感器采集数据进行信息融合，达到对火灾的智能判别。在确定存在火情的情况下，能够进行声光、短信报警，并启动自动消防设备。

2 系统硬件设计
2．1 处理器单元设计
感知识别层采用ZigBee—WSN技术，负责完成复杂环境下的火灾信息感知。系统中，各传感节点的处理器单元和无线收发单元分别选择TI公司的CC2530芯片和CC2591芯片。CC2530内部集成了工业标准的增强型8051内核、符合2．4 GHz IEEE 802．15．4的RF收发器、21个可编程逻辑的GPIO、5通道的DMA、8通道可配置分辨率的ADC、看门狗定时器以及AES安全协处理器等。因此，CC2530以其较高的性价比成为高校开展科研、企业进行产品研发的重要选项，已经具有了较高的市场占有率。同时，系统还增加了射频放大芯片CC2591，其目的就是保证网络的传输距离和复杂室内环境中的穿透能力，确保网络数据的可靠传输。经测试，采用了CC2591的WSN节点的传输能力可达500～1000 m，且穿透能力得到了较大的提升。
系统WSN节点的硬件电路如图2所示。