王志华，陈高锋，杨章勇
（1. 杨凌职业技术学院，陕西 杨凌 712100；
2. 陕西理工大学，陕西 汉中 723001）
高职院校实验室是学生集中实训的场所，随着国家对高技术人才的需求，各高职院校建立创新创业团队，开放实验实训场所，这对学校的实验室火灾安全带来了隐患. 实验室电路连接不规范，在人员离开未切断电源及药品放置不规范等现象均成为起火的原因，此类突发情况引起的火灾，无法预知或及时扑救. 针对此类高危场所，文献［1］有通过WiFi局域网组建高频无线电信号的实时火灾检测系统，该WiFi局域网组建可使用校园网络，不需要电线，但因其通信距离有限，稳定性差，功耗较大，组网能力和安全性差，会给实验室火灾及时扑救带来安全隐患［1-3］.
因此，笔者根据实验场所的特殊性和安全性要求，设计了由ZigBee 网络组建的低功耗、短时延、网络容量大、安全可靠的无线实时火灾检测报警系统［4］. 系统通过检测节点对实验场所烟雾、温度、火焰进行实时检测，及时报警并开启灭火设施，避免火灾事故的扩大，把火灾危害降到最低. 经过实验，该设计实现了准确定位火灾位置、现场火灾预防和报警通知功能，帮助早期发现火灾隐患，避免学生的受伤和惊吓，减少学校财产损失，保障财产安全.
针对实验室火灾事故的预防和急救，设计了以ZigBee网络为基础，采用STC89C52单片机作为系统的传感器信息采集子节点、数据处理主节点的主子CPU 系统单元［5-7］. 子节点单片机对数据信息采集、汇总、分析、传送，由MQ-2烟雾传感器、DS18B20 温度传感器和火焰传感器为检测端，ZigBee 发送节点电路接收子单片机的发送信号，将传感器采集信号传送给主节点ZigBee.ZigBee将接收到的信息传递给主单片机进行分析处理，由主单片机显示检测信息、发送报警信号. 主单片机通过按键设置可以对现场报警参数阈值进行设定，并准确显示检测数据和检测子节点编号，确定火灾位置. 该设计很好地实现了高职院校实验实训室烟雾浓度检测、火焰检测、温度检测和声光报警等功能的烟雾自动检测报警系统［8］.
烟雾检测系统设计为主子系统. 子系统由多个子节点组成，实现每个子节点的数据采集汇总，负责烟雾传感器、温度传感器和火焰传感器的数据采集，并建立与主系统的通讯，实现与主系统信息的传输. 每个子节点为一个子系统，在实验室中分布以室顶中心与顶角分布，由于ZigBee传输距离在10～100 m之间，采用子系统设计在实验室内，主系统设计在实验室走廊，通过路由和节点间接力通信，保证信息传递不受传输距离影响.
子节点收集来的传感器信息经CPU 分析处理后将数据发送给主系统. 主系统由ZigBee 接收和发送系统组成，负责接收子系统发来的信息，对数据进行分析处理，判断数据是否超过烟雾报警阈值，高于阈值则在LCD界面显示该子节点的位置信息，并同时发送报警信号，即蜂鸣器报警和LED报警指示灯闪亮.主系统还包含键盘系统、报警系统和显示系统，实现主节点中阈值参数等信息的设定和输入，报警系统通过显示和蜂鸣报警实现，LCD 显示屏中显示具体的报警子节点的位置信息，定位报警位置；
蜂鸣报警提醒值班人员救火. 烟雾检测报警系统结构如图1所示.
图1 烟雾检测报警系统结构图
2.1 ZigBee网络信息传输电路设计 系统网络采用适用于多点传感器信息采集的ZigBee 无线数据传输网络协议，其可靠性、低功耗、大容量的特点，适合实验室多位置多检测点的布控，并且网络可以在数百个微小的传感器网络节点之间相互协调通信，实现节点间通信模式和节点与主系统的通讯，增强了实验室烟雾检测网络通讯布局的能力［9］.
高职院校实验室多而且集中，设计ZigBee 串口进行数据通信，通过子节点间的通讯可延长通信距离和信号强度，实现实验室复杂的场所环境和远程数据发送和接收要求，使得网络布局不受节点间距离影响.ZigBee 网络工作时的响应速度比蓝牙及WiFi 都快，在15 ms 即可进入工作，节点与网络的连接30 ms即可完成，确保了实验室检测系统的快速响应与数据信号传送的实时性. 电路设计子节点ZigBee模块TX发送数据，主节点ZigBee 模块RX 接收数据，ZigBee 发送/接收模块如图2. 模块工作设计为5 V，采用节点单片机5 V电源.
图2 ZigBee发送/接收模块
2.2 烟雾检测电路及A/D转换电路 烟雾检测电路由MQ-2 型烟雾传感器和ADC0832 模数转换电路组成. 烟雾传感器MQ-2 采用在清洁空气中电导率较低的二氧化锡气敏材料制成. 该传感器对实验场所内烟雾浓度进行实时检测，把检测信号转换为电信号送给A/D 转换器转换为数字信号，再将数字信号传送给子节点单片机完成检测数据处理工作. 根据实验室中起火点与烟雾浓度的关系设计排布最小数量的烟雾报警传感器. 由于实验室面积较大，且以方形为主，烟雾产生多以垂直上升并向实验室顶部墙角扩散，烟雾报警传感器设计为室顶中心或分段分布，以获得最佳的检测点. 以一个传感器为例，在地面面积大于80 m2，实验室高度小于6 m，层顶坡度小于15°，传感器保护面积为60 m2，保护半径为5.8 m 进行设计，达到最小的设计数量. 以便现场产生烟雾，传感器检测到烟雾浓度超过报警阈值设定范围，促使报警器发出蜂鸣声，监控屏显示对应检测节点，准确定位火灾出处并启动救火设施，保障实验设备安全，避免火灾事故的发生、扩大［10］.
烟雾传感器将烟雾信号转化为模拟量电压信号，ADC0832将模拟量电压信号转换成数字信号送给子系统CPU. 为了增加烟雾传感器MQ-2 的灵敏度，设计由8 kΩ 可变电阻RT2进行调节，传感器6 引脚接ADC0832 的2 引脚CH0 模拟信号输入端口，以实现单通道数据转换. 烟雾采集及A/D 转换电路如图3所示.
图3 烟雾采集及A/D转换电路
模数转换模块ADC0832的1引脚接单片机的P3.7引脚，作为片选端，在低电平时有效.7引脚芯片时钟输入端CLK接P3.5引脚，为ADC0832提供稳定的时钟脉冲信号. 由于DO端与DI端在通信时并没有同时有效，并与单片机的接口是双向的. 因此，电路设计时将DO 和DI 并联在一根数据线上使用，将5 引脚数据信号输入端DI与6引脚数据信号输出DO 并联接在P3.6引脚上. 单片机通过P3.7端口输出低电平，ADC0832开始进行模数转换.
2.3 火焰检测电路电力实验室由于电力线路短路或火花引起明火灾害，以及化学实验室由于药品引起的明火灾害，采用火焰传感器检测是必要的. 在实验室发生烟雾量少或者烟雾检测位置存在偏差时，火焰传感器其内部的红外线接收器采集火焰发射出来的光谱，根据火焰亮度区分火焰的强弱［11-13］.
设计中火焰检测电路由远红外火焰传感器和双电压比较器LM393 组成，可检测700～1 000 nm 范围内的热源，火焰探测角度为60°范围，检测器的最大保护面积可达1 400 m2，最大宽度14 m，单个检测器可实现一个实验室的全域检测. 当远红外接收传感器接收到红外信号后，红外接收传感器的电阻减小，电流变大，比较器LM393 的3 引脚电压被拉低为低电平信号；
相反，没有接收到红外信号时，红外接收传感器呈现极高阻值，比较器LM393 的3 引脚电压被上拉为高电平信号. 模拟量电平信号输出由3 引脚电平决定，由此可以判断火焰信号. 比较电压提供比较宽的电压范围区间，实时对火焰监控检测，将检测的模拟信号转换为数字信号，以单路信号由OUT1 输出给子系统单片机P1.1 端口. 系统LM393 双电压比较器设计8 kΩ 上拉电阻，引脚3外接火焰传感器，OUT1引脚在采集电压比较后输出高电平1和低电平0，设置当电压值大于5 V时为高电平，以此判断为强火焰，低于5 V时为低电平，判断为弱火焰，设计电路如图4.
图4 火焰检测电路
2.4 温度检测电路温度采集电路采用DS18B20 数字温度传感器进行实时检测. 该传感器精度高，误差范围保持在±0.5 ℃内，温度检测范围-55～125 ℃，用于实训场所的温度检测数字输出. 温度传感器以地面面积大于30 m2，实训室高度小于8 m，顶层坡度小于15°时，保护面积为20 m2，保护半径为3.6 m进行设计，以获得最佳检测效果. 设计采用的传感器进行数据检测、传送、转换过程中延时750 ms，为实验室实时温度的检测缩短时间，保证温度检测的实时性和快速性，有效预防了因温度升高造成的火灾现象［14］. 设计传感器电路的1 引脚接电源VCC，3 引脚接地，2 引脚数据端接单片机的P3.4，同时串入8 kΩ 的上拉电阻，确保DS18B20可靠工作，温度采集电路如图5.
图5 温度采集电路
2.5 蜂鸣报警电路报警电路设计蜂鸣器报警，由于单片机电路的电流小，不能提供蜂鸣器所需电流，经过S9013 PNP 型三极管放大驱动电流后，电流放大，触发蜂鸣器实时报警提醒［15］. 设计中蜂鸣器管脚连接三极管集电极，另一端接地，单片机STC89C52 的P2.0 引脚连接三极管的基极. 当烟雾、火焰和温度传感器检测到现场为火灾数据时，P2.0 引脚输出小电流报警信号，经三极管放大触发蜂鸣器报警. 为了防止三极管在单片机上电时电流过大烧坏前端和三极管，在基极上串联一个2 kΩ电阻，起到限流的作用，防止蜂鸣器误响. 报警电路如图6.
图6 蜂鸣器报警电路
ZigBee 模块在子系统和主系统之间发送和接收报文，子系统程序完成节点的传感器信息采集和发送，主系统程序完成ZigBee节点报文的接收和分析，并执行报文分析结果，显示采集数据和蜂鸣报警.
3.1 主系统程序设计主系统的软件设计中，主节点单片机接收子节点单片机送来的数据，进行处理分析，显示子节点的编号与当前的烟雾、温度和火焰数据，根据系统设置的阈值进行判断是否发出报警信号［16］. 主节点程序初始化后，系统进入监控状态，进行按键扫描. 系统获取烟雾传感器、温度传感器、火焰传感器的数据信号，由主单片机进行分析处理，判断系统是否启动声光报警，主系统程序流程如图7.
图7 主系统程序流程图
3.2 子系统程序设计子系统程序的设计中，子节点各传感器采集实时数据，并将数据传送给单片机，再由单片机发送数据给主单片机，子单片机承担数据汇总和发送任务. 子节点ZigBee 模块主要完成节点信息的编码发送，保证数据信息实时准确传输给主节点ZigBee. 其发送程序及流程如图8.
图8 子系统程序流程图
该系统结合实验室安全防护要求和网络特点，实时检测实验室的温度、烟雾浓度和火焰等信息，将信息通过ZigBee 节点网络传输给上位机并发出报警信号，在上位机上显示火灾的准确位置，启动灭火设备装置. 经过现场测试，系统能够实时检测实验室环境，并准确定位和报警，检测准确率高，达到了设计的要求，为实验室的安全防护提供了新型的设计方案.
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