摘 要： 針對各地火災頻發的嚴峻形勢，利用無線傳感器網絡技術，構建了一種基于ZigBee和LabVIEW的火災實時監測預警系統的框架及其實現方案。介紹了系統的結構，給出了傳感器節點結構和硬件電路，并以LabVIEW為開發平臺，構建了基于LabVIEW的數據采集、綜合分析、查詢、顯示的預警系統。該系統實現了火災的監測和預警的功能，能夠實時監測火警地區的空氣溫濕度及煙霧濃度等環境參數，為采取防火預警提供重要的決策依據。
關鍵詞： 火災預警；無線傳感器網絡；LabVIEW
隨著社會經濟的發展和生活水平的提高，由于各種火災引發的社會經濟損失也越來越巨大。最大限度地降低火災危害的方法就是盡早發現火警，在火勢蔓延之前將其撲滅。火災預警系統是作為早期探測火災并將火災遏制在萌芽狀態的重要系統。
新興的ZigBee技術恰好能滿足火災預警系統的各種要求[1]，基于ZigBee無線傳感器網絡的火災預警系統具有以下特點：ZigBee無線傳感器系統降低了系統的整體安裝成本；ZigBee具有自組織功能，使網絡無需人工干涉，網絡節點能夠感知其他節點的存在，并根據系統設計要求確定網絡的拓撲關系；系統的各個模塊具有集成度高、可靠性高、功耗低、成本低、體積小等優點，維護保養方便[2]。
本文采用ZigBee技術和LabVIEW虛擬儀器技術相結合對火災預警系統中多個傳感器的信號進行實時采集，將采集到的數據通過ZigBee網絡傳送到ZigBee中心節點，通過中心節點與PC機串口進行通信，傳送給監控中心來處理傳感器提供的火警信息。在LabVIEW環境下實現對火警地區的監測、顯示、查詢數據等功能，既充分利用了LabVIEW強大的虛擬儀器技術，又可以提高整個系統的智能性，從而實現火災的早期預警。
1 火災預警系統的設計
無線火災預警系統由以下3部分構成：
(1)傳感器節點。ZigBee模塊與傳感器模塊構成無線傳感網絡的終端節點，對火警地區的溫濕度、煙霧濃度等信息進行實時采集。大量的傳感器節點負責將采集到的數據通過無線網絡發送到中心節點。
(2)中心節點。起到數據上傳下送的中繼作用，負責啟動、配置、協調整個ZigBee無線網絡，并把采集到的數據通過有線或無線的方式發送至監控中心。
(3)監控中心。具有建立、管理整個網絡的功能，對整個無線傳感器網絡進行監測，顯示和存儲中心節點上傳的數據，并對接收的數據進行綜合分析以進行火災預警。也可設置定期或隨機向數據采集器發送數據采集命令，接收數據并存儲。
系統運行過程中，監控中心不僅要對監測的數據實時記錄，而且需要計算監測數據的變化趨勢，如果未發生火警，則監測數據應處于事先預設的合理的波動范圍內，而一旦監測數據超出預設范圍且發生異常波動，表明此時可能有火警出現，則立刻進行系統預警，同時出現異常的傳感器節點在系統上位機界面上將予以顯示警告，由此監控中心可以直觀觀測到出現異常情況的火警范圍。
2.2 煙霧傳感器電路
MQ-2煙霧氣敏傳感器在周圍環境中存在可燃氣體時，傳感器的電導率隨空氣中可燃氣體濃度的增加而增大[4]。氣體傳感器和跟隨器LM324連接的電路如圖4所示，跟隨器的作用主要是增大輸入電阻。由于MQ-2輸出的是模擬電壓信號，需要CC2430自帶的AD進行模數轉換。CC2430的P0口是內部具有ADC8通道輸入口，因此本系統直接將信號的輸出連接至CC2430的P0.7口，如圖3所示。
3 火災預警系統監控的設計
監控中心實現整個系統的人機交互，實時對傳感器節點進行監測和存儲歷史數據，對監測數據進行綜合分析判斷，進行預警提示，并在界面中用報警燈直觀顯示出現異常的傳感器節點，本系統上位機軟件采用NI公司的LabVIEW進行編寫。
3.1 火災預警系統監測界面
與常規的LabVIEW界面設計有所區別，本火災預警系統監測界面采用兩層設計，頂層為登錄預警界面，實現系統總體監測，底層為傳感器節點監測界面，實現對節點數據進行顯示查詢等功能。
(1)頂層登錄預警界面主要分為3個獨立區域，分別為用戶登錄區、節點選擇區和節點工作狀態顯示區。用戶登錄成功后，可以點擊節點選擇區中相應的節點按鈕進入底層的傳感器節點監測界面，用來觀察每個傳感器節點的實時監測數據。節點工作狀態顯示區能夠直觀顯示節點的工作狀態，指示燈為綠色時節點處于正常的工作范圍，指示燈為灰色時，節點報警，管理人員可以直接通過節點工作狀態顯示區觀測到預警節點。系統頂層界面如圖4所示。
3.2 LabVIEW串口通信程序的設計
火災預警系統中心節點可以直接通過串口與上位機進行通信。數據與上位機進行串口通信前，要對串口進行配置，使得計算機串口的參數設置與儀器設備保持一致，以確保通信的正確進行。程序中設定波特率為38 400，數據位為8，停止位為1，校驗位none。程序運行時，計算機通過串口將數據存儲在VISA Flush I/O Buffer中，利用VISA Read將采集的反饋信息讀取出來，經過分析處理后，將數值傳送到顯示面板進行顯示，并實時將數據存入數據庫中，同時對每一個節點的數據值進行監控，將其和預警值進行比較，如果數次超過預警值，則在頂層界面上進行預警提示。操作人員亦可隨時啟動本系統繼續進行數據采集與監控。
3.3 LabVIEW數據處理
LabVIEW可以實現對測量數據的比較、分析、存儲、查詢等多種功能，特別是數據的動態存儲與動態查詢。由于火災預警系統需要存儲大量的數據，因此需要通過讀寫數據庫來實現。LabVIEW通過ADO控件來連接數據庫，ADO控件已適用于Windows操作系統中，ADO控件與ODBC連接能訪問任何支持ODBC的數據庫。本系統中采用Access數據庫與LabVIEW進行數據的讀寫與查詢。采集數據時，LabVIEW將通過LabSQL訪問包將數據實時存入Access數據庫中，并且將超過預警值的數據進行記錄，方便操作人員的查詢與調用。
本文將無線傳感網絡技術引入火災的監測中，構建了基于ZigBee和LabVIEW的火災監測預警系統，給出了系統主要模塊的硬件設計和上位機界面的設計，實現了對日常火災的監測以及預警的功能。經實驗表明，本設計是一種高效、實時的火災監測預警方案，有助于提供準確的火災預警，為實現火災監測的自動化與智能化提供了一種新的嘗試。
參考文獻
[1] 王小強．無線傳感器網絡設計與實現[M]．北京：化學工業出版社，2012．
[2] 李文仲，段朝玉．ZigBee無線網絡技術入門與實踐[M].北京：北京航空航天大學出版社，2007．
[3] 欒學德．基于ZigBee無線網絡的智能溫室環境監控系統設計[D]．青島：中國海洋大學，2012．
[4] 許馳．基于ZigBee的多傳感器火災預警系統[J]．西華大學學報，2012，11(6)：73-76．