摘  要 介绍了基于 ZigBee 技术的地铁隧道火灾监测报警系统。分析了该系统的网络结构、传感器节点电路，以及火灾参数处理算法和控制流程。实测结果表明，该系统不仅稳定可靠、抗干扰、能耗低，而且检测精度和灵敏度高，是一种地铁隧道火灾监测报警的新技术。

关键词 地铁隧道; 火灾监测; ZigBee 技术; 传感器

 

      目前，地铁隧道的火灾监测与报警装置一般都采用光纤温度传感器火灾报警系统。该系统是通过分布在隧道内的光纤温度传感器，对隧道内部的温度进行实时检测，并将检测数据通过光纤传输至系统控制端。光纤温度传感器虽然具有电气隔离度高、抗电磁噪声强、防爆性能好等优点，但是光纤温度传感器电路复杂、价格高，系统的可维护性和可靠性较差，且系统的成本较高; 光纤温度传感器仅对地铁隧道中的温度进行检测，参数单一，影响系统的检测精度。因此，设计一种低成本、抗干扰、抗恶劣工作环境、可靠性高且多参数的地铁隧道火灾监测报警系统，对提高地铁隧道的安全性具有现实意义。本文介绍了一种基于 ZigBee 技术的分布式地铁隧道火灾监测报警系统。经实测，该系统完全能满足地铁隧道火灾监测报警的要求。

 

      基于ZigBee 技术的地铁隧道火灾监测报警系统采用以车站为中心的模式，在每个车站建立一套地铁隧道火灾监测报警系统。分布于地铁隧道内的若干个温度、烟雾、CO₂及CO 浓度传感器节点组成传感器网络，监测到的温度、烟尘等参数经处理后以无线方式传送到网络的主节点，再由与主节点连接的主控制器对检测数据进行处理。该系统采用单位时间内检测参数的变化率及检测参数与设定参数的比值作为系统的报警参数。当检测参数高于系统设定参数时，产生报警信号并将信号传送至火灾报警系统( FAS) 、综合监控系统 ( ISIC) 及控制中心( OCC) ，由 FAS、ISIC 及 OCC 对报警信息进行相应的处置，从而实现对地铁隧道火灾情况的实时监测与报警。

      ZigBee 技术是采用 IEEE 802．15．4 标准的一种短距离的无线通信技术，是一种超大规模、无人值守、资源受限的全分布式网络系统; 采用多跳对等的通信方式，其网络拓扑动态变化，具有自组网、自适应、嵌入性强等智能属性。该技术融合了传感器、网络、无线通信、单片机和自动控制等技术，传输速率可达 256 kbit/s，传输距离可达 2．5 km; 同时，针对不同的应用对象体现了很强的适应性和灵活性，在工业控制与监测、物流、环境参数监测等方面有着广泛的应用。

      采用基于 ZigBee 技术的地铁隧道火灾监测报警系统，与目前普遍使用的光纤温度传感器地铁隧道火灾报警系统相比，在检测参数上，从只检测温度参数扩充到对温度、烟雾、CO₂及 CO 等多个参数的检测，监测范围更广、检测精度和可靠性更高; 由于ZigBee 技术具有自组网、扩展性强等特点，使监测网络更为灵活，易于扩充; 同时，ZigBee 传感器节点具有对检测数据的处理能力，提高了火灾监测系统的实时性; 在系统建设成本、可维护性等方面优于光纤温度传感器火灾报警系统。表 1 为两种系统的性能比较。基于 ZigBee 技术的地铁隧道火灾监测报警系统除在传输距离上逊于光纤温度传感器地铁隧道火灾报警系统外，其他技术参数均优于后者。

      基于ZigBee 技术的地铁隧道火灾监测报警系统的监控网络结构如图 1 所示。该系统由分布于地铁隧道内部的传感器节点、监测网络、主控制器及数据接口等组成。其中，由火灾参数检测节点、与主控制器连接的负责数据通信的主节点、实现数据接力传送的路由节点等组成的无线传感器与控制网络，实现对隧道火灾参数的检测、检测数据的转换、数据传输、火灾报警处理等。

      系统中相邻两个传感器节点之间的距离为 1m，呈线状分布，安装于隧道顶部。传感器及主控制节点的处理器均选用 CC2430 芯片，每个节点均被标定固定的地址。系统中的网络节点，通过软件设置的方法将其分为两类: 一类是主控制节点，负责网络管理及数据的收发，被设置为全功能节点( FFD) ;另一类是从节点，由若干个传感器节点和路由节点等组成，主要负责数据采集、数据传输等，被设置为精简功能节点( RFD) 。主控制器采用 EDWARD-EST3 火灾报警控制器。

      温度检测使用数字温度或湿度传感器SHT11^［4］，温度测量范围为 －40 ～+ 120 ℃，温度测量精度为 ±0．1 ℃。烟雾传感器使用 PPD 20 V 粉尘传感器，工作温度为 －10 ～45 ℃，检测粉尘直径为 1 μm 以上，分辨率为1% ，检测范围为0．01 ～100 mg / m³。CO₂浓度检测传感器使用 TGS4161^［5］，检测范围为 0．35‰ ～10‰，在 5．0 V 加热电压条件下的灵敏度为 44 ～72 mV，工作温度和湿度分别为－10 ～50 ℃ 和 5% ～95% RH。

系统中相邻两个传感器节点之间的距离为 1m，呈线状分布，安装于隧道顶部。传感器及主控制节点的处理器均选用 CC2430 芯片，每个节点均被标定固定的地址。系统中的网络节点，通过软件设置的方法将其分为两类: 一类是主控制节点，负责网络管理及数据的收发，被设置为全功能节点( FFD) ;另一类是从节点，由若干个传感器节点和路由节点等组成，主要负责数据采集、数据传输等，被设置为精简功能节点( RFD) 。主控制器采用 EDWARD-EST3 火灾报警控制器。

      传感器节点电路框图如图 2 所示。当产生时间中断或接到主节点的指令时，节点处理器会分别对温度、烟雾、CO₂浓度等参数进行检测并存储至内存中，系统将按一定算法求出检测数据的平均值，或计算出单位时间内的参数变化量; 然后与设定值进行比较，若平均值超出设定值或单位时间内参数变化量超过规定值，则产生火灾报警信号。火灾报警信号经过一系列的处理后，被传送到网络主节点^［6］。

      由于地铁隧道较长，隧道内各部位温度差异大，同时考虑到列车运行时对隧道空气温度的影响，在对地铁隧道温度进行监测时，首先需要确定各监测点温度的基准值。其方法是，各监测点的温度传感器对检测到的温度值进行相应处理，考虑扰动因素，对检测温度值进行修正，修正后的现场温度值作为系统的检测基准值。传感器节点温度的处理算法如下:

      ( 1) 设传感器在某一时间段内进行了 n 次测量，得到一组测量数据 x_i( i = 1，2，3，…，n) ，按式( 1) 计算方差的估计值，再使用莱以特准则计算最小方差σ_tmin和确定传感器状态估计值 。

      ( 2) 确定各次检测数据的权值。设 v_k= Z_k+ 。其中: Z_k为 k 时刻的检测数据; 为状态估计值。各检测数据的最优权值由式( 2) 计算。

      ( 3) 计算加权处理后的传感器温度状态值。单个传感器的温度数据的加权值由式( 3) 计算。考虑到环境因素对检测值的拢动，通过式( 4) 对加权处理后的温度值进行修正。式中 为修正后的节点基准温度，λ为温度修正系数，根据具体的环境，由试验取值。

      火灾报警信号的产生，主要以节点温度的变化率、检测温度与设定值的比较值，以及烟雾浓度、CO₂浓度、CO 浓度等参数综合确定。传感器节点火灾报警信号产生流程如图 3 所示。

      系统火灾报警主控程序流程如图 4 所示。当系统控制器接收到某节点传输过来的火灾报警信号时，控制器还需要检查与该节点相邻节点的检测参数，若相邻节点的检测参数为正常值，则将其作异常处理，不产生报警信号。否则，只要相邻节点中有 1个以上节点也产生火灾报警，控制器立即产生报警信号，并将报警信号分别传送至 FAS、ISIC 及 OCC。

 

      在宁波地铁，选择了靠近某车站 300 m 长的隧道进行系统测试，共设置了 30 个火灾监测节点。传感器的温度测试结果如图 5 所示。测试结果表明，系统各项测试数据均满足设计要求。由于系统的工作现场环境存在大量的电磁干扰，需要对各无线节点进行抗干扰处理。具体方法是在节点上加装屏蔽层，采用高精度的电源对节点供电等。为了保持传感器的灵敏度，给加热器供电的电压一般需要5． 0 V( ±0． 2 V) 。

      ZigBee 技术是一种新兴的无线传感器技术，由于具有成本低、功耗小、速率低、组网灵活、抗干扰等特点，在工业过程控制中得到广泛的应用。基于ZigBee 技术的分布式地铁隧道火灾监测报警系统，结构简单、成本低、运行可靠，具有一定的实用价值。

 

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