摘 要： 针对各地火灾频发的严峻形势，利用无线传感器网络技术，构建了一种基于ZigBee和LabVIEW的火灾实时监测预警系统的框架及其实现方案。介绍了系统的结构，给出了传感器节点结构和硬件电路，并以LabVIEW为开发平台，构建了基于LabVIEW的数据采集、综合分析、查询、显示的预警系统。该系统实现了火灾的监测和预警的功能，能够实时监测火警地区的空气温湿度及烟雾浓度等环境参数，为采取防火预警提供重要的决策依据。
关键词： 火灾预警；无线传感器网络；LabVIEW
随着社会经济的发展和生活水平的提高，由于各种火灾引发的社会经济损失也越来越巨大。最大限度地降低火灾危害的方法就是尽早发现火警，在火势蔓延之前将其扑灭。火灾预警系统是作为早期探测火灾并将火灾遏制在萌芽状态的重要系统。
新兴的ZigBee技术恰好能满足火灾预警系统的各种要求[1]，基于ZigBee无线传感器网络的火灾预警系统具有以下特点：ZigBee无线传感器系统降低了系统的整体安装成本；ZigBee具有自组织功能，使网络无需人工干涉，网络节点能够感知其他节点的存在，并根据系统设计要求确定网络的拓扑关系；系统的各个模块具有集成度高、可靠性高、功耗低、成本低、体积小等优点，维护保养方便[2]。
本文采用ZigBee技术和LabVIEW虚拟仪器技术相结合对火灾预警系统中多个传感器的信号进行实时采集，将采集到的数据通过ZigBee网络传送到ZigBee中心节点，通过中心节点与PC机串口进行通信，传送给监控中心来处理传感器提供的火警信息。在LabVIEW环境下实现对火警地区的监测、显示、查询数据等功能，既充分利用了LabVIEW强大的虚拟仪器技术，又可以提高整个系统的智能性，从而实现火灾的早期预警。
1 火灾预警系统的设计
无线火灾预警系统由以下3部分构成：
(1)传感器节点。ZigBee模块与传感器模块构成无线传感网络的终端节点，对火警地区的温湿度、烟雾浓度等信息进行实时采集。大量的传感器节点负责将采集到的数据通过无线网络发送到中心节点。
(2)中心节点。起到数据上传下送的中继作用，负责启动、配置、协调整个ZigBee无线网络，并把采集到的数据通过有线或无线的方式发送至监控中心。
(3)监控中心。具有建立、管理整个网络的功能，对整个无线传感器网络进行监测，显示和存储中心节点上传的数据，并对接收的数据进行综合分析以进行火灾预警。也可设置定期或随机向数据采集器发送数据采集命令，接收数据并存储。
系统运行过程中，监控中心不仅要对监测的数据实时记录，而且需要计算监测数据的变化趋势，如果未发生火警，则监测数据应处于事先预设的合理的波动范围内，而一旦监测数据超出预设范围且发生异常波动，表明此时可能有火警出现，则立刻进行系统预警，同时出现异常的传感器节点在系统上位机界面上将予以显示警告，由此监控中心可以直观观测到出现异常情况的火警范围。
2.2 烟雾传感器电路
MQ-2烟雾气敏传感器在周围环境中存在可燃气体时，传感器的电导率随空气中可燃气体浓度的增加而增大[4]。气体传感器和跟随器LM324连接的电路如图4所示，跟随器的作用主要是增大输入电阻。由于MQ-2输出的是模拟电压信号，需要CC2430自带的AD进行模数转换。CC2430的P0口是内部具有ADC8通道输入口，因此本系统直接将信号的输出连接至CC2430的P0.7口，如图3所示。
3 火灾预警系统监控的设计
监控中心实现整个系统的人机交互，实时对传感器节点进行监测和存储历史数据，对监测数据进行综合分析判断，进行预警提示，并在界面中用报警灯直观显示出现异常的传感器节点，本系统上位机软件采用NI公司的LabVIEW进行编写。
3.1 火灾预警系统监测界面
与常规的LabVIEW界面设计有所区别，本火灾预警系统监测界面采用两层设计，顶层为登录预警界面，实现系统总体监测，底层为传感器节点监测界面，实现对节点数据进行显示查询等功能。
(1)顶层登录预警界面主要分为3个独立区域，分别为用户登录区、节点选择区和节点工作状态显示区。用户登录成功后，可以点击节点选择区中相应的节点按钮进入底层的传感器节点监测界面，用来观察每个传感器节点的实时监测数据。节点工作状态显示区能够直观显示节点的工作状态，指示灯为绿色时节点处于正常的工作范围，指示灯为灰色时，节点报警，管理人员可以直接通过节点工作状态显示区观测到预警节点。系统顶层界面如图4所示。
3.2 LabVIEW串口通信程序的设计
火灾预警系统中心节点可以直接通过串口与上位机进行通信。数据与上位机进行串口通信前，要对串口进行配置，使得计算机串口的参数设置与仪器设备保持一致，以确保通信的正确进行。程序中设定波特率为38 400，数据位为8，停止位为1，校验位none。程序运行时，计算机通过串口将数据存储在VISA Flush I/O Buffer中，利用VISA Read将采集的反馈信息读取出来，经过分析处理后，将数值传送到显示面板进行显示，并实时将数据存入数据库中，同时对每一个节点的数据值进行监控，将其和预警值进行比较，如果数次超过预警值，则在顶层界面上进行预警提示。操作人员亦可随时启动本系统继续进行数据采集与监控。
3.3 LabVIEW数据处理
LabVIEW可以实现对测量数据的比较、分析、存储、查询等多种功能，特别是数据的动态存储与动态查询。由于火灾预警系统需要存储大量的数据，因此需要通过读写数据库来实现。LabVIEW通过ADO控件来连接数据库，ADO控件已适用于Windows操作系统中，ADO控件与ODBC连接能访问任何支持ODBC的数据库。本系统中采用Access数据库与LabVIEW进行数据的读写与查询。采集数据时，LabVIEW将通过LabSQL访问包将数据实时存入Access数据库中，并且将超过预警值的数据进行记录，方便操作人员的查询与调用。
本文将无线传感网络技术引入火灾的监测中，构建了基于ZigBee和LabVIEW的火灾监测预警系统，给出了系统主要模块的硬件设计和上位机界面的设计，实现了对日常火灾的监测以及预警的功能。经实验表明，本设计是一种高效、实时的火灾监测预警方案，有助于提供准确的火灾预警，为实现火灾监测的自动化与智能化提供了一种新的尝试。
参考文献
[1] 王小强．无线传感器网络设计与实现[M]．北京：化学工业出版社，2012．
[2] 李文仲，段朝玉．ZigBee无线网络技术入门与实践[M].北京：北京航空航天大学出版社，2007．
[3] 栾学德．基于ZigBee无线网络的智能温室环境监控系统设计[D]．青岛：中国海洋大学，2012．
[4] 许驰．基于ZigBee的多传感器火灾预警系统[J]．西华大学学报，2012，11(6)：73-76．