基于ZigBee技术的图书馆智能消防监控系统

摘要：为加强图书馆消防安全，文章提出基于ZigBee技术的图书馆智能消防监控系统设计方案。该设计由数据采集系统、数据通讯系统、执行机构和后台监控系统等四部分构成。其中数据采集系统采用单片机技术实现对现场环境数据的采集和发送功能；数据通讯系统采用ZigBee组网技术将各个Zigbee节点上传的环境数据进行集中处理，并通过GPRS／GSM无线通讯传送到后台监控系统；后台监控系统采用LabVIEW技
术进行设计，实现了多个现场的环境监控。实验结果表明，该系统具有高性能、安全、便捷、智能的特点，具有广阔的应用前景。
关键词：消防监控系统；ZigBee；智能化；GPRS／GSM

0 引言
    图书馆是保存人类文化遗产、收藏古今中外文献资源的宝库，其资源载体大多属于可燃物质，一旦图书馆发生火灾，损失无法估量。例如，2004年9月，被列入世界文化遗产名录的德国安娜·阿玛丽亚公爵夫人图书馆发生火灾，三万册图书被烧毁，有一部分是16至18世纪的珍贵孤本，整个火灾损失高达几千万欧元。同时，火灾会严重威胁到图书馆读者和工作人员的生命安全和财产安全。因此，图书馆属于重点防火单位。而目前国内许多图书馆消防意识淡薄，消防设施不够健全，存在很多消防安全隐患。构建科学合理的智能消防系统，有助于实现图书馆火灾的早期探测、智能化控制，防患于未然。
    图书馆消防系统由火灾报警系统和消防联动系统组成。其核心思想是对报警区域中发生的任何火情及时地感知，并根据其报警级别分别在控制中心给予报警或进行相应联动处理。本文在了解国内外图书馆消防监控系统的发展现状和趋势的基础上，结合现在技术成熟的无线通讯和无线组网技术，研制了基于ZigBee技术的智能消防监控系统。ZigBee技术具有低速率、低功耗、低成本、安全性高的特点。采用无线方式构建灵活便捷的安全监控系统，成为当前的研究热点。

1 图书馆智能消防监控系统硬件设计
    图书馆智能消防监控的硬件系统主要由数据采集系统、数据通讯系统和执行机构三部分构成。图1为数据采集系统的结构框图，图2为数据传输模块结构框图，图3为系统具体的拓扑结构。其中数据采集模块由单片机、ZigBee模块、温度检测模块和烟雾检测模块等部分组成；数据通讯模块由ZigBee模块、GPRS／GSM模块和单片机组成；执行机构模块由声光报警模块和灭火执行模块等组成。

    图书馆智能消防监控系统的各个部分具体功能如下：
    (1)电源模块：为单片机以及其它模块供电；
    (2)单片机系统：对温度采集模块和烟雾检测模块采集来的数据进行处理，通过ZigBee网络和GSM／GPRS网络实现数据的接收与发送，并控制执行机构及实现声光报警；
    (3)温度采集模块：监测图书馆内的温度，将检测结果传送给单片机；
    (4)烟雾检测模块：监测图书馆内的烟雾浓度，将检测结果传送给单片机；
    (5)执行机构模块：控制相应的灭火设备；
    (6)声光报警模块：出现火灾状况时进行声光报警；
    (7)ZigBee模块：实现ZigBee网络中各节点间的数据传输；
    (8)GSM／GPRS模块：实现数据从现场到后台的无线传输和现场与值班人员手机的通讯。

2 图书馆智能消防监控系统软件设计
    本图书馆智能消防监控系统通过数据采集模块监测图书馆各个区域及各个监测点的状态，并将结果返回给监控室，实现远程监测、报警通知、远程控制等功能。同时管理人员还可通过后台设置多项功能，如将现场报警结果发送给值班人员的功能，以及值班人员通过手机对远程执行机构进行控制而实现灭火的功能等。
    图书馆智能监控系统的软件实现主要包括上位机监控软件系统、数据通讯软件系统和数据采集软件系统三部分，下面进行详细介绍。
2．1 系统的工作流程
    当数据采集模块监测到现场的温度升高或烟雾浓度过大时，发出声光报警，并通过ZigBee网络将结果发送到主ZigBee处理中心进行处理，同时通过GPRS／GSM发送到后台监控系统。后台监控系统按照相应的协议进行解码，显示故障点并进行声光报警，后台监控中心人员根据显示的故障地点采取相应的措施，待排除故障之后，报警将自动关闭；管理人员也可以通过后台或现场的按钮将报警关闭，从而实现远程监测、报警通知、远程控制等功能。
2．2 数据采集模块软件系统设计
    数据采集模块的软件系统主要负责现场环境检测和数据上传功能。主要软件包括1)单片机、ZigBee模块及传感器等的初始化；2)图书馆温度检测；3)烟雾浓度的检测；4)单片机与ZigBee模块间的通讯；5)执行机构的控制和报警信息上传等。数据采集模块的流程图如图4所示。

2．3 数据通讯模块软件系统设计
    数据通讯软件系统主要负责各ZigBee节点数据的汇总和IGPRS／GSM数据的传输。主要软件包括：1)单片机、ZigBee模块及GPRS／GSM模块等的初始化；2)单片机与ZigBee模块间的通讯；3)单片机与GPRS／GSM模块间的通讯。
2．4 上位机监控系统软件设计
    后台监控系统采用LabVIEW软件进行设计，主要实现多现场数据的监控功能。
    LabVIEW是一种用图标代替文本行创建应用程序的图形化编程语言，提供很多外观与传统仪器(如示波器、万用表)类似的控件，可用来方便地创建用户界面，其图形化的界面使得编程及使用过程都非常人性化。
    该上位机远程监控系统界面如图5所示。

    该监控界面主要由五大部分：区域内节点状况显示、最高温度曲线、烟雾指示、设置与历史记录查看、时间日期显示。具体功能分别介绍如下。
    (1)区域内节点状况显示。该部分显示由数据采集模块采集的各个现场温度与烟雾数据，为了方便着火区的查找，采用各区各节点分别显示的方式，正常情况显示为绿灯，如有异常情况则绿灯变为红灯，并且伴有声音报警。
    (2)最高温度曲线。为了及时发现火灾的具体区域，设置了各个区域最高温度的显示面板，方便寻找着火区。
    (3)烟雾指示。与最高温度显示面板作用相同，在由烟雾原因引起报警时，方便快速寻找着火区。
    (4)设置与历史记录查询。该部分有两部分功能：查询历史报警记录和设置该部分主要实现后台的远程控制和设置系统附加功能，如火警信息的第三方通知等。
    (5)时间日期。实时显示当前时间日期，该时间日期是计算机的系统时间日期。

3 结论
    本文给出了智能消防监控系统的设计方案，提高了图书馆的消防安全，解决了布线技术限制系统应用场所及费用较高的问题。实验结果表明，此系统具有高性能、安全、便捷、智能的特点，具有广阔的应用前景。