吳 輝 梁金桃 孫小通

（1.廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，廣東 廣州 510010；2.廣州保得威爾電子科技股份有限公司，廣東 廣州 510535）

隨著城市的發(fā)展，城市規(guī)模不斷擴(kuò)大，城市交通面臨日益巨大的壓力。在地面交通設(shè)施不能解決城市客運(yùn)和貨運(yùn)的情況下，地下鐵路運(yùn)輸已經(jīng)成為一種非常重要的城市交通方式。我國(guó)大多數(shù)一線城市都有地鐵系統(tǒng)或者正在進(jìn)行地鐵建設(shè)。地鐵運(yùn)輸是緩解城市交通壓力的重要方式，但地鐵運(yùn)輸也存在一定程度的安全隱患，主要是來自火災(zāi)的威脅[1]。因?yàn)榈罔F系統(tǒng)的主體部分位于地下，并且運(yùn)輸?shù)娜藛T數(shù)量多且較為密集，逃生出口有限且狹小，所以一旦發(fā)生火災(zāi)將導(dǎo)致重大的生命和財(cái)產(chǎn)損失。地鐵系統(tǒng)專業(yè)設(shè)置多，設(shè)備、管線布置密集，部分區(qū)域檢修空間不足，探測(cè)效果不好，為了盡量減少設(shè)置管線，保證探測(cè)器及時(shí)、快速地探測(cè)到火情，有效地解決地鐵消防安全問題，最理想的措施就是配置齊全的報(bào)警系統(tǒng)，能夠在第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)火災(zāi)并發(fā)出警報(bào)，為人員逃生爭(zhēng)取更多的時(shí)間[2]。該文對(duì)基于無線通信技術(shù)的火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)進(jìn)行研究，如何配置數(shù)量豐富的檢測(cè)和報(bào)警節(jié)點(diǎn)，成為地鐵火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。其中，無線通信技術(shù)是最佳的通信方案[3]。該文以地鐵系統(tǒng)的火災(zāi)報(bào)警為研究對(duì)象，基于無線通信技術(shù)進(jìn)行軟硬件設(shè)計(jì)，進(jìn)而通過試驗(yàn)加以驗(yàn)證。

1 地鐵火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)無線通信節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)

在無線通信技術(shù)框架下，每個(gè)無線節(jié)點(diǎn)配置主控芯片、傳感器、無線通信模塊，就可以監(jiān)測(cè)地鐵是否存在災(zāi)情。一旦發(fā)生火災(zāi)，就可以通過傳感器采集到，進(jìn)而一邊報(bào)警一邊將信息通過無線協(xié)議傳輸?shù)缴霞?jí)控制系統(tǒng)。因此，無線通信節(jié)點(diǎn)即無線傳感器節(jié)點(diǎn)是該文設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。

在該文無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)中，選用了FPGA 作為主控芯片，選用ZigBee 協(xié)議作為無線通信的基礎(chǔ)協(xié)議，因此，通過這兩項(xiàng)核心技術(shù)進(jìn)行相應(yīng)的硬件設(shè)計(jì)。

先來構(gòu)建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的硬件總體結(jié)構(gòu)方案。因?yàn)檫x擇了FPGA 芯片作為主控芯片，所以各部分功能的實(shí)現(xiàn)都要通過FPGA，ZigBee 無線通信模塊也屬于各種功能的一部分。依據(jù)這個(gè)思路，給出該文無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)的總體方案如圖1 所示。

從圖1 可以看出，圍繞著FPGA 芯片，周圍分別設(shè)置了配置功能模塊、電源功能模塊、氣霧傳感器模塊、二氧化碳傳感器模塊、顯示模塊、報(bào)警模塊、串口通信功能模塊、I/O 口功能模塊。其中，串口通信功能模塊可以和ZigBee 無線通信功能模塊進(jìn)行連接，I/O 口功能模塊又進(jìn)一步可以和數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行連接。

圖1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)方案

其中，氣霧傳感器模塊、二氧化碳傳感器模塊可以采集地鐵內(nèi)的環(huán)境信息，用于判斷是否發(fā)生火災(zāi)。ZigBee 無線通信模塊的功能是無線組網(wǎng)并與上位機(jī)聯(lián)系。顯示模塊用于在采集處完成視頻顯示，提示現(xiàn)場(chǎng)人員逃離。報(bào)警模塊通過蜂鳴器產(chǎn)生報(bào)警信息，用聲音的形式提示現(xiàn)場(chǎng)人員逃離。

對(duì)應(yīng)于這個(gè)總體結(jié)構(gòu)方案，該文先要針對(duì)FPGA 核心處理器和ZigBee 協(xié)議處理模塊進(jìn)行主要芯片的選型工作。

1.1 FPGA 芯片選型

FPGA 芯片是該文無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)中的核心處理器，最終選用Xilinx 公司的Spartan-3 型號(hào)的FPGA 芯片。這款FPGA 芯片的功能豐富、功耗管理性能優(yōu)良，同時(shí)其成本低并且可以執(zhí)行多域優(yōu)化處理。

從制造工藝上看，Spartan-3 型號(hào)的FPGA 芯片，內(nèi)置的門數(shù)目可以達(dá)到500 萬(wàn)個(gè)，邏輯單元的數(shù)量接近75000 個(gè)。

從集成功能上看，Spartan-3 型號(hào)的FPGA 芯片，整合了存儲(chǔ)功能、I/O 功能、運(yùn)算功能、邏輯功能、資源管理功能。

從外聯(lián)部件上看，Spartan-3 型號(hào)的FPGA 芯片，可以連接穩(wěn)壓器部件、緩沖器部件、驅(qū)動(dòng)器部件、電容部件等。

從復(fù)雜系統(tǒng)得定制性能上看，Spartan-3 型號(hào)的FPGA 芯片，具備了非常齊全的IP 庫(kù)，特別有利于網(wǎng)絡(luò)的快速定制。

在Spartan-3 系列中，該文最終選定了XC3S400 這一型號(hào)的芯片作為核心處理器芯片，該型號(hào)的FPGA 切片數(shù)目達(dá)到4032 個(gè)，分布式內(nèi)存大小為56kB，塊內(nèi)存大小為288kB，內(nèi)部時(shí)鐘為4 個(gè)，輸入輸出結(jié)構(gòu)為264 個(gè)，可用乘法器為16個(gè)。從這些技術(shù)參數(shù)可知，這種FPGA 芯片可以實(shí)現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的各種功能，包括ZigBee 無線通信功能的實(shí)現(xiàn)。

1.2 ZigBee 芯片選型

在該文的 ZigBee 無線通信模塊中選取Chipcon 公司的CC2430 芯片。這款芯片廣泛應(yīng)用于智能家居領(lǐng)域、遠(yuǎn)程抄表領(lǐng)域、地下停車場(chǎng)監(jiān)控領(lǐng)域、醫(yī)療服務(wù)監(jiān)控領(lǐng)域、物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域。其協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)為IEEE802.15.4，具有功耗低、抗干擾以及抗噪強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。在無線接收狀態(tài)下，CC2430 芯片僅消耗27mA 的電流；在發(fā)送狀態(tài)下，CC2430 芯片僅消耗25mA 的電流。

從結(jié)構(gòu)上看，CC2430 芯片內(nèi)置了高性能8051 控制器，配置了無線射頻收發(fā)器，內(nèi)置了14 位大小的A/D 轉(zhuǎn)換器，配備了AES 安全控制器，內(nèi)嵌1 個(gè)16 位計(jì)時(shí)器和2 個(gè)8 位計(jì)時(shí)器。

2 地鐵火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)無線通信節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)

2.1 ZigBee 與上位機(jī)的通信軟件設(shè)計(jì)

這部分的設(shè)計(jì)是為了測(cè)試 ZigBee 無線通信模塊上串口功能的有效性。從硬件上將ZigBee 無線通信模塊的串口和PC 上的串口進(jìn)行連接，進(jìn)而通過相應(yīng)的軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)串口之間的通信過程。

相應(yīng)的軟件設(shè)計(jì)流程如圖2 所示。

從圖2 中所示的流程可知，當(dāng)ZigBee 無線通信模塊上電以后，先檢測(cè)LED 指示燈的狀態(tài)，進(jìn)而對(duì)串口執(zhí)行初始化處理，然后開始向PC 機(jī)發(fā)送接通的初始數(shù)據(jù)信息，接收到來自PC 的反饋信息后，開始向PC 串口發(fā)送數(shù)據(jù)信息。

圖2 ZigBee 模塊與上位機(jī)通信的軟件設(shè)計(jì)流程

2.2 ZigBee 模塊間的通信軟件設(shè)計(jì)

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際組網(wǎng)和使用過程中，各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的通信就是通過ZigBee模塊之間的無線通信實(shí)現(xiàn)的。因此，該文對(duì)ZigBee 模塊之間的通信進(jìn)行相應(yīng)的軟件設(shè)計(jì)。

軟件設(shè)計(jì)的具體流程如圖3 所示。

圖3 ZigBee 模塊之間通信的軟件設(shè)計(jì)流程

從這個(gè)流程圖中可以看出，先分別設(shè)定2個(gè)ZigBee 模塊通信的源地址和目的地址，之后進(jìn)行射頻工作的初始化處理。這個(gè)初始化的工作需要在DMA 管理模塊中申請(qǐng)通信所用的傳輸信道，以及配置無線通信過程的發(fā)送頻率信息等。初始化工作完成后，設(shè)定發(fā)送次數(shù)有關(guān)的計(jì)數(shù)器狀態(tài)，2 個(gè)ZigBee 模塊分別進(jìn)入發(fā)送狀態(tài)和接收狀態(tài)。

兩個(gè)ZigBee 模塊中的LED 指示燈輪流閃爍，標(biāo)志著模塊之間的通信過程在持續(xù)進(jìn)行。

2.3 無線模塊顯示功能軟件設(shè)計(jì)

在地鐵火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，每個(gè)無線節(jié)點(diǎn)上的顯示模塊和報(bào)警模塊，是用于提示人群躲避火災(zāi)的重要模塊。其中，報(bào)警模塊采用蜂鳴器，其軟件控制比較簡(jiǎn)單。顯示模塊則需要給出詳細(xì)的軟件設(shè)計(jì)。

顯示功能可以使地鐵內(nèi)的人員直接查看是否發(fā)生火災(zāi)以及是否需要疏散的信息。該文的顯示模塊，在硬件上選用了12864 型號(hào)的LCD 液晶顯示模塊。這個(gè)芯片上設(shè)置三種不同類型的控制接口，即1 個(gè)8 位的處理器接口、1 個(gè)4 位的處理器接口、1 個(gè)串口。從功能封裝上來看，包括內(nèi)存顯示和字型設(shè)置的所有功能都集成在這個(gè)芯片中，使用這些功能時(shí)只需要1 個(gè)處理器即可。

12864 型號(hào)的LCD 液晶顯示模塊的具體功能包括顯示屏畫面清楚功能、開關(guān)顯示功能、光標(biāo)的移位處理和歸位處理功能、光標(biāo)的顯示處理功能和隱藏處理功能、顯示屏垂直畫面的旋轉(zhuǎn)功能、模塊整體的待機(jī)處理功能、顯示屏的反色處理功能。

從顯示字型上看，12864 型號(hào)的LCD 液晶顯示模塊的ROM 中封裝了8192 種中文字型，同時(shí)還提供了一個(gè)64×256 個(gè)點(diǎn)陣的顯示繪圖區(qū)域。顯示模塊的流程圖設(shè)計(jì)如圖4 所示。

3 地鐵火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)驗(yàn)證試驗(yàn)

為了驗(yàn)證該文設(shè)計(jì)的基于無線通信技術(shù)的地鐵火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的有效性，接下來進(jìn)行測(cè)試試驗(yàn)。測(cè)試的過程中，以一個(gè)100m2的密閉房間為試驗(yàn)場(chǎng)地，以消防演習(xí)用煙餅點(diǎn)燃作為模擬火源。點(diǎn)燃煙餅后，將產(chǎn)生煙霧、二氧化碳?xì)怏w。在整個(gè)密閉試驗(yàn)場(chǎng)地內(nèi)的隨機(jī)位置處，布置10 個(gè)該文設(shè)計(jì)的無線傳感器節(jié)點(diǎn)。

這10 個(gè)節(jié)點(diǎn)采集的氣霧濃度變化見表1。

為了便于直觀地顯示表1 中的數(shù)據(jù)，將其繪制成曲線的形式，如圖5 所示。

根據(jù)表1 中的數(shù)據(jù)和圖5 中的曲線結(jié)果可知：隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，試驗(yàn)環(huán)境內(nèi)氣霧濃度的增加，10 個(gè)無線節(jié)點(diǎn)采集到的氣霧濃度信息都發(fā)生了變化。但是變化的強(qiáng)弱和變化的時(shí)間存在一定差異，這與10 個(gè)無線節(jié)點(diǎn)所在的位置不同有關(guān)。但無論位置如何，10 個(gè)無線節(jié)點(diǎn)都采集到了氣霧濃度的異常信息，當(dāng)氣霧濃度超過10%以后，節(jié)點(diǎn)的顯示模版和報(bào)警模塊，分別通過視頻和聲音的形式發(fā)出警報(bào)，從而證明了該文研究對(duì)地鐵內(nèi)火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警是準(zhǔn)確、有效和實(shí)時(shí)的。

圖5 無線通信節(jié)點(diǎn)采集的氣霧濃度變化曲線

表1 試驗(yàn)中10 個(gè)節(jié)點(diǎn)采集氣霧濃度的變化

4 結(jié)論

因地下空間局促和逃生口數(shù)有限等條件的限制，地鐵空間內(nèi)發(fā)生火災(zāi)將造成重大的生命和財(cái)產(chǎn)損失。為此，該文依托無線通信技術(shù)設(shè)計(jì)了地鐵火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)。這一套系統(tǒng)，以FPGA 為核心控制芯片，以ZigBee 技術(shù)為無線通信協(xié)議。每個(gè)無線節(jié)點(diǎn)上分別設(shè)置了配置氣霧傳感器、二氧化碳傳感器、顯示模塊、報(bào)警模塊、無線通信功能模塊。在硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對(duì)每個(gè)無線節(jié)點(diǎn)的通信功能進(jìn)行了軟件設(shè)計(jì)，給出了具體的流程圖。驗(yàn)證試驗(yàn)表明：參與試驗(yàn)的10 個(gè)無線節(jié)點(diǎn)，氣霧傳感器準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)到火災(zāi)的發(fā)生，并能通過顯示模塊和報(bào)警模塊以視頻和聲音的形式報(bào)警，而無線通信模塊也將火災(zāi)監(jiān)測(cè)信息順利發(fā)送到上位機(jī)。后續(xù)對(duì)筆者技術(shù)對(duì)無線探測(cè)的運(yùn)營(yíng)管理方式進(jìn)行探索，推進(jìn)無線火災(zāi)探測(cè)技術(shù)在地鐵環(huán)境的實(shí)際應(yīng)用。