王之淵 官洪運(yùn)

摘 要：火災(zāi)作為最常見、最普遍地威脅公眾安全和社會(huì)發(fā)展的主要災(zāi)害之一?，F(xiàn)有的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)大多采用有線方式連接，施工和運(yùn)行維護(hù)成本高，容易出現(xiàn)誤報(bào)、漏報(bào)的情況。在充分研究ZigBee所具有低功耗、低成本、時(shí)延短、網(wǎng)絡(luò)容量大、安全可靠等特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，基于CC2530芯片將各個(gè)ZigBee路由節(jié)點(diǎn)采用Mesh組網(wǎng)，與傳統(tǒng)的單跳網(wǎng)絡(luò)相比，無線Mesh網(wǎng)絡(luò)技術(shù)具有諸多無可比擬的優(yōu)勢。將ZigBee技術(shù)與Mesh網(wǎng)絡(luò)結(jié)合后，極大提高網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性，能夠滿足火災(zāi)現(xiàn)場緊急報(bào)警的需求。

關(guān)鍵詞：火災(zāi)報(bào)警 ZigBee技術(shù) Mesh網(wǎng)絡(luò)

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-3973（2013）007-028-02

1 引言

現(xiàn)如今，火災(zāi)是最常見和最普遍存在的威脅百姓生命安全與財(cái)產(chǎn)安全的災(zāi)害。造成火災(zāi)的危險(xiǎn)性因素有很多，因此消防工作的重要性也逐漸凸顯出來，主要而言表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一方面在于預(yù)防，即在火災(zāi)發(fā)生之前，就采取各種有效的預(yù)防措施；另一方面在于應(yīng)對，當(dāng)火災(zāi)已經(jīng)不可避免或已經(jīng)發(fā)生之時(shí)，如何采取及時(shí)有效的消防措施。在第二個(gè)方面的研究與探索中，自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用了。然而目前的許多報(bào)警系統(tǒng)采用的是有線連接的方式，在險(xiǎn)情發(fā)生時(shí)，常常可能出現(xiàn)誤報(bào)漏報(bào)的情況。為了避免這些情況的發(fā)生，火災(zāi)無線自動(dòng)報(bào)警工程應(yīng)用技術(shù)正在加速的發(fā)展，但目前的發(fā)展速度還比較緩慢。本文使用TI公司的CC2530芯片作為ZigBee節(jié)點(diǎn)的硬件平臺(tái)，將ZigBee設(shè)備與煙霧報(bào)警器相連接，ZigBee終端節(jié)點(diǎn)隨著煙霧報(bào)警器的觸發(fā)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)最終將報(bào)警信號(hào)發(fā)送至協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程報(bào)警。ZigBee路由設(shè)備間通過Mesh網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)，能極大的提升網(wǎng)絡(luò)的靈活性、自愈性，同時(shí)ZigBee設(shè)備低成本、低功耗的特點(diǎn)也能很好的滿足火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)的需求。

2 ZigBee技術(shù)

ZigBee 是一個(gè)基于IEEE802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)的新興無線技術(shù)協(xié)議。國內(nèi)，ZigBee 工作在全球通用的2.4GHz 的公用頻帶，傳輸速率為250Kb/s。ZigBee網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)由最多可達(dá)到65000個(gè)無線模塊組成的一個(gè)無線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)，它們之間可以進(jìn)行相互通信。每個(gè)ZigBee設(shè)備可以自己組建網(wǎng)絡(luò)，ZigBee的網(wǎng)絡(luò)連接具有靈活性，設(shè)備啟動(dòng)時(shí)會(huì)自動(dòng)搜索范圍內(nèi)的信號(hào)，并與信號(hào)強(qiáng)度最高的信號(hào)相連。ZigBee技術(shù)具有省電、可靠、時(shí)延短、網(wǎng)絡(luò)容量大、安全、高保密性等特點(diǎn)。

3 CC2530芯片

本文采用CC2530芯片作為系統(tǒng)的硬件平臺(tái)。CC2530是用于2.4GHz IEEE802.15.4、ZigBee和RF4CE應(yīng)用的一個(gè)真正的片上系統(tǒng)解決方案。CC2530的主要特點(diǎn)：（1）提供101db的鏈路質(zhì)量；（2）接收器靈敏并且抗干擾性好；（3）多種閃存尺寸；（4）低功耗的5種供電模式；（5）一套廣泛的外設(shè)集。

4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

當(dāng)煙霧報(bào)警器發(fā)出報(bào)警時(shí)，將觸發(fā)終端節(jié)點(diǎn)發(fā)出報(bào)警信號(hào)并將自己節(jié)點(diǎn)的地址向上層路由節(jié)點(diǎn)發(fā)送，路由收到報(bào)警信號(hào)后將其轉(zhuǎn)發(fā)至相鄰的路由節(jié)點(diǎn)或直接發(fā)送至協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，在協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)上通過串口發(fā)送至監(jiān)控中心。ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中包含一個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、多個(gè)路由器節(jié)點(diǎn)和更多個(gè)與煙霧報(bào)警器相連的終端節(jié)點(diǎn)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1。協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)無線通信部分網(wǎng)絡(luò)的建立和管理，允許終端節(jié)點(diǎn)加入或者離開網(wǎng)絡(luò)；由多個(gè)路由器節(jié)點(diǎn)來覆蓋整個(gè)區(qū)域。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

5.1 網(wǎng)絡(luò)的組建

一個(gè)比較完整的ZigBee網(wǎng)絡(luò)由一個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、多個(gè)路由器節(jié)點(diǎn)和多個(gè)終端節(jié)點(diǎn)組成。在一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，只有協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)可以建立網(wǎng)絡(luò)，它是網(wǎng)絡(luò)上的第一個(gè)設(shè)備，協(xié)調(diào)器首先選擇一個(gè)信道和網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)，然后開始組建網(wǎng)絡(luò)。

設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)的方式采用關(guān)聯(lián)加入。關(guān)聯(lián)加入由子節(jié)點(diǎn)發(fā)起，搜索潛在的父節(jié)點(diǎn)，在搜索到可加入父節(jié)點(diǎn)，并得到父節(jié)點(diǎn)響應(yīng)時(shí)，子節(jié)點(diǎn)就能加入網(wǎng)絡(luò)。

5.2 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

在協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)以后，首先設(shè)置通信信道和PanID，其他節(jié)點(diǎn)如果要加入該網(wǎng)絡(luò)必須將自己的通信信道和PanID設(shè)置與協(xié)調(diào)器相同，才可以被允許加入網(wǎng)絡(luò)。在協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)收到路由節(jié)點(diǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)后，讀取數(shù)據(jù)幀中的地址信號(hào)與報(bào)警信號(hào)，并通過串口發(fā)送給上位機(jī)。因此，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)維護(hù)網(wǎng)絡(luò)信息庫，并處理收到的數(shù)據(jù)。

5.3 終端節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

終端節(jié)點(diǎn)在完成網(wǎng)絡(luò)初始化后開始搜索可用路由節(jié)點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)附近存在有可用的路由節(jié)點(diǎn)時(shí)，網(wǎng)絡(luò)層向路由節(jié)點(diǎn)發(fā)送加入網(wǎng)絡(luò)的請求，成功加入網(wǎng)絡(luò)后程序循環(huán)查詢報(bào)是否有報(bào)警信號(hào)，并實(shí)時(shí)將節(jié)點(diǎn)信息發(fā)送給路由器節(jié)點(diǎn)。在無火情的時(shí)候，終端節(jié)點(diǎn)每睡眠5分鐘喚醒一次將本節(jié)點(diǎn)地址和正常的信息發(fā)送給路由節(jié)點(diǎn)。若有火災(zāi)情況發(fā)生，則向路由節(jié)點(diǎn)報(bào)告火情和起火地址。終端節(jié)點(diǎn)的軟件流程圖如圖2所示。

圖2 終端節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)流程圖

5.4 路由節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

ZigBee路由之間Mesh組網(wǎng)采用AODV路由算法，AODV路由算法是一種按需路由協(xié)議，根據(jù)節(jié)點(diǎn)的需求發(fā)起路由發(fā)現(xiàn)過程，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和路由表內(nèi)容也是按需建立的，路由表中不需保存完整的路由信息。AODV路由算法按需發(fā)送路由信息，節(jié)省了一定的網(wǎng)絡(luò)資源。鏈路成本與路徑里的每個(gè)鏈路成本都有關(guān)，對每個(gè)鏈路成本值求和，就是這個(gè)路徑上總的鏈路成本即這條路徑上的通信代價(jià)。

假設(shè)一條路徑P長為L，經(jīng)過一組有序設(shè)備[D1，D2，...，DL]，每個(gè)鏈路表示為[Di，Di+1]，C{[Di，Di+1]}表示這條鏈路上的鏈路成本，也即通信代價(jià)，假定每條鏈路的鏈路成本都是個(gè)固定值，則整個(gè)路徑的通信代價(jià)的表達(dá)式如下：

路由節(jié)點(diǎn)首先啟動(dòng)加入網(wǎng)絡(luò)，加入網(wǎng)絡(luò)后路由節(jié)點(diǎn)監(jiān)聽無線接收通道，當(dāng)有節(jié)點(diǎn)向其發(fā)送連接請求時(shí)，路由檢點(diǎn)首先檢測該節(jié)點(diǎn)是相鄰路由節(jié)點(diǎn)還是終端節(jié)點(diǎn)，如果該節(jié)點(diǎn)是相鄰路由節(jié)點(diǎn)時(shí)，則直接與之進(jìn)行數(shù)據(jù)交換；如果該節(jié)點(diǎn)是終端節(jié)點(diǎn)，則先查看路由表，與終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行匹配，在與匹配成功后執(zhí)行通信過程。如果沒有故障節(jié)點(diǎn)和火災(zāi)則向協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)發(fā)送正常信息若收到由傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送的火災(zāi)信息則協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)發(fā)送火災(zāi)警報(bào)。路由節(jié)點(diǎn)的軟件流程圖如圖3。

圖3 路由節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)流程圖

6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

ZigBee設(shè)備組網(wǎng)在物聯(lián)網(wǎng)試驗(yàn)箱中進(jìn)行，為了方便調(diào)試，在節(jié)點(diǎn)通信調(diào)試過程中帶了顯示屏以顯示調(diào)試結(jié)果。圖4為模擬火災(zāi)發(fā)生時(shí)節(jié)點(diǎn)通信實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，第一個(gè)顯示屏是子節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)的顯示；第二個(gè)顯示屏是協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)后顯示收到發(fā)送數(shù)據(jù)的設(shè)備的地址；第三個(gè)顯示的路由節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)發(fā)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖4 子節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)通信結(jié)果

7 結(jié)束語

本文基于ZigBee Mesh組網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計(jì)了一個(gè)自動(dòng)遠(yuǎn)程火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)，對協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、終端節(jié)點(diǎn)和路由器節(jié)點(diǎn)作了軟件設(shè)計(jì)，最后對系統(tǒng)進(jìn)行了小規(guī)模的組網(wǎng)實(shí)驗(yàn)，初步實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)功能。

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