王培錦+路佳宣

摘 要：在分析了實(shí)際學(xué)校環(huán)境的基礎(chǔ)上，創(chuàng)造性地提出了一個(gè)基于ZigBee技術(shù)的無線多傳感器火災(zāi)報(bào)警與火警監(jiān)控的跨平臺(tái)火警系統(tǒng)解決方案。宿舍樓安放的PC機(jī)不僅能夠?qū)崟r(shí)對(duì)宿舍環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)溫度，煙霧超出指標(biāo)后，還能及時(shí)向持有安卓設(shè)備的樓層管理員發(fā)出火災(zāi)警報(bào)。該跨平臺(tái)的系統(tǒng)是火警探測(cè)領(lǐng)域的一個(gè)突破，具有極大的實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：ZigBee；HTML；Android；PHP

中圖分類號(hào)：TP274 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2015）07-000-03

0 引 言

近年來，經(jīng)常會(huì)看到各種新聞報(bào)道中發(fā)生在學(xué)校的火災(zāi)，這些火情不僅會(huì)造成巨大的財(cái)產(chǎn)損失，而且會(huì)嚴(yán)重威脅師生的生命安全。因此，擁有一款實(shí)用準(zhǔn)確的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)十分必要。目前已有的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)一般采用有線方式連接，不僅影響美觀，而且不易擴(kuò)展，布置嚴(yán)格受到地形的限制。在很多老舊的教學(xué)樓內(nèi)存在難以布線的問題，并且由于使用有線的方式連接，線路容易發(fā)生老化或遭到腐蝕、鼠咬、磨損等問題，嚴(yán)重影響了火情的準(zhǔn)確報(bào)警?；馂?zāi)報(bào)警往往局限于室內(nèi)的燈光，警鈴和自動(dòng)的消防設(shè)施，而當(dāng)出現(xiàn)室內(nèi)消防設(shè)施無法解決的嚴(yán)重火情時(shí)難以與外界取得聯(lián)系，尤其是在室內(nèi)無人的情況下，極易延誤救火的黃金時(shí)期，延誤火情。

本文成功設(shè)計(jì)了一整套基于安卓手機(jī)和Web的跨平臺(tái)防火報(bào)警系統(tǒng)。本系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)火災(zāi)的有效檢測(cè)，當(dāng)檢測(cè)到火災(zāi)后可對(duì)綁定的手機(jī)進(jìn)行報(bào)警和火情的服務(wù)器上傳，方便消防人員及時(shí)了解火災(zāi)情況，及時(shí)采取措施。

本系統(tǒng)分為無線模塊，主機(jī)模塊，安卓模塊和Web模塊[1-3]。其中無線模塊使用基于CC2530的ZigBee設(shè)備，使用IAR平臺(tái)進(jìn)行開發(fā)。主機(jī)模塊搭載在基于Windows系統(tǒng)的PC機(jī)上，使用VS2010進(jìn)行開發(fā)，主要靠MFC來實(shí)現(xiàn)。安卓模塊使用Eclipse平臺(tái)進(jìn)行開發(fā)，使用的是2.3.2版本。Web模塊采用SAE平臺(tái)進(jìn)行開發(fā)。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)的整體框架由5部分組成，包括4個(gè)模塊，無線模塊主要由無線傳感器網(wǎng)絡(luò)組成，負(fù)責(zé)環(huán)境數(shù)據(jù)的采集和無線傳輸，環(huán)境數(shù)據(jù)最終被匯總到協(xié)調(diào)器中，協(xié)調(diào)器通過串口與主機(jī)模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。主機(jī)模塊對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷處理，將處理得到的結(jié)果通過Socket發(fā)到安卓模塊設(shè)備中，此時(shí)安卓模塊設(shè)備產(chǎn)生報(bào)警，并通過HTTP指令將火情的地址發(fā)送至Web模塊。這樣，我們就可以通過瀏覽相應(yīng)網(wǎng)頁、Web模塊來方便地觀察最新發(fā)生的火情，并進(jìn)行響應(yīng)。圖1是該系統(tǒng)的整體框架圖。

圖1 系統(tǒng)整體框架圖

2 各模塊的設(shè)計(jì)

2.1 無線模塊的設(shè)計(jì)

無線模塊采用ZigBee標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，相比于藍(lán)牙，WiFi，紅外線等其他技術(shù)，ZigBee技術(shù)具有功耗低，設(shè)備穩(wěn)定可靠，無線傳輸不受障礙物影響等諸多優(yōu)點(diǎn)。目前使用最廣泛和最受推廣的協(xié)議棧是ZigBee2007協(xié)議，TI公司已經(jīng)生產(chǎn)出了完全兼容該協(xié)議的CC2530芯片及相應(yīng)的Z-Stack協(xié)議棧，這也是本系統(tǒng)所采用的芯片和協(xié)議棧。

相比于其他的通信協(xié)議，ZigBee在傳輸距離和傳輸速率上都不是很占優(yōu)勢(shì)。ZigBee的傳輸速率在20～250 Kb/s，傳輸距離通常為10～100 m。但是比起其他通信方式，ZigBee擁有成本低，功耗小等優(yōu)點(diǎn)，因此特別適用于工業(yè)領(lǐng)域傳輸小量的數(shù)據(jù)。

DS18B20是一款常用的溫度傳感器[4]，這款傳感器的體積小，精度高，同時(shí)它也具有較強(qiáng)的抗干擾能力和低廉的價(jià)格等諸多優(yōu)點(diǎn)。DS18B20采用單總線接口方式，我們只需要一根線就能完成傳感器與微處理器的連接，十分簡(jiǎn)便。它的測(cè)量范圍在-55～125 ℃，工作電壓為3.0～5.5 V/DC。無需增加其他外圍原件和外圍電路，可直接通過傳感器進(jìn)行溫度的測(cè)量[5]。

MQ-2煙霧傳感器是一款常被使用的煙霧傳感器，它擁有十分廣泛的探測(cè)范圍，優(yōu)異的穩(wěn)定性，很高的靈敏度等諸多優(yōu)點(diǎn)，只需要加簡(jiǎn)單的驅(qū)動(dòng)電路就能夠使用。這款傳感器可用于各類工廠的氣體檢測(cè)，它同樣適用于家庭，是一款應(yīng)用十分廣泛的產(chǎn)品。它可以用于丁烷，乙烷，丙烷，液化氣，酒精，氫氣，煙霧等的探測(cè)。

本系統(tǒng)將傳感器的驅(qū)動(dòng)和讀取環(huán)境相關(guān)參數(shù)的程序加在終端節(jié)點(diǎn)的程序中，使終端節(jié)點(diǎn)在加入ZigBee網(wǎng)絡(luò)的同時(shí)讀取相關(guān)參數(shù)，并實(shí)現(xiàn)向協(xié)調(diào)器傳遞參數(shù)的工作。

2.2 主機(jī)模塊的設(shè)計(jì)

主機(jī)模塊與無線模塊之間采用串口進(jìn)行通信，串口通常也被叫做COM口，是采用串行通信方式的擴(kuò)展接口。串口在上個(gè)世紀(jì)80年代推出，傳輸速率在115 Kb/s～230 Kb/s之間。串口通信的方式分為兩種：同步通信方式和異步通信方式。本系統(tǒng)的ZigBee設(shè)備自帶了USB口轉(zhuǎn)串口的芯片，使用USB連接線即可與PC端相連，不過PC端仍需編寫串口的程序?qū)f(xié)調(diào)器傳來的數(shù)據(jù)進(jìn)行接收。串口接收的流程如圖2所示。

圖2 串口接收流程圖

每個(gè)進(jìn)程都至少需要一個(gè)線程，進(jìn)程是資源分配的基本單位，線程是執(zhí)行操作的基本操作[5]。進(jìn)程可理解為一個(gè)正在運(yùn)行的程序?qū)嵗?，可用來申?qǐng)系統(tǒng)資源。一個(gè)進(jìn)程可擁有多個(gè)線程，進(jìn)程是線程的容器，但是具體完成某項(xiàng)操作，還是要靠線程來完成。本系統(tǒng)采用多線程的技術(shù)，一個(gè)線程負(fù)責(zé)串口數(shù)據(jù)的接收和處理，另一個(gè)線程負(fù)責(zé)PC端作為服務(wù)器對(duì)Socket端口的監(jiān)聽和TCP連接的保持。具體流程如圖3所示。

圖3 多線程程序的設(shè)計(jì)圖

在主機(jī)模塊需要對(duì)串口接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行判定，本系統(tǒng)使用閾值法進(jìn)行火情的判斷，閾值法是一種最簡(jiǎn)單也是最常用的判斷機(jī)制，它根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)設(shè)置一個(gè)閾值，當(dāng)超過閾值后進(jìn)行相應(yīng)的反應(yīng)，當(dāng)不足閾值時(shí)不做反應(yīng)，繼續(xù)進(jìn)行檢測(cè)。本次實(shí)驗(yàn)采用溫度和煙霧傳感器，通過設(shè)置溫度和煙霧的閾值，當(dāng)超過閾值后進(jìn)行相應(yīng)的報(bào)警。同時(shí)因?yàn)椴捎昧?個(gè)傳感器，減少了因傳感器不穩(wěn)定造成的短暫超過閾值的誤報(bào)警，極大地提高了報(bào)警的準(zhǔn)確性，并且運(yùn)行速度較快，能夠及時(shí)對(duì)變量值的改變進(jìn)行反應(yīng)和報(bào)警，具有反應(yīng)時(shí)間短等諸多優(yōu)點(diǎn)。

2.3 安卓模塊的設(shè)計(jì)

Eclipse是一個(gè)開發(fā)Java和安卓的主流開發(fā)平臺(tái)，和安卓系統(tǒng)一樣，Eclipse同樣是開放源代碼的。它只是一個(gè)框架，我們通過給Eclipse加上各種插件完成不同的開發(fā)任務(wù)。我們使用ADT插件在Eclipse上進(jìn)行安卓的開發(fā)。Eclipse開發(fā)界面如圖4所示。

圖4 Eclipse的開發(fā)界面

Java在.net庫中提供了兩個(gè)類用于Socket網(wǎng)絡(luò)編程供我們調(diào)用，他們分別是Socket和ServerSocket。它們分別表示通信的客戶端和服務(wù)器端。通過IP號(hào)和端口號(hào)建立Socket，相應(yīng)的函數(shù)如下。其中HOST為IP地址，PORT為端口號(hào)：

Socket=new Socket（HOST，PORT）；

之后獲取Socket流，并把流包進(jìn)BufferedWriter進(jìn)行讀寫。使用過后關(guān)閉流。通信中間的管道是通過輸入輸出流實(shí)現(xiàn)的，一旦這個(gè)通信的管道建立好了之后就可以通過管道在客戶機(jī)和服務(wù)器之間進(jìn)行通信。因此如果將通信管道關(guān)閉，那么同時(shí)也就關(guān)閉了Socket。

安卓和MySQL交互可以使用XML和HTTP POST兩種方式。XML是一種可擴(kuò)展標(biāo)記語言，它可以用來標(biāo)記數(shù)據(jù)和定義數(shù)據(jù)的類型，適用于www的傳輸。如果說超文本標(biāo)記語言是用來顯示的話，那么XML就是用來傳輸數(shù)據(jù)的。XML語言在1998年成為了W3C的推薦標(biāo)準(zhǔn)。XML兼容現(xiàn)有的協(xié)議，可以訪問多種API，比如DOM，SAX，XSLT和Xpath等。對(duì)于數(shù)據(jù)的管理，XML同樣有自己統(tǒng)一的格式，這使得數(shù)據(jù)的管理變得十分簡(jiǎn)單方便，此外XML允許不同系統(tǒng)間數(shù)據(jù)的交互，使得跨平臺(tái)的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)成為了可能，不僅如此，XML使得底層數(shù)據(jù)的傳輸更具有可讀性，我們可以通過分析器看出底層究竟傳輸?shù)氖鞘裁磾?shù)據(jù)。

除了XML，還可以通過HTTP GET和HTTP POST兩種方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。一般來說GET用于數(shù)據(jù)的獲取，POST用于數(shù)據(jù)的更新，它可以用來改變服務(wù)器上的任意資源。使用POST需要用到表單，理論上使用POST是沒有大小限制的，因?yàn)镠TTP協(xié)議并沒有對(duì)它進(jìn)行限制，不過每個(gè)服務(wù)器都會(huì)有自己的限制。比起GET，POST的安全性更高，因?yàn)镚ET上的信息都會(huì)被明文顯示在URL中，但是POST不會(huì)。

2.4 Web模塊的設(shè)計(jì)

Web模塊包括網(wǎng)頁前臺(tái)的編寫和網(wǎng)頁后臺(tái)的編寫，本系統(tǒng)采用了新浪公司的SAE平臺(tái)進(jìn)行HTML前臺(tái)和PHP后臺(tái)的開發(fā)[6]。

網(wǎng)頁前臺(tái)系統(tǒng)采用HTML語言開發(fā)，HTML語言結(jié)構(gòu)分為頭和主體兩個(gè)部分。頭部存放關(guān)于網(wǎng)頁的一些信息，主體存放著網(wǎng)頁的具體內(nèi)容。HTML語言具有諸多優(yōu)點(diǎn)，比如簡(jiǎn)易性，可擴(kuò)展性，平臺(tái)無關(guān)性和通用性。HTML語言沒有復(fù)雜的語法，使用簡(jiǎn)單容易上手。與此同時(shí)，HTML能夠在Windows，MAC等多種系統(tǒng)上開發(fā)和運(yùn)行，它與平臺(tái)無關(guān)的特性成就了www的廣泛使用。最后，HTML是一個(gè)通用的標(biāo)準(zhǔn)，任何地方的任何設(shè)備都應(yīng)該遵守這一標(biāo)準(zhǔn)在網(wǎng)上進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳遞和瀏覽。

網(wǎng)頁后臺(tái)系統(tǒng)采用PHP語言編寫。PHP語言又叫做超文本預(yù)處理器，是一種常用的后臺(tái)語言，它是開源的，吸收了C、Java、Perl等多種語言的特點(diǎn)。PHP主要用于Web平臺(tái)的開發(fā)。PHP有諸多優(yōu)點(diǎn)，它能夠更快地執(zhí)行網(wǎng)頁，此外PHP支持現(xiàn)有的所有數(shù)據(jù)庫和操作系統(tǒng)，并可以很好的與其他語言進(jìn)行融合。PHP可以消耗較小的資源進(jìn)行執(zhí)行，此外具有很好的跨平臺(tái)性，這些都為PHP的廣泛使用提供了很好的條件。

可以使用mysql_connect函數(shù)打開數(shù)據(jù)庫的鏈接，該函數(shù)的聲明如下：

mysql_connect（server，user，pwd，newlink，clientflag）；

其中，server規(guī)定要選擇的服務(wù)器，user是用戶名，pwd是密碼，newlink和clientflag是可選項(xiàng)，規(guī)定了一些可選的特征。連接數(shù)據(jù)庫成功后就可以調(diào)用SQL語句進(jìn)行數(shù)據(jù)的操作。

Sina App Engine（SAE）是新浪公司2009年開始研發(fā)推出的首個(gè)國(guó)內(nèi)App Engine平臺(tái)[7]。新浪SAE吸收了Google，Amazon等多個(gè)公司的成功開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，為用戶和開發(fā)者提供了一個(gè)全新的云計(jì)算和存儲(chǔ)平臺(tái)。SAE選用Web作為其開發(fā)方式，平臺(tái)內(nèi)部綜合了數(shù)據(jù)庫，HTML等多種開發(fā)環(huán)境，為中小型企業(yè)和個(gè)人開發(fā)者的軟件開發(fā)提供了極大的方便。

3 系統(tǒng)的總體測(cè)試

3.1 無線模塊的測(cè)試

首先將IAR的程序燒制到協(xié)調(diào)器和終端節(jié)點(diǎn)中，然后將協(xié)調(diào)器通過串口與主機(jī)連接，本次實(shí)驗(yàn)采用的ZigBee套件集成了串口轉(zhuǎn)U口的芯片，可直接通過USB連接線與主機(jī)相連，打開協(xié)調(diào)器和終端節(jié)點(diǎn)。

接著打開串口助手，本次實(shí)驗(yàn)采用COM4串口，波特率為115 200，可以從串口觀察到各終端節(jié)點(diǎn)傳來的數(shù)據(jù)，其中第一位是節(jié)點(diǎn)的標(biāo)志。

圖5是串口助手觀察結(jié)果示意圖。

圖5 串口助手觀察結(jié)果

至此，無線模塊的任務(wù)圓滿完成。無線模塊實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)區(qū)域溫度和煙霧數(shù)據(jù)的收集，并實(shí)現(xiàn)了終端節(jié)點(diǎn)通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)向協(xié)調(diào)器進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送及協(xié)調(diào)器通過串口向主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

3.2 安卓端報(bào)警器的測(cè)試

首先打開安卓端報(bào)警器，進(jìn)入初始界面后，在文本框中輸入主機(jī)IP地址，與PC端主機(jī)建立連接。輸入主機(jī)地址后開始進(jìn)入監(jiān)測(cè)模式，等待PC服務(wù)器端傳來火情信息，若無火情信息，那么安卓端一直處于監(jiān)測(cè)模式。若有火情發(fā)生，安卓端彈出火災(zāi)報(bào)警框并播放警示音樂提醒樓管人員，可通過點(diǎn)擊“解除火警”按鈕來結(jié)束報(bào)警。圖6是安卓手機(jī)端進(jìn)入監(jiān)測(cè)模式示意圖。

圖6 安卓手機(jī)端進(jìn)入監(jiān)測(cè)模式

3.3 安卓端火情上傳系統(tǒng)的測(cè)試

使用瀏覽器打開網(wǎng)頁，進(jìn)入數(shù)據(jù)庫可查詢實(shí)時(shí)的報(bào)警消息（見圖7）。當(dāng)安卓設(shè)備持有者確定火情發(fā)生后即可使用這款A(yù)pp方便的將火情地址傳送到服務(wù)器上的數(shù)據(jù)庫中。通過這款火情上傳App，宿舍管理員可方便及時(shí)的將火情上傳到服務(wù)器中，供消防人員和校園警察進(jìn)行查詢，并且快速的做出反應(yīng)。

圖7 報(bào)警信息的查詢

4 結(jié) 語

ZigBee具有短距離、低成本、低功耗、易實(shí)現(xiàn)、安全可靠的特點(diǎn)，適合作為自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)的組成部件。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)了一種基于ZigBee技術(shù)的無線消防報(bào)警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)火警監(jiān)測(cè)，解決了現(xiàn)有火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)、施工與維護(hù)復(fù)雜，抗干擾能力低，故障率和誤報(bào)率高等問題。因此，基于ZigBee技術(shù)的自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)，必將在未來的智能樓宇中得到更普遍的發(fā)展和應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1] Kinney P. ZigBee technology： Wireless control that simply works[C]. Communications design conference，2003， 2.

[2] Pengfei L， Jiakun L， Luhua N， et al. Research and application of ZigBee protocol stack[C]. Measuring Technology and Mechatronics Automation （ICMTMA）， 2010 International Conference on. IEEE， 2010（2）： 1031-1034.

[3] 劉明光.基于ZigBee無線技術(shù)的電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計(jì)[D].濟(jì)南：山東大學(xué)，2010.

[4]李鋼， 趙彥峰.1-Wire 總線數(shù)字溫度傳感器 DS18B20 原理及應(yīng)用[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2006， 29（21）： 77-79.

[5] 駱斌，費(fèi)翔林.多線程技術(shù)的研究與應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展， 2000，37（4）：407-412.

[6] 蘇成君，何不廉.PHP在Web數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用研究[J].計(jì)算機(jī)工程，2000， 26（9）：184-185.

[7] 叢磊.新浪云計(jì)算 SAE 的技術(shù)演變[J].程序員，2013（4）：58-59.