溫州市銘達自動化系統(tǒng)有限公司 蔣海潮

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Zigbee技術(shù)在火災(zāi)報警系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

溫州市銘達自動化系統(tǒng)有限公司 蔣海潮

【摘要】本文以CC2530為核心控制芯片，以Z-Stack協(xié)議棧作為協(xié)議平臺，搭建了一個由協(xié)調(diào)器設(shè)備和終端設(shè)備組成的小型的簡易ZigBee網(wǎng)絡(luò)。將終端設(shè)備放置在室內(nèi)的不同地方，作為傳感器節(jié)點采集室內(nèi)溫度和煙霧數(shù)據(jù)，同時將采集到的數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器節(jié)點，通過協(xié)調(diào)器上的LCD進行數(shù)據(jù)的實時顯示。

【關(guān)鍵詞】ZigBee；火災(zāi)報警；CC2530；Z-Stack協(xié)議棧

0 引言

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，高層建筑以及大型綜合性建筑日益增多，火災(zāi)隱患也隨之增加，火災(zāi)發(fā)生的數(shù)量及其造成的損失都呈逐年上升趨勢，火災(zāi)報警系統(tǒng)成為保障人生命財產(chǎn)安全的重要因素之一［1］。伴隨著ZigBee技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，它使無線火災(zāi)報警系統(tǒng)成為了可能，基于無線網(wǎng)絡(luò)化的火災(zāi)報警系統(tǒng)具有成本低、安裝方便、穩(wěn)定性高的特點。

ZigBee是一種基于IEEE 802.15.4無線標(biāo)準(zhǔn)研制開發(fā)的有關(guān)組網(wǎng)、安全和應(yīng)用軟件方面無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，具有近距離、低功耗、低速率、雙向傳輸?shù)忍攸c，主要適合于承載數(shù)據(jù)流量小、數(shù)據(jù)傳輸速率低的業(yè)務(wù)，可嵌入各種設(shè)備中，能夠?qū)崿F(xiàn)對工業(yè)、家庭以及醫(yī)學(xué)等各種重要場所的監(jiān)控［2］。ZigBee網(wǎng)絡(luò)主要由協(xié)調(diào)器、路由器和終端節(jié)點組成，可以實現(xiàn)星型、樹型和網(wǎng)狀型網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

火災(zāi)報警由協(xié)調(diào)器，終端模塊（終端節(jié)點）組成星型網(wǎng)絡(luò)通信，在協(xié)調(diào)上直接利用LCD直接顯示。協(xié)調(diào)器負責(zé)組建ZigBee網(wǎng)絡(luò)，完成終端模塊與上位機數(shù)據(jù)的透明傳輸；終端模塊利用傳感器負責(zé)采集、存儲、上傳數(shù)據(jù)。終端模塊中多個傳感器節(jié)點放置于不同的監(jiān)測區(qū)域，每個傳感器節(jié)點把數(shù)據(jù)傳給協(xié)調(diào)器，把數(shù)據(jù)通過LCD顯示給用戶或通過串口傳給上位機做進一步處理并顯示給用戶。

1.1 傳感器節(jié)點和協(xié)調(diào)器設(shè)計

當(dāng)物體燃燒時，必然會釋放出一定的熱量來，隨著環(huán)境的溫度也會在一定程度上升高，同時物體在進行初始的燃燒時，可燃氣體就會逐漸的放出來，例如，一氧化碳、氫氣和甲烷等。在本設(shè)計火災(zāi)報警中選用溫度傳感器DS18B20和煙霧傳感器MQ-2來進行終端節(jié)點數(shù)據(jù)的采集。傳感器節(jié)點由主控芯片CC2530，溫度傳感器DS18B20，煙霧傳感器MQ-2，電源模塊和其他外部設(shè)備組成，如圖1所示，協(xié)調(diào)器節(jié)點主要由主控芯片CC2530，LCD液晶顯示，報警指示燈合和其他設(shè)備組成，如圖2所示。

圖1 傳感器節(jié)點設(shè)計

圖2 協(xié)調(diào)器節(jié)點設(shè)計

1.2 煙霧傳感器電路設(shè)計

煙霧傳感器采用MQ-2型煙霧傳感器具體電路圖如圖3所示：圖4-3中VCC為5V電壓，用來驅(qū)動MQ-2煙霧傳感器，它的4和6引腳作為電壓輸出端，R1作為限流電阻，R2作為分壓電阻，R6為滑動變阻器，通過它可以調(diào)節(jié)MQ-2煙霧傳感器的靈敏度，LED為發(fā)光二極管起到指示作用，R6的輸出端接LM393比較器的+引腳，MQ-2煙霧傳感器的輸出端接—引腳。如果+引腳的電壓大于—引腳電壓，則輸出引腳輸出高電平；反之，輸出引腳輸出低電平，LED指示燈會發(fā)光。在MQ-2煙霧傳感器進入正常工作狀態(tài)后，通過調(diào)節(jié)R6滑動變阻器，使LED發(fā)光二極管先亮然后再滅，就會達到一個相對靈敏的狀態(tài)［3］。

圖3 煙霧傳感器電路圖

1.3 溫度傳感器電路設(shè)計

溫度傳感器我們選擇DALLAS（達拉斯）公司生產(chǎn)的單總線數(shù)字式的DS18B20。主要是因為它精度高，可達土0.5攝氏度，測溫范圍可達–55°C ～+125°C。除此之外，它具有超小的體積，超低的硬件開消，抗干擾能力強等優(yōu)勢。在硬件電路連接上其中引腳1為VDD接3.3V電源，引腳2為DQ，數(shù)據(jù)輸入/輸出引腳，與微處理器的I/O口相連，本系統(tǒng)中與CC2530的P0.6引腳相連，引腳3為GND接地。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)所用的開發(fā)環(huán)境是IAR Embedded Workbench for 8051 8.10，采用的協(xié)議棧為TI的ZStack-2.3.0-1.4.0，系統(tǒng)的軟件設(shè)計是在Z-Stack協(xié)議棧的基礎(chǔ)上進行C語言的編程，主要包含協(xié)調(diào)器節(jié)點和傳感器節(jié)點程序設(shè)計。協(xié)調(diào)器上電后組建網(wǎng)絡(luò)，傳感器節(jié)點自動發(fā)現(xiàn)并加入網(wǎng)絡(luò)。協(xié)調(diào)器節(jié)點負責(zé)接收數(shù)據(jù)并且在LCD液晶顯示屏上進行顯示，傳感器節(jié)點負責(zé)數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送。

圖4 DS18B20工作流程圖

2.1 Zigbee網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)

Zigbee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點軟件系統(tǒng)采用的協(xié)議棧為TI的ZStack-2.3.0-1.4.0。通過更改協(xié)議棧的配置，可以把協(xié)議棧配置為協(xié)調(diào)器（Coordinator）、終端（Enddevice）。在各功能節(jié)點的協(xié)議棧程序設(shè)計時，該協(xié)議棧采用統(tǒng)一的編寫方式，用宏定義語句：#def、#ifdef、#else等語句區(qū)別各功能節(jié)點在各協(xié)議層中的操作，這樣的編寫方式將協(xié)議棧看成一個整體，提高了協(xié)議棧的移植性。同時，本設(shè)計采用IAR Embedded Workbench V7.51 for 8051集成開發(fā)環(huán)境，該環(huán)境將工程管理器、編譯器、8051C/C++編譯器、8051匯編器、鏈接器、庫管理工具和調(diào)試工具完全集成在一起，同時支持TI的CC2530 SoC ZigBee開發(fā)套件的USB接口，可通過嵌入SmartRF04 Flash Programmer軟件將程序下載至CC2530芯片中［4］。本設(shè)計采用第一種星型網(wǎng)絡(luò)。

2.2 DS18B20軟件設(shè)計

傳感器節(jié)點在設(shè)定好的采集周期內(nèi)采集溫度數(shù)據(jù)，其余時間處于低能耗狀態(tài)，直到采集數(shù)據(jù)事件的觸發(fā)。CC2530對DS18B20訪問程序流程圖如圖4所示，主要包括初始化——處理器發(fā)送ROM指令——處理器發(fā)送操作存儲器命令——讀取溫度數(shù)據(jù)——數(shù)據(jù)處理等過程［5］。

3 結(jié)束語

本文采用基于ZigBee標(biāo)準(zhǔn)的無線射頻芯片CC2530為控制核心芯片，搭建了一個簡易的無線火災(zāi)報警系統(tǒng)。系統(tǒng)程序在Z-Stack協(xié)議棧的基礎(chǔ)上進行C語言的編程，通過設(shè)置任務(wù)、事件函數(shù)完成這一功能。實驗表明，該火災(zāi)報警系統(tǒng)成本低，工作穩(wěn)定，但是由于采用無線傳輸技術(shù)，通信中存在信息傳輸安全以及節(jié)點的處理能力較弱等缺點，在后續(xù)工作中將會做進一步的改進。

參考文獻

［1］鄭隆舉，李慧芳，杜亞恒.火災(zāi)報警系統(tǒng)的發(fā)展與探析［J］.科技信息，2011（33）.

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［3］鄭大忞.基于AT89S52的火災(zāi)報警系統(tǒng)設(shè)計［J］.信息系統(tǒng)工程，2015（09）.

［4］張開生，陳明澤.基于M2M技術(shù)的礦區(qū)環(huán)境監(jiān)測平臺研究［J］.工礦自動化，2013（01）.

［5］黃海軍，黃金林，聶章龍，王宜懷.基于MC9S08GB60芯片的DS18B20測溫系統(tǒng)設(shè)計［J］.江蘇技術(shù)師范學(xué)院學(xué)報，2007（02）.