基于ZigBee的無線火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)

任麗棉

（唐山學(xué)院 信息工程系，河北 唐山063000）

隨著科技進(jìn)步和生活水平的提高，人們越來越注意自身和財(cái)產(chǎn)安全的防護(hù)?；馂?zāi)是危害人類生存的大敵，一直受到人們的重視。現(xiàn)在常使用的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)，大多數(shù)采用的是有線技術(shù)形成的火災(zāi)傳感器網(wǎng)絡(luò)，這種基于明線的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)技術(shù)已經(jīng)趨于成熟，但是此報(bào)警系統(tǒng)其通信方式的擴(kuò)展性能較差，而且布線十分繁瑣，因?yàn)槊骶€連接既不美觀，線路又容易老化，易被腐蝕、磨損或者遭到老鼠啃咬等損壞，因此明線報(bào)警系統(tǒng)故障發(fā)生率和誤報(bào)警率很高［1－2］。為了避免類似的問題，可以采用無線傳輸方式構(gòu)建無線火災(zāi)報(bào)警網(wǎng)絡(luò)。本設(shè)計(jì)將ZigBee技術(shù)應(yīng)用到火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)中，從基于系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求、工作原理著手［3－4］，給出系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本次設(shè)計(jì)主要目的是實(shí)現(xiàn)一個(gè)基于ZigBee技術(shù)的無線火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有如下功能：

（1）傳感器節(jié)點(diǎn)的自動(dòng)組網(wǎng)與信息登記。傳感器所在節(jié)點(diǎn)即終端節(jié)點(diǎn)在進(jìn)入到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的組網(wǎng)范圍內(nèi)時(shí)能夠加入到協(xié)調(diào)器網(wǎng)絡(luò)，在人機(jī)友好交互界面上，能夠?qū)崟r(shí)顯示該終端節(jié)點(diǎn)所處的位置以及該位置的溫度。

（2）人機(jī)友好交互界面。為了能更方便地操控該系統(tǒng)，需設(shè)計(jì)交互界面。交互界面中包含以下內(nèi)容：每個(gè)節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)的溫度監(jiān)控，以方便看到所有節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)溫度；每個(gè)節(jié)點(diǎn)的位置登記，在發(fā)生火災(zāi)時(shí)能夠迅速確定火災(zāi)位置；報(bào)警顯示，當(dāng)溫度大于警戒值時(shí)，能夠提醒操控者發(fā)生了火災(zāi)。

（3）火災(zāi)報(bào)警及控制。在無線火災(zāi)覆蓋網(wǎng)絡(luò)中發(fā)生災(zāi)情時(shí)，無線火災(zāi)網(wǎng)絡(luò)的傳感器節(jié)點(diǎn)能夠迅速地將火災(zāi)報(bào)警信號傳送給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，而協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)將信息傳送到上位機(jī)，并在上位機(jī)友好界面上實(shí)時(shí)顯示，提醒操控者進(jìn)行必要的控制。

要實(shí)現(xiàn)以上功能，系統(tǒng)需包含中心協(xié)調(diào)器、終端傳感器節(jié)點(diǎn)，以及上位機(jī)控制界面。終端傳感器節(jié)點(diǎn)采用火災(zāi)報(bào)警最常用的溫感傳感器，因?yàn)闇馗袀鞲衅骶哂行阅芊€(wěn)定、采集實(shí)時(shí)的特點(diǎn)；中心協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)整個(gè)無線火災(zāi)報(bào)警網(wǎng)絡(luò)的控制，即負(fù)責(zé)與各個(gè)終端節(jié)點(diǎn)的通信，采集終端節(jié)點(diǎn)的信息，并發(fā)送給上位機(jī)；上位機(jī)對接收的信息進(jìn)行加工處理，從而實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)包括，無線收發(fā)模塊通過無線組網(wǎng)方式實(shí)現(xiàn)各傳感器節(jié)點(diǎn)的連接，傳感器模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，以及微處理器模塊進(jìn)行整個(gè)信息的綜合和處理。本設(shè)計(jì)的微處理器模塊采用CC2430芯片，傳感器模塊則使用溫濕度傳感器SHT10，并使用多功能仿真器進(jìn)行控制程序的下載，以及使用UART串行接口進(jìn)行協(xié)調(diào)器與上位機(jī)間的通信。

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)由無線收發(fā)模塊、CC2430芯片以及串行接口組成，主要功能是組網(wǎng)，并且能夠接收所有節(jié)點(diǎn)的溫度信息，隨后將接收到的溫度值上傳至上位機(jī)進(jìn)行處理。硬件框圖如圖2所示。

圖2 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器硬件框圖

傳感器終端節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)采集各個(gè)節(jié)點(diǎn)的溫度，并將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地傳送給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。該節(jié)點(diǎn)主要由收發(fā)模塊、CC2430主控芯片以及SHT10溫濕度傳感器組成，硬件框圖如圖3所示。

圖3 傳感器終端節(jié)點(diǎn)硬件框圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)操控界面實(shí)現(xiàn)對各個(gè)節(jié)點(diǎn)所采集溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)控、發(fā)生火災(zāi)時(shí)發(fā)出警報(bào)以及撲滅火災(zāi)時(shí)能夠解除警報(bào)等功能。

控制程序是在IAR Embedded Workbench開發(fā)環(huán)境中編寫的，使用燒寫軟件Smartrf flash programmer進(jìn)行仿真和下載，程序分為協(xié)調(diào)器程序和終端節(jié)點(diǎn)程序。

3．1 人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)

上位機(jī)操控界面是基于Lab VIEW 8．6編寫的［5］，如圖4所示。在發(fā)生火災(zāi)時(shí)，傳感器節(jié)點(diǎn)溫度升高，達(dá)到警報(bào)溫度，報(bào)警燈變亮，與此同時(shí)“發(fā)生火災(zāi)的地址”欄會(huì)顯示出發(fā)生火災(zāi)的位置（本設(shè)計(jì)以房間號為例），以此提醒人們要采取必要措施去撲滅火災(zāi)。當(dāng)火災(zāi)撲滅時(shí)，按下“解除警報(bào)”，則警報(bào)解除。

圖4 上位機(jī)操控界面

3．2 終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

終端節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)的功能是進(jìn)行節(jié)點(diǎn)所在位置的實(shí)時(shí)溫度采集，并將采集到的溫度通過無線發(fā)送模塊實(shí)時(shí)地發(fā)送到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)上，以便傳到上位機(jī)進(jìn)行處理。因此在本系統(tǒng)中，終端節(jié)點(diǎn)由CC2430芯片集成塊和SHT10溫濕度傳感器集成塊組成。CC2430通過二排線數(shù)字串行接口和SHT10傳感器進(jìn)行通信。終端節(jié)點(diǎn)被打開時(shí)，首先進(jìn)行初始化，然后嘗試加入網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)收到外部中斷即接收到采集的溫度時(shí)會(huì)給SHT10發(fā)送查詢指令，等待SHT10數(shù)據(jù)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，而后進(jìn)行并行數(shù)據(jù)發(fā)送，當(dāng)發(fā)送完畢后繼續(xù)進(jìn)入休眠狀態(tài)，同時(shí)等待外部中斷，有請求時(shí)會(huì)再次被激活。

3．3 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的核心，主要功能是控制指令的發(fā)送和執(zhí)行，信息的接收、匯總、處理以及網(wǎng)絡(luò)的建立。當(dāng)協(xié)調(diào)器完成初始化后，首先掃描選擇一個(gè)空閑信道，并設(shè)定一個(gè)隨機(jī)的PAN標(biāo)識符，然后對外發(fā)布廣播幀，同時(shí)接收其他子節(jié)點(diǎn)的加入，從而建立起一個(gè)新網(wǎng)絡(luò)。在無線網(wǎng)絡(luò)建成后，就可以開始進(jìn)行各種操作指令的執(zhí)行和數(shù)據(jù)的收發(fā)工作。

3．3．1 建立網(wǎng)絡(luò)

網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器通過aplForm Network（）函數(shù)建立網(wǎng)絡(luò)，在完成組網(wǎng)后進(jìn)入有限狀態(tài)機(jī)，同時(shí)通過調(diào)用apsFSM（）函數(shù)運(yùn)行協(xié)議棧。當(dāng)協(xié)調(diào)器在完成函數(shù)apl Form Network（）的調(diào)用后，可以通過調(diào)用aplGetStatus（）函數(shù)來確認(rèn)當(dāng)前的調(diào)用能不能完美實(shí)現(xiàn)，如果調(diào)用成功，則返回顯示字符串LRWPAN＿STATUS＿SUCCESS；如果操作不當(dāng)導(dǎo)致調(diào)用失敗，就會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤代碼，所有的錯(cuò)誤代碼都可以在stack／src／lrwpan＿common＿types．h文件中找到。主要程序代碼如下：

main（）｛

halInit（）； ／／初始化 HAL層

evbInit（）； ／／初始化評估板

aplInit（）； ／／初始化協(xié)議棧中的其他部分

ENABLE＿GLOBAL＿INTERRURT（）； ／／開啟所有中斷的使能端

aplForm Network（）； ／／組建網(wǎng)絡(luò)

while（apsBusy（））｛apsFSM（）；｝／／等待，網(wǎng)絡(luò)建立后apsBusy（）返回false

while（1）｛apsFSM（）；｝ ／／有限狀態(tài)機(jī)運(yùn)行堆棧

｝

3．3．2 傳送數(shù)據(jù)

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器收到數(shù)據(jù)包后，首先進(jìn)行分析處理，然后通過串行接口傳送給上位機(jī)。其部分程序代碼如下：

LRWPAN ＿STATUS＿ENUM usrRxPacketCallback（void）｛

byte＊tem；

byte payload＿up［25］；

byte len，i；

if（aplGetRx DstEp（）＝＝ 203）｛／／check dst endpoint

tem ＝aplGetRx MsgData（）；

len＝aplGetRx Msg Len（）；

if（tem［0］＝＝0xff）

｛

conPrintDec（tem［1］）；

｝

｝

return（LRWPAN＿STATUS＿SUCCESS）；

4 結(jié)論

本系統(tǒng)將ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)和Lab VIEW結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了無線火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)成本低、功耗小，省去了布線的困擾，而且具有很強(qiáng)的可擴(kuò)展性，適用于如高校宿舍、商場等多種場所的火災(zāi)防控?；馂?zāi)發(fā)生時(shí)，由于系統(tǒng)能夠發(fā)出警報(bào)，提供發(fā)生火災(zāi)的準(zhǔn)確地點(diǎn)，因此，有助于及時(shí)發(fā)現(xiàn)火災(zāi)，使相關(guān)人員及時(shí)準(zhǔn)確地趕到火災(zāi)現(xiàn)場進(jìn)行滅火。

［1］ 劉長安．火災(zāi)報(bào)警通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］．沈陽：東北大學(xué)，2007．

［2］ 張翔．基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)研究［J］．防災(zāi)科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2011，13（1）：51－54．

［3］ 董朋濤．基于ZigBee的無線網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)及可靠性研究［D］．武漢：華中師范大學(xué)，2013．

［4］ 李明亮，蒙洋，康輝英．例說ZigBee［M］．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2013：15－20．

［5］ 章佳榮，王璨，趙國宇．精通Lab VIEW虛擬儀器程序設(shè)計(jì)與案例實(shí)現(xiàn)［M］．北京：人民郵電出版社，2013：18－35．