基于ZigBee技術(shù)多層住宅無線消防報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

李長(zhǎng)明 ，楊小天

(1.吉林建筑大學(xué)電氣與電子信息工程學(xué)院，吉林長(zhǎng)春130118;2.長(zhǎng)春師范大學(xué)后勤管理處，吉林長(zhǎng)春130032)

在我國，傳統(tǒng)的多層住宅火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)以總線型火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)居多，此系統(tǒng)設(shè)計(jì)起來需要考慮的因素很多。施工時(shí)需要使用大量管線，工程造價(jià)高，同時(shí)系統(tǒng)抵抗外界干擾能力弱，工程施工及系統(tǒng)維護(hù)任重而道遠(yuǎn)，遇有特殊情況發(fā)生時(shí)，還需要破壞建筑物表面及結(jié)構(gòu)。在安裝過程中時(shí)常發(fā)生電線保護(hù)層被損壞而導(dǎo)致的短路問題，況且管線隨著時(shí)間的推移，難免會(huì)出現(xiàn)老化、破損等現(xiàn)象，誤報(bào)和故障時(shí)有發(fā)生。同時(shí)還存在監(jiān)控區(qū)間和容量小、組網(wǎng)窗口過于死板、人機(jī)交互界面簡(jiǎn)易、可靠性較不強(qiáng)、響應(yīng)速度遲緩等現(xiàn)象，若一處出現(xiàn)問題，整個(gè)系統(tǒng)將處于半癱瘓狀態(tài)［1］。因此，原始的多層住宅火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)已經(jīng)不能很好地滿足當(dāng)前人們對(duì)于消防安全的需求。本設(shè)計(jì)采用溫度傳感器、CO傳感器、煙霧傳感器等組建的ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)通過加權(quán)算法來判定火災(zāi)是否發(fā)生，能夠從根本上解決了上述問題。

1 基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

1.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由大量具有無線通信、傳感、數(shù)據(jù)處理能力的成本低廉、體積瘦小的傳感器節(jié)點(diǎn)組成，傳感器節(jié)點(diǎn)由若干功能模塊組成，包括傳感單元、處理單元、收發(fā)單元、電源單元［2］。無線傳感器網(wǎng)不僅具有AdHoc網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)性、電源能力局限性和斷接性，還具有如下特點(diǎn):(1)在一個(gè)很廣闊的空間或一個(gè)狹窄的空間都放置成千上萬的傳感器節(jié)點(diǎn)的大規(guī)模網(wǎng)絡(luò);(2)能夠在事先無法預(yù)料相鄰節(jié)點(diǎn)位置的前提下，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)地配置、管理與轉(zhuǎn)發(fā)檢測(cè)到的數(shù)據(jù)的自組織網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn);(3)由于節(jié)點(diǎn)具有有限的通信距離，因此每個(gè)節(jié)點(diǎn)既可以發(fā)起信息又可以轉(zhuǎn)發(fā)信息的多條路由;(4)節(jié)點(diǎn)的環(huán)境改變、電量的變化、通電的時(shí)斷時(shí)續(xù)等，都會(huì)成為這個(gè)節(jié)點(diǎn)加入和退出該網(wǎng)絡(luò)的理由的網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)性;(5)傳感器的自組織和動(dòng)態(tài)性特點(diǎn)決定了節(jié)點(diǎn)編號(hào)與傳感器的動(dòng)態(tài)關(guān)系，與位置沒有必然的聯(lián)系，都是以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò);(6)傳感器網(wǎng)絡(luò)和傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)是不同的，每一種應(yīng)用場(chǎng)景都需要不同的面向應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)。

1.2 ZigBee 技術(shù)

1.2.1 ZigBee 技術(shù)特點(diǎn)

(1)具有數(shù)據(jù)傳輸可靠性。屬于共享信道的無線通信，相對(duì)于有線網(wǎng)絡(luò)有較多的安全威脅，ZigBee將IEEE 802.15.4協(xié)議應(yīng)用在其PHY和MAC層，通過使用傳輸數(shù)據(jù)為帶時(shí)隙和不帶時(shí)隙的載波檢測(cè)多址訪問與沖突避免的方法，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩院涂煽啃裕?］。

(2)極低的成本和較低功耗。由于具有簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，ZigBee技術(shù)對(duì)運(yùn)行環(huán)境要求很低。因此，可以采用8－bit MCU和小的存儲(chǔ)器作為通信控制器，從很大程度上降低了成本。ZigBee具有很低的功耗，因?yàn)槠湫酒哂性O(shè)置節(jié)點(diǎn)的定時(shí)運(yùn)行和定時(shí)休眠的功能，當(dāng)系統(tǒng)需要時(shí)自動(dòng)開啟，不需要時(shí)自動(dòng)關(guān)閉，大大節(jié)省了系統(tǒng)的功耗和電池的儲(chǔ)能。

(3)高安全性。為了提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?，可以使用AES128加密技術(shù)，但是對(duì)于初級(jí)階段，安全性問題可以不予考慮。

(4)低數(shù)據(jù)速率。無線控制系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院桶踩浴⑾到y(tǒng)功耗的成本等方面有著特殊的要求，而目前的無線網(wǎng)路協(xié)議并沒有很好地解決這些特殊的要求。其傳輸速率會(huì)隨著工作頻段的不同而變化，但是都比較低。

(5)組網(wǎng)方式的多樣性和靈活性。ZigBee技術(shù)具有靈活的組網(wǎng)方式，既可以接受樹簇型組網(wǎng)和星型組網(wǎng)，還可以接受對(duì)等組網(wǎng)，數(shù)據(jù)傳輸既可以采用單跳方式，也可以采用多跳方式。

1.2.2 系統(tǒng)的功能

原始的多層住宅火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)具有如下功能:(1)當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時(shí)，運(yùn)行火災(zāi)報(bào)警功能;(2)當(dāng)個(gè)別線路或者某個(gè)設(shè)備發(fā)生故障后，啟動(dòng)故障報(bào)警功能;(3)進(jìn)行火災(zāi)報(bào)警時(shí)，消防監(jiān)控室內(nèi)顯示具體的報(bào)警時(shí)間、地點(diǎn)等信息;(4)打印出消防監(jiān)控室顯示器上顯示具體的報(bào)警時(shí)間、地點(diǎn)等信息。

數(shù)據(jù)庫功能在本設(shè)計(jì)中得到了擴(kuò)展，在數(shù)據(jù)庫中存儲(chǔ)可以供用戶和消防部門隨時(shí)查詢的與火災(zāi)相關(guān)的一些信息，并作出系統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)，本系統(tǒng)功能如下:(1)通過傳感器監(jiān)測(cè)和采集火災(zāi)信息的功能;(2)通過使用ZStack傳輸協(xié)議來發(fā)送無線信息的功能;(3)通過使用加權(quán)算法來判斷火災(zāi)是否發(fā)生的數(shù)據(jù)處理功能;(4)火災(zāi)報(bào)警功能;(5)隨時(shí)查看火災(zāi)歷史記錄功能。

2 系統(tǒng)硬件和軟件的設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

CC2530芯片均采用增強(qiáng)型C8051內(nèi)核，具有2.4GHz IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)射頻收發(fā)器，有特殊功能寄存器、數(shù)據(jù)、代碼/外部數(shù)據(jù)三個(gè)不同的存儲(chǔ)器訪問總線［3］。CC2530的Flash具有25KB、26KB、27KB、28KB容量的選擇性，開發(fā)環(huán)境為高集成且符合IAR標(biāo)準(zhǔn)，功能圖如圖1所示。

圖1 CC2530功能圖

該設(shè)計(jì)電路主要為:達(dá)拉斯公司生產(chǎn)的DS18B20溫度傳感器、CO傳感器和煙霧傳感器電路、CC2530模塊、2.4G無線收發(fā)器和電源等。此外，還有DS18B20溫度傳感器模塊、CO傳感器模塊、煙霧傳感器模塊、3.3V轉(zhuǎn)5V升壓模塊、傳感器模塊、GSM模塊。系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖如圖2。

圖2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

2.2 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要分為上位機(jī)和下位機(jī)軟件，由上位機(jī)組建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通過使用Z－Stack協(xié)議來驅(qū)動(dòng)CC2530芯片系統(tǒng)，下位機(jī)包括客戶終端和消防監(jiān)控中心的監(jiān)控系統(tǒng)。ZigBee由協(xié)調(diào)器、路由器及終端節(jié)點(diǎn)組成，各部分在所在的網(wǎng)絡(luò)中各司其職。

(1)ZigBee協(xié)調(diào)器的軟件設(shè)計(jì)。協(xié)調(diào)器的主要作用有:一是組織及建立整個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò);二是管理無線傳感器網(wǎng)絡(luò);三是確定數(shù)據(jù)通信過程中使用的信道;四是將16位的短地址給其子節(jié)點(diǎn)分配;五是數(shù)據(jù)的收集和數(shù)據(jù)信息的發(fā)送。在本系統(tǒng)中，協(xié)調(diào)器除了具備以上的功能之外，還要完成與PC機(jī)之間的交互，實(shí)現(xiàn)觸發(fā)短息報(bào)警器以及發(fā)送消防火災(zāi)報(bào)警信息的功能［4］。另外，還需要對(duì)協(xié)調(diào)器指示燈進(jìn)行如下配置:火災(zāi)發(fā)生時(shí)紅燈亮，接收到火災(zāi)信息時(shí)綠燈亮，組網(wǎng)成功時(shí)黃燈亮。

(2)ZigBee路由器及終端節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)。ZigBee路由器節(jié)點(diǎn)的程序和終端節(jié)點(diǎn)的程序大同小異，但路由器在功能上可為子節(jié)點(diǎn)及協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)傳遞相關(guān)數(shù)據(jù)。路由節(jié)點(diǎn)通過函數(shù)的調(diào)用，完成自我檢查功能，當(dāng)檢測(cè)到有可以連接的節(jié)點(diǎn)時(shí)，首先判斷其為終端節(jié)點(diǎn)還是相鄰節(jié)點(diǎn)，如果為相鄰節(jié)點(diǎn)，則直接執(zhí)行數(shù)據(jù)的傳輸;如果是終端節(jié)點(diǎn)，則檢測(cè)路由器來完成該節(jié)點(diǎn)的匹配，運(yùn)行成功后進(jìn)入循環(huán)通信階段。若遇有按鍵，鍵入該節(jié)點(diǎn)，則發(fā)出退出該網(wǎng)絡(luò)的請(qǐng)求，下一次收到通信節(jié)點(diǎn)反饋信息后執(zhí)行退出網(wǎng)絡(luò)。如果沒有線路和設(shè)備故障及火災(zāi)發(fā)生，則發(fā)送正常信息給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，若收到由傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送的火災(zāi)信息，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)則發(fā)送火災(zāi)警報(bào)［5］。

3 結(jié)語

本設(shè)計(jì)在避免出現(xiàn)漏報(bào)及誤報(bào)的前提下，給出家庭火災(zāi)監(jiān)測(cè)及報(bào)警方面的設(shè)計(jì)，即基于ZigBee技術(shù)的多層住宅無線消防報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)不僅穩(wěn)定可靠，而且能夠及時(shí)準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)火災(zāi)的發(fā)生并報(bào)警。

［1］姚小龍.基于ZigBee無線消防報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.西安:西安電子科技大學(xué)，2012:1－3.

［2］郭淵博，楊奎武，趙儉，等.ZigBee技術(shù)與應(yīng)用［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2010:3－7.

［3］王小強(qiáng)，歐陽駿，黃寧淋，等.ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2015:5－6.

［4］尉志武.基于ZigBee的家庭火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［D］.太原:太原理工大學(xué)，2012:43－50.

［5］王玨.基于ZigBee技術(shù)的消防報(bào)警及定位系統(tǒng)的研究［D］.太原:太原理工大學(xué)，2012:45－51.