基于ZigBee和以太網(wǎng)的學(xué)生宿舍火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

卞勇

摘 要： 利用傳感器技術(shù)對(duì)環(huán)境中的煙霧、一氧化碳、溫度等常見(jiàn)的環(huán)境量進(jìn)行檢測(cè)并采集，通過(guò)Zigbee和以太網(wǎng)將采集到的數(shù)據(jù)傳遞至網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，經(jīng)過(guò)處理后通過(guò)串口通信模塊傳至系統(tǒng)處理器。實(shí)驗(yàn)證明，該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳遞和處理質(zhì)量可靠，能滿足學(xué)生宿舍火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警的各種要求。

關(guān)鍵詞： 火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警； ZigBee； 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)

中圖分類(lèi)號(hào)： TU 892 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)： 1671-2153（2016）02-0092-03

0 引 言

目前，Zigbee技術(shù)在火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)中的運(yùn)用是選用Zigbee網(wǎng)絡(luò)使用星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并運(yùn)用Zigbee協(xié)調(diào)器形成網(wǎng)絡(luò)。Zigbee終端把采集的學(xué)生宿舍環(huán)境量發(fā)給Zigbee協(xié)調(diào)器， Zigbee協(xié)調(diào)器再通過(guò)串口把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給處理器，處理器軟件收到數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)和正常數(shù)值進(jìn)行對(duì)比，如發(fā)現(xiàn)有異常，立即發(fā)出警報(bào)。

1 傳統(tǒng)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)中存在的弊端

在火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)中， 由于大部分Zigbee網(wǎng)絡(luò)選用的是星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)， Zigbee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)不可能無(wú)限大，在網(wǎng)絡(luò)中的子節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)最多為255個(gè)節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)太多時(shí)， Zigbee協(xié)調(diào)器就會(huì)面臨嚴(yán)峻的考驗(yàn)。協(xié)調(diào)器要處理的請(qǐng)求數(shù)增加， 由于協(xié)調(diào)器的能力有限，這樣勢(shì)必會(huì)增加延遲處理節(jié)點(diǎn)的概率，不能有效地對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)的控制。在Zigbee的網(wǎng)絡(luò)中， Zigbee節(jié)點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)之間的通信距離有限，芯片CC2430在不加天線的情況下，發(fā)送距離為10 m；Zigbee節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間的無(wú)線信號(hào)對(duì)穿透障礙物有極大的衰減。

2 自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)中組網(wǎng)模式改進(jìn)設(shè)計(jì)

2.1 Zigbee網(wǎng)絡(luò)和以太網(wǎng)異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

針對(duì)Zigbee組網(wǎng)在火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)應(yīng)用中存在的問(wèn)題，本文提出了Zigbee加以太網(wǎng)的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)（圖1）。對(duì)外遵循傳統(tǒng)的火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)，通過(guò)Web服務(wù)器與外部Internet進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信，內(nèi)部是Zigbee和以太網(wǎng)組成的異質(zhì)網(wǎng)。

Zigbee和以太網(wǎng)的異質(zhì)網(wǎng)由兩個(gè)部分組成：傳統(tǒng)以太網(wǎng)和Zigbee網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)。以太網(wǎng)以有線的形式存在，容易穿透障礙物，Zigbee無(wú)線網(wǎng)解決空曠地帶網(wǎng)絡(luò)傳輸，這樣就很容易解決Zigbee網(wǎng)絡(luò)中存在的不足，取長(zhǎng)補(bǔ)短。

2.2 異質(zhì)網(wǎng)單個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

ZigBee和以太網(wǎng)的異質(zhì)網(wǎng)從物理上劃分為很多的單個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)由1個(gè)單獨(dú)的ZigBee網(wǎng)絡(luò)和以太網(wǎng)模塊組成， 各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間通過(guò)交換器相互連接在一起。在每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中，把ZigBee網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器和以太網(wǎng)模塊設(shè)計(jì)在一個(gè)PCB板子上，并將這個(gè)PCB板設(shè)為基站，其中協(xié)調(diào)器和以太網(wǎng)模塊通過(guò)串口相互連接，節(jié)點(diǎn)下面ZigBee的終端通過(guò)無(wú)線跟協(xié)調(diào)器相互連接（如圖2所示）。

3 火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)主要是通過(guò)溫度、煙霧、CO傳感器將環(huán)境量傳至Zigbee協(xié)調(diào)器，經(jīng)Zigbee協(xié)調(diào)器通過(guò)串口將數(shù)據(jù)傳給以太網(wǎng)節(jié)點(diǎn)（LM3S9B92），再經(jīng)過(guò)交換機(jī)等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備最終傳給處理器，處理器會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，判斷是否要發(fā)給GSM模塊進(jìn)行發(fā)送或者報(bào)警，另外還要處理來(lái)自監(jiān)控中心的指令和保安的查詢指令等，并且要控制其他硬件平臺(tái)。系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

3.1 處理器模塊

根據(jù)比較和設(shè)計(jì)的需求，該系統(tǒng)使用TI的MSP430，這款處理器處理能力強(qiáng)，保證了其編出高效的源程序；運(yùn)算速度快，能實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)處理的FFT算法等；功耗低，在RAM保護(hù)模式下可達(dá)到0.1μA。

3.2 Zigbee模塊

本系統(tǒng)使用CC2430 為ZigBee 模塊的核心芯片，它是基于2.4G IEEE 802.15.4 的芯片，可以以較低的成本建立強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，擁有領(lǐng)先的射頻收發(fā)器功能，有較高的靈敏度和抗干擾能力，適用于ZigBee系統(tǒng)設(shè)計(jì)、家居自動(dòng)化、工業(yè)控制、低功耗傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）等多個(gè)領(lǐng)域。

3.3 傳感器模塊

溫度傳感器選用TI 公司推出的具備SMBus/ 雙線串行接口的低功耗數(shù)字溫度傳感器TMP102，該器件采用SOT563 封裝，包含引線的高度僅為0.6 mm。無(wú)需其他外部元件，TMP102 便可以讀取分辨率為0.0625 ℃的溫度；煙霧傳感器選用離子式煙霧傳感器，它在內(nèi)外電離室里面有放射源镅241，電離產(chǎn)生的正、負(fù)離子，在電場(chǎng)的作用下各自向正負(fù)電極移動(dòng)；CO 傳感器選用MQ-7 一氧化碳?xì)怏w傳感器作為CO檢測(cè)元件，這種氣體傳感器對(duì)CO 響應(yīng)的選擇性好，并具有很高的靈敏度、可靠的穩(wěn)定性和長(zhǎng)期的使用壽命，可檢測(cè)多種含CO 的氣體。

3.4 以太網(wǎng)節(jié)點(diǎn)

以太網(wǎng)節(jié)點(diǎn)選用TI公司的LM3S9B92， LM3S9B92中集成了以太網(wǎng)控制器，它的外設(shè)有無(wú)線收發(fā)模塊、液晶顯示屏模塊、EEPROM、RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片以及電源、看門(mén)狗、JTAG調(diào)試接口等外圍電路。Zigbee網(wǎng)絡(luò)與以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的連接是通過(guò)Zigbee的協(xié)調(diào)器串口和LM3S9B92的串口相連接，如圖2所示。

3.5 GSM模塊

GSM模塊是一個(gè)支持中文短信息的工業(yè)級(jí)模塊，該模塊性能穩(wěn)定、價(jià)格低廉，可傳輸語(yǔ)音和數(shù)據(jù)信號(hào)，作為T(mén)C35i的核心基帶處理器主要處理GSM終端內(nèi)的語(yǔ)音和數(shù)據(jù)信號(hào)，并涵蓋了蜂窩射頻設(shè)備中的所有模擬和數(shù)字功能。本系統(tǒng)中MSP430 處理器通過(guò)自帶UART 模塊實(shí)現(xiàn)與GSM 模塊（TC35i 模塊） 的串行通信。

4 火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)軟件流程設(shè)計(jì)

監(jiān)控系統(tǒng)的工作流程是由集成傳感器采集數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)上傳至Zigbee協(xié)調(diào)器，經(jīng)過(guò)串口RS232傳至以太網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，經(jīng)過(guò)交換機(jī)最終上傳到處理器，處理器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比較，如果采集的數(shù)據(jù)超過(guò)設(shè)定值，單片機(jī)將驅(qū)動(dòng)發(fā)光報(bào)警，并將信號(hào)通過(guò)GSM發(fā)給當(dāng)值保安。系統(tǒng)主程序流程如圖4所示。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)一種基于ZigBee和以太網(wǎng)技術(shù)的學(xué)生宿舍火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)。系統(tǒng)使用Zigbee無(wú)線技術(shù)加以太網(wǎng)有線傳輸實(shí)現(xiàn)火災(zāi)傳感器信號(hào)的傳輸，有效地克服了Zigbee技術(shù)上傳輸距離短、穿透衰減大等缺點(diǎn)，采用的CC2430 和MSP430 功耗低，能夠滿足分布式消防系統(tǒng)的實(shí)用要求，市場(chǎng)化成本低，有效的減少了火災(zāi)對(duì)學(xué)生生命財(cái)產(chǎn)的危害的可能性，提高了消防系統(tǒng)的智能化水平。

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（責(zé)任編輯：徐興華）