基于ZigBee的火災(zāi)檢測報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

吳妍 史夢陽 曹欣泉 楊嘯塵

摘 要：文章采用TI公司的CC2530為MCU，以Z-Stack協(xié)議棧作為軟件平臺，提出了一套基于ZigBee的火災(zāi)報(bào)警檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，該系統(tǒng)具有火災(zāi)信息的自動采集和實(shí)時信息查詢功能，并將協(xié)調(diào)器接收到的數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送給電腦。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)可以達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)，并具有結(jié)構(gòu)簡單、功耗低、性能好和體積小等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：ZigBee；Z-Stack協(xié)議棧；CC2530；火災(zāi)檢測系統(tǒng)

現(xiàn)有的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)，大多采用有線的方式建立傳感網(wǎng)絡(luò)。這種組網(wǎng)方案有擴(kuò)展性能差、布線繁瑣、不美觀等弊端。采用無線傳輸?shù)姆绞綐?gòu)建傳感器網(wǎng)絡(luò)可以解決以上問題。近幾年來開始興起的ZigBee技術(shù)可以非常好地承擔(dān)上述無線傳輸?shù)娜蝿?wù)。再者，將人工智能的相關(guān)技術(shù)應(yīng)用于ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，可以進(jìn)一步提高火災(zāi)檢測報(bào)警系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性。

1 關(guān)于ZigBee

1.1 ZigBee概念

ZigBee是一種完全符合IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的無線通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。短距離、低傳輸速率、低功耗和較高的傳輸可靠性是它最具代表性的特點(diǎn)。該協(xié)議所定義無線網(wǎng)絡(luò)主要工作在868 MHz，915 MHz和2.4 GHz等3個頻段。特別適用于較遠(yuǎn)距離信息傳輸和自動控制方面。

1.2 ZigBee的特點(diǎn)

1.2.1 高可靠性

對無線通信而言，電磁波在傳輸過程會受到多種因素干擾，故無線通信系統(tǒng)在數(shù)據(jù)傳輸過程中有不可靠性。ZigBee聯(lián)盟的專家們在制定規(guī)則時早已考慮到在數(shù)據(jù)傳輸過程中存在不穩(wěn)定性，他們采取了一系列的措施來提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕渲饕ǎ哼\(yùn)用CSMA-CA技術(shù)解決數(shù)據(jù)收發(fā)的沖突問題；使用CRC校驗(yàn)法確保數(shù)據(jù)可以準(zhǔn)確的傳到目的地址；在總體邏輯結(jié)構(gòu)方面，采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)保證數(shù)據(jù)可以通過不同傳輸路徑從源地址到達(dá)目的地址。

1.2.2 低價(jià)格、低功耗

目前TI公司推出的兼容ZigBee 2007協(xié)議的SOC芯片CC2530，每片價(jià)格在20～30元。我們只需要在芯片外圍搭一個濾波電路，再接一個PCB天線，一個簡易的ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)就制作完成。因?yàn)槠涔ぷ髦芷诙?、收發(fā)信息功率低，經(jīng)常會轉(zhuǎn)入休眠模式，所以使用兩節(jié)5號電池就可以支持普通的ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)工作1～2年，但不同的應(yīng)用對應(yīng)的功耗不同。

1.2.3 高安全性

在安全性方面，用戶可以采用AES-128加密技術(shù)對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行加密。

1.2.4 低傳輸速率

一般的無線通信系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的安全性、可靠性、功耗和成本方面都有特殊的要求。因此，目前的無線通信系統(tǒng)去了協(xié)議還不能夠很好地滿足以上要求。

2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，傳感器節(jié)點(diǎn)將檢測到的所有有關(guān)火災(zāi)的信息通過ZigBee無線通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到數(shù)據(jù)集中節(jié)點(diǎn)；數(shù)據(jù)集中節(jié)點(diǎn)將接收到的信息進(jìn)行數(shù)據(jù)融合處理，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的有關(guān)規(guī)則進(jìn)行決策；然后把數(shù)據(jù)集中節(jié)點(diǎn)將傳感器信息以及決策信息通過串口發(fā)送到計(jì)算機(jī)上位機(jī)并進(jìn)行顯示。

從網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)邏輯功能上看，ZigBee設(shè)備可以分為終端節(jié)點(diǎn)（end point）、路由器（router）、協(xié)調(diào)器（PAN coordinator）。根據(jù)設(shè)備的工作特點(diǎn)劃分，有可分為全功能設(shè)備（Full Function Device，F(xiàn)FD）、半功能設(shè)備。全功能設(shè)備可以扮演無線通信網(wǎng)絡(luò)中的任何一種角色，而半功能設(shè)備只能用作終端節(jié)點(diǎn)。再從邏輯結(jié)構(gòu)上分，數(shù)據(jù)集中節(jié)點(diǎn)在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)該充當(dāng)協(xié)調(diào)器；傳感器節(jié)點(diǎn)是終端節(jié)點(diǎn)。一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)最多可支持65535個節(jié)點(diǎn)，完全能夠滿足一般用戶的需求。

3 硬件設(shè)計(jì)

每個ZigBee節(jié)點(diǎn)的硬件部分都主要由3個模塊構(gòu)成：傳感器模塊、無線通信模塊和輔助功能模塊。傳感器模塊主要負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)；輔助功能模塊可以實(shí)現(xiàn)供電、串口收發(fā)等功能；無線通信模塊是本系統(tǒng)的核心，包括微控制單元和射頻收發(fā)單元，具有數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)收發(fā)的功能。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

主要微控制單元使用由TI公司生產(chǎn)的CC2530的8051內(nèi)核芯片，內(nèi)部包含2.4 GHz的射頻系統(tǒng)，是世界上少有的適用于ZigBee協(xié)議的真正意義上的片上系統(tǒng)SOC的解決方案。以CC2530芯片為基礎(chǔ)建立無線通信網(wǎng)絡(luò)不僅只需非常低的硬件材料成本，而且該芯片還具有低功耗的特點(diǎn)。此外，CC2530芯片還配備有8 kb的RAM和系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存（Flash）等許多強(qiáng)大的功能。

4 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的軟件部分的開發(fā)主要依托于TI公司推出Z-Stack協(xié)議棧，它通過IAR開發(fā)環(huán)境來進(jìn)行編程和下載。在IAR嵌入式系統(tǒng)開發(fā)軟件中，Z-Stack協(xié)議棧已經(jīng)被全部封裝好。作為使用者，只需把主要精力用在應(yīng)用層傳感器程序的編寫上。

4.1 協(xié)調(diào)器的軟件設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器是ZigBee網(wǎng)絡(luò)的核心部分，它的任務(wù)是創(chuàng)建、管理和組織ZigBee網(wǎng)絡(luò)，并且與其余的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，通過串口把信息發(fā)送到電腦上位機(jī)，軟件流程如圖3所示。

4.2 終端節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)

終端節(jié)點(diǎn)的任務(wù)是采集溫度、煙霧和火焰信息，并將這些信息發(fā)送至父節(jié)點(diǎn)（協(xié)調(diào)器），然后通過串口把數(shù)據(jù)傳入電腦，對火災(zāi)信息實(shí)施監(jiān)控。軟件流程如圖4所示。

開發(fā)者只需要將3種傳感器對應(yīng)的C語言代碼寫入Z-Stack協(xié)議棧的應(yīng)用層文件（SampleApp.c）中，然后再對每一個傳感器的代碼加以匹配Z-Stack協(xié)議棧的數(shù)據(jù)發(fā)送函數(shù)，燒錄到終端節(jié)點(diǎn)的CC2530芯片中，就可以實(shí)現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)無線發(fā)送。與之相對應(yīng)的，在協(xié)調(diào)器相關(guān)的程序中，則需要在應(yīng)用層文件（SampleApp.c）中加入Z-Stack協(xié)議棧寫好的接收函數(shù)，并寫好傳感器數(shù)據(jù)處理的相關(guān)算法。這樣，在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，就實(shí)現(xiàn)了協(xié)調(diào)器與終端節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)收發(fā)以及火災(zāi)報(bào)警，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象如圖5所示。

5 結(jié)語

通過實(shí)驗(yàn)我們可以得出結(jié)論，運(yùn)用以CC2530芯片為主要控制單元的基于ZigBee的火災(zāi)情況檢測報(bào)警系統(tǒng)，可以較為準(zhǔn)確而穩(wěn)定地進(jìn)行火災(zāi)情況檢測，并實(shí)現(xiàn)火災(zāi)報(bào)警的功能。