ZigBee技术在消防联动应急系统中的应用

马广程，赵 彬，刘克平

（长春工业大学 电气与电子工程学院，吉林 长春 130012）

0 引 言

随着传感器技术、网络技术、无线通信技术以及嵌入式系统的不断发展和日臻完善，多种无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，WSN）覆盖了人们的生活。其中ZigBee无线传感器网络以其经济、高效、可靠等优点，逐渐成为当代跨多学科的前沿热点研究领域。由于消防联动应急系统对于网络实时性、可靠性、组网和路由性等特性要求较高，而对数据传输速率要求不高。因此低功耗、低成本、低速率、短距离、短延时、高网络容量、高可靠性的ZigBee总线特别适合作为消防联动应急系统的无线网络传输总线。传统的消防应急设备无法实现与消防应急指挥中心之间的实时信息通信，发生火灾时，消防应急指挥中心无法实时得到现场的确切消息，文中提出一种基于ZigBee总线技术的无线网络解决方案。

1 几种近距离无线通信技术的比较

为了不断满足人们对无线传感器网络提出的多样化要求，ZigBee，Wi－Fi（Wireless Fidelity，无线保真）、Bluetooth（蓝牙）、IrDA（红外线数据通信）、UWB（Ultra Wideband，超宽带通信）、NFC（Near Field Communication，近场通信）等6种近距离无线通信技术相继涌现，发展潜力巨大［1］。

几种近距离无线通信技术的比较见表1。

表1 近距离无线通信技术的比较

由表1可以看出，ZigBee技术在工作频段、网络节点数量、功耗以及成本等方面具备独特的优势，尤其满足传输数据量不大的应用场合，因此，已经成为自动化监测控制领域的应用研究热点。

2 ZigBee技术概述

2.1 ZigBee技术起源

ZigBee技术是一组近年来新晋的基于IEEE 802.15.4无线标准制定的近距离无线通信技术，它的商业化命名源自于一种蜜蜂采蜜时独特的通信方式。ZigBee Alliance于2002年8月正式成立，第一份ZigBee技术规范已于2005年6月发布。目前ZigBee Alliance已获得了包括Motorola，Philips，Mitsubishi，Invensys等100多家国际上信息技术产业领域知名公司的加盟和支持，并一直处于迅速普及和高速发展阶段［2－3］。

2.2 ZigBee无线传感器网络的特征

根据ZigBee技术的基本参数，ZigBee无线传感器网络具有如下主要特征［4－6］。

2.2.1 免注册的工作频段

ZigBee技术工作在ISM（工业、科学、医疗）频段，无授权限制，分别为全球公用的2.4GHz频段、北美和澳大利亚使用的915MHz频段、欧洲使用的868MHz频段，并且分配的27个工作信道具有3种通信速率。

2.2.2 低数据传输速率

典型的数据传输速率为20～250kbit／s，适用于低通信速率的监测和控制等应用场合，且可以灵活选择不同的数据传输速率以匹配不同的应用。传输速率在2.4GHz频段为250kbit／s，在915MHz频段为40kbit／s，在868MHz频段为20kbit／s。

2.2.3 低传输距离

两相邻网络节点之间典型的有效传输距离为10～75m，针对不同的工作模式，可以通过增加射频发射功率的方式使传输距离增加至几百米甚至上千米。

2.2.4 低功耗

通过在网络中采用“休眠”等一系列节能机制，显著降低功耗。标准的ZigBee无线传感器网络中，节点使用两节普通碱性电池可最多连续工作半年至两年的时间，并且低功耗器件同时有效节约了成本。

2.2.5 短时延

通过优化对时延敏感的应用，使网络具有快速的响应能力，只需15ms节点就可以从休眠状态激活转入工作状态，只需30ms节点就可以接入网络信道。

2.2.6 高可靠性

网络节点模块之间自动动态组网采用路径冗余、碰撞避免、应答重传、完全确认等机制，有效减少数据帧的竞争和冲突，保证了高可靠性数据传输。

2.2.7 高网络容量

具有大规模的组网能力，每个ZigBee无线传感器网络可以支持1个主控设备（Master Device）和254个从属设备（Slave Device），并且通过网络协调器（Network Coordinator）的接力传输，可以组建具有超过65 000个网络节点的无线网络，充分满足大规模传感器阵列的需要。

2.2.8 高安全性

具有三级灵活的安全性策略，第一级采用无安全性方式；第二级采用ACL（接入控制清单）方式阻止未经许可获得数据；第三级采用通用的128位AES（高级加密标准）算法加密数据。

2.2.9 灵活的组网方式

主从设备根据不同的应用场合可以灵活地采用星型（Star）网络、簇状（Cluster Tree）网络、网状（Mesh）网络等3种网络拓扑结构。

2.2.10 支持精简设备

支持具有49个基本参数的全功能设备（FFD）和38个基本参数的精简功能设备（RFD）。

2.3 协议栈模型

ZigBee技术采用分层结构的协议栈模型如图1所示。

图1 ZigBee协议栈模型

由图中可见，从上到下依次为应用层（APL）、网络层（NWK）、媒体访问控制层（MAC）、物理层（PHY），其中应用层是由用户应用程序框架、Zig－Bee设备对象（ZDO）、应用支持子层（APS）等3部分组成［7］。最底层的物理层和媒体访问控制层由IEEE 802.15.4－2003标准定义，上层的网络层和应用层由ZigBee Alliance在此基础上定义。

3 ZigBee技术在消防联动应急系统中的应用

未来的消防设备将以网络化、集成化、智能化、信息化的消防联动应急系统为发展方向。在目前的消防联动应急系统中，广泛采用双绞线电缆RS－485通信方式，该通信方式存在很多不足，例如，双绞线电缆很有可能在紧急情况发生时被烧毁或烧断，造成消防应急设备无法工作，紧急疏散指示标志无法开启，现场事故信息不能及时准确地反馈给应急人员，不便于事故的处理，这样人民群众的生命财产势必会遭受巨大损失。为了避免类似问题的出现，文中提出采用基于ZigBee总线的无线通信方式。由于消防联动应急系统具有对传输数据量及传输速率要求不高，而对网络实时性、可靠性、路由性、组网、能耗等要求较高的特性，因此，特别适合采用ZigBee总线作为无线网络传输总线。

3.1 系统硬件设计

ZigBee网络中定义了3种节点设备类型，分别为网络协调器（Coordinator）、网络路由器（Router）以及网络终端设备（End Device）［8］。文中采用簇状网络拓扑结构，具有设备功能清晰、结构简单、所需资源少、通信范围广等特点。在整个消防系统中，网络协调器为消防应急指挥中心，主要完成网络的建立及相关配置，由FFD设备构成，采用电力系统供电，并通过RS－232总线和PC机通信；网络路由器是以接力的方式转发网络报文的网络节点，由FFD设备构成，采用电池供电；网络终端设备为消防联动应急系统，可以接收和发送网络报文，负责控制消防应急设备以及向消防应急指挥中心传递事故信息，由RFD设备构成，采用电池供电。下面重点介绍对网络终端设备即消防联动应急系统的研究。

消防应急电源安装于供电系统中，正常情况下由市电供电、市电断电时，要求应急电源启动。其采用免维护的阀控式密封铅酸蓄电池（VRLAB）直流供电系统，根据不同功率选择适当的蓄电池节数和容量。消防应急电源正常工作的前提是蓄电池稳定正常运行，目前在消防应急电源系统中，监控蓄电池的状态主要是监控蓄电池的在线电压。文中设计研究具有ZigBee无线通信功能的智能消防联动应急控制系统，实现消防设备与消防应急指挥中心之间的实时信息通信，系统框图如图2所示。

其中，ZigBee无线通信单元选用德州仪器公司（TI）基于高度集成的2.4GHz IEEE 802.15.4协议片上系统（SoC）解决方案CC2430作为无线通信芯片。CC2430芯片采用小体积QLP48封装，集成了ZigBee射频收发芯片CC2420、高性能低功耗的8位8051MCU、8KB的SRAM、最高128KB的大容量Flash，128KB／s的高速无线通信接口以及强大的外设资源，仅需很少的低成本外部元件，结合先进的ZigBee协议栈Z－Stack，可以快速、方便、低成本地建立ZigBee节点，并且具有超低功耗、高射频灵敏度、高安全性、抗噪声及抗干扰能力等卓越的射频性能［9］。无线通信单元电路原理如图3所示。

图2 智能消防联动应急控制系统功能模块框图

图3 无线通信单元电路原理图

3.2 系统软件设计

系统软件采用TI Z－Stack免费协议栈，基于嵌入式集成开发环境IAR Embedded Workbench，运用 Texas Instruments SmartRF Flash Programmer软件完成对CC2430的Flash进行编程、修改物理地址等操作。ZigBee无线通信流程如图4所示。

图4 ZigBee无线通信流程

点对点通信时，节点通过将数据读取或写入RF的发送缓冲区（FIFO）中，自动完成数据的收发工作。下面是部分射频收发数据的程序代码。

发送数据代码：

4 结 语

ZigBee技术是一种专为低成本、低速率网络研究开发的标准无线网络协议，在监测控制领域具有其独特的优势。文中采用高度集成的CC2430SoC，基于TIZ－Stack协议栈，研究ZigBee技术在消防联动应急系统中的应用，提出一种ZigBee无线通信解决方案。目前，将ZigBee无线传输通信应用于消防联动应急系统在国内尚不多见，其拥有广阔的市场前景。

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