基于ZigBee的高校宿舍防火防盗监控系统设计

张 慧，王建华

（江苏科技大学 电子信息学院，江苏 镇江 212003）

目前，大多高校宿舍存在的主要问题有：1）火灾隐患；2）偷盗失窃问题。突出问题是火灾隐患问题，而火灾隐患具体体现在学生违章使用“热得快”、电饭煲等大功率用电器，宿舍内私拉电线以及吸烟等。为了减少事故的发生，必须对危险源和隐患进行监测预警，防患于未然。

传统的防火防盗监控系统大多为有线方式，由于有线网络固有的布线麻烦、可扩展性差等缺点，无线网络技术应用于监测系统已成为必然趋势。ZigBee技术的出现弥补了低成本、低功耗和低速率无线通信市场的空缺，在智能家居和商业楼宇自动化方面[1]，得到了广泛的应用。系统运用ZigBee技术，构成树状网络结构，可以一改传统有线监控系统的弊端，降低系统误报漏报率。设备可与多个RFD设备或多个其它FFD设备通信，而一个简化功能设备只能与一个FFD通信。ZigBee以一个个独立工作的节点为依托，通过无线通信组成星状、树状或网状网络[2]，如图1所示。本系统采用树状网结构，只有一个网络协调器节点，若干路由器和若干终端设备组成。

1 系统总体设计

1.1 ZigBee无线网络拓扑结构

在ZigBee网络中根据设备功能完整性可分为全功能（Full Function Device，FFD） 和简化功能 （Reduced Function Device，RFD）设备，其中全功能设备可作为协调器、路由器和终端设备，而简化功能设备只能用于终端设备。一个全功能

图1 ZigBee网络拓扑结构Fig.1 Network topology of ZigBee

1.2 系统结构图

该系统工作工程：终端节点选用TI公司生产的CC2530[3]，选DS18B20为温度传感器、MQ-2为烟雾传感器、HC-SR501为人体红外传感器对宿舍的环境进行实时监测[4-5]，传感器采集到的数据通过ZigBee无线网络从终端节点经过路由器传到控制中心室的协调器，管理中心为PC机，协调器通过RS232串口与PC机通信，该系统的结构框图如图2所示。

图2 系统结构框图Fig.2 Structure diagram of system

2 系统硬件设计

终端节点硬件电路主要为：处理器CC2530模块、传感器电路、天线模块、电磁阀、电源模块、LED指示模块、时钟模块。其硬件结构图如图3所示。

图3 终端节点硬件结构图Fig.3 The terminal node hardware structure diagram

路由器硬件包括处理器CC2530模块、时钟模块、天线模块、电源模块、LED指示模块。

协调器节点由电源模块、电源转换模块、按键模块、串口模块、LED指示灯、处理器CC2530模块、时钟模块、天线模块、蜂鸣器等9部分组成。

3 系统软件设计

3.1 IAR Embedded Workbench与Z-Stack

ZigBee协议栈的代码编译是在IAR集成开发环境中进行的，IAR Embedded Workbench（简称 EW）的 C/C++交叉编译器和调试器是当今世界最完整的和最容易使用的专业嵌入式应用开发工具[6]，它和各种仿真器、调试器紧密结合，使用户在开发和调试过程中，仅使用一种开发环境界面[7]，就可以完成多种微控制器的开发工作。

Z-Stack（又称作ZigBee 2007协议栈）是TI公司推出的基于CC2530的ZigBee协议栈[8]，该系统的设计采用协议栈版本为ZStack-2.3.0-1.4.0。在Z-Stack协议栈中，只需在应用层根据不同功能的需要编写实验程序，然后在Workspace下面的下拉列表框中分别选择 CoordinatorEB、RouterEB和EnddeviceEB节点类型进行程序的编译、调试和下载，使不同节点间实现无线通信。Z-Stack中提供的数据发送函数如下：

AfStatus_t AF_DataRequest（ afAddrType_t*dstAddr，

endPointDesc_t*srcEP，

uint16 cID，

uint16 len，

uint8*buf，

uint8*transID，

uint8 options，

uint8 radius）

用户调用该函数即可实现数据的无线发送。协调器对接收到的信息进行判断，如果是收到了无线数据，则调用SAMPLEAPP_MessageMSGCB（MSGpke）函数对接收的数据进行相应的处理；如果是接收到了串口发来的数据，则调用SampleApp_SerialCMD（（mtOSALSerialData_t*）MSGpkt）函数进行数据的相应处理。

3.2 VB与Access数据库

运用VB与Access数据库技术相结合开发了该系统的监控界面，实现了对传感器数据的保存、处理和显示，只要监控区域中节点测量到温度超过预先设定的温度门限值，或检测到烟雾为1，或红外为1，监控界面就将所有报警节点的宿舍信息、触发报警原因连同接收的数据一并显示在界面上，提示操作人员是哪个宿舍的节点，哪一项指标出现异常。同时界面也设计了报警查询记录，根据管理人员选定的日期和宿舍号进行条件查询，便于后期查看。宿舍101红外异常的监控界面如图4所示。

图4 宿舍101红外异常的监控界面Fig.4 Infrared anomaly monitoring interface of dormitory 101

4 结 论

基于ZigBee的高校宿舍防火防盗监控系统，具有网络自组织，无需布线、缩短工期、维护简单的优点，克服了传统有线系统的故障发生率高、误报漏报率高等缺点，能够实现传感器数据的可靠测量、数据的传输和发生火灾时的喷水控制，技术性能指标良好。

[1]王小强，欧阳俊，黄宁淋.ZigBee无线传感器网络设计与实现[M].北京：化学工业出版社，2013.

[2]李文仲，段朝玉.ZigBee无线网络技术入门与实战[M].北京：北京航空航天大学出版社，2007.

[3]TexasInstruments.CC2530Datasheet[EB/OL].2009[2010-05-03].http://www.ti.com.cn/Product/cn/cc2530#technicaldocuments.

[4]王艳春.基于无线传感网络的智能防火报警系统设计[J].赤峰学院学报，2013，29（5）：84-86.WANG Yan-chun.Design an intelligent fire alarm system based on wireless sensor network[J].Journal of Chifeng Institute，2013，29（5）：84-86.

[5]邹志勇，周曼.基于ZigBee技术的学生宿舍监测系统设计[J].自动化与仪表，2012（10）：25-28.ZOU Zhi-yong，ZHOU Man.Design students’ dormitory monitoring systembased on ZigBee technology[J].Automation and instrumentation，2012（10）：25-28.

[6]付娜.基于无线传感器网络的宿舍环境数据采集系统[D].成都：西南交通大学，2010.

[7]尉志武.基于ZigBee的家庭火灾报警系统的设计 [D].太原：太原理工大学，2012.

[8]Z-Stack Developer’s Guide[EB/OL].http://olmicrowaves.com/menucontents/designsupport/zigbee/Z-Stack% 20Developer’s%20Guide%20_F8W-2006-0022_.pdf.