基于ZigBee技术多层住宅无线消防报警系统的设计

2015-12-29李长明杨小天

长春师范大学学报 2015年4期

李长明，杨小天

(1.吉林建筑大学电气与电子信息工程学院，吉林长春130118;2.长春师范大学后勤管理处，吉林长春130032)

在我国，传统的多层住宅火灾报警系统设计以总线型火灾报警系统居多，此系统设计起来需要考虑的因素很多。施工时需要使用大量管线，工程造价高，同时系统抵抗外界干扰能力弱，工程施工及系统维护任重而道远，遇有特殊情况发生时，还需要破坏建筑物表面及结构。在安装过程中时常发生电线保护层被损坏而导致的短路问题，况且管线随着时间的推移，难免会出现老化、破损等现象，误报和故障时有发生。同时还存在监控区间和容量小、组网窗口过于死板、人机交互界面简易、可靠性较不强、响应速度迟缓等现象，若一处出现问题，整个系统将处于半瘫痪状态［1］。因此，原始的多层住宅火灾报警系统已经不能很好地满足当前人们对于消防安全的需求。本设计采用温度传感器、CO传感器、烟雾传感器等组建的ZigBee无线传感器网络，在规定的时间内通过加权算法来判定火灾是否发生，能够从根本上解决了上述问题。

1 基于ZigBee的无线传感器网络

1.1 无线传感器网络特点

无线传感器网络由大量具有无线通信、传感、数据处理能力的成本低廉、体积瘦小的传感器节点组成，传感器节点由若干功能模块组成，包括传感单元、处理单元、收发单元、电源单元［2］。无线传感器网不仅具有AdHoc网络的移动性、电源能力局限性和断接性，还具有如下特点:(1)在一个很广阔的空间或一个狭窄的空间都放置成千上万的传感器节点的大规模网络;(2)能够在事先无法预料相邻节点位置的前提下，实现自动地配置、管理与转发检测到的数据的自组织网络特点;(3)由于节点具有有限的通信距离，因此每个节点既可以发起信息又可以转发信息的多条路由;(4)节点的环境改变、电量的变化、通电的时断时续等，都会成为这个节点加入和退出该网络的理由的网络动态性;(5)传感器的自组织和动态性特点决定了节点编号与传感器的动态关系，与位置没有必然的联系，都是以数据为中心的网络;(6)传感器网络和传统网络的设计是不同的，每一种应用场景都需要不同的面向应用的网络。

1.2 ZigBee 技术

1.2.1 ZigBee 技术特点

(1)具有数据传输可靠性。属于共享信道的无线通信，相对于有线网络有较多的安全威胁，ZigBee将IEEE 802.15.4协议应用在其PHY和MAC层，通过使用传输数据为带时隙和不带时隙的载波检测多址访问与冲突避免的方法，保证了数据传输的安全性和可靠性［2］。

(2)极低的成本和较低功耗。由于具有简单的网络协议，ZigBee技术对运行环境要求很低。因此，可以采用8－bit MCU和小的存储器作为通信控制器，从很大程度上降低了成本。ZigBee具有很低的功耗，因为其芯片具有设置节点的定时运行和定时休眠的功能，当系统需要时自动开启，不需要时自动关闭，大大节省了系统的功耗和电池的储能。

(3)高安全性。为了提高数据传输的安全性，可以使用AES128加密技术，但是对于初级阶段，安全性问题可以不予考虑。

(4)低数据速率。无线控制系统对数据传输的可靠性和安全性、系统功耗的成本等方面有着特殊的要求，而目前的无线网路协议并没有很好地解决这些特殊的要求。其传输速率会随着工作频段的不同而变化，但是都比较低。

(5)组网方式的多样性和灵活性。ZigBee技术具有灵活的组网方式，既可以接受树簇型组网和星型组网，还可以接受对等组网，数据传输既可以采用单跳方式，也可以采用多跳方式。

1.2.2 系统的功能

原始的多层住宅火灾自动报警系统具有如下功能:(1)当火灾发生时，运行火灾报警功能;(2)当个别线路或者某个设备发生故障后，启动故障报警功能;(3)进行火灾报警时，消防监控室内显示具体的报警时间、地点等信息;(4)打印出消防监控室显示器上显示具体的报警时间、地点等信息。

数据库功能在本设计中得到了扩展，在数据库中存储可以供用户和消防部门随时查询的与火灾相关的一些信息，并作出系统的统计，本系统功能如下:(1)通过传感器监测和采集火灾信息的功能;(2)通过使用ZStack传输协议来发送无线信息的功能;(3)通过使用加权算法来判断火灾是否发生的数据处理功能;(4)火灾报警功能;(5)随时查看火灾历史记录功能。

2 系统硬件和软件的设计

2.1 硬件设计

CC2530芯片均采用增强型C8051内核，具有2.4GHz IEEE 802.15.4标准射频收发器，有特殊功能寄存器、数据、代码/外部数据三个不同的存储器访问总线［3］。CC2530的Flash具有25KB、26KB、27KB、28KB容量的选择性，开发环境为高集成且符合IAR标准，功能图如图1所示。

图1 CC2530功能图

该设计电路主要为:达拉斯公司生产的DS18B20温度传感器、CO传感器和烟雾传感器电路、CC2530模块、2.4G无线收发器和电源等。此外，还有DS18B20温度传感器模块、CO传感器模块、烟雾传感器模块、3.3V转5V升压模块、传感器模块、GSM模块。系统硬件设计结构图如图2。

图2 系统硬件设计结构图

2.2 软件设计

系统的软件设计主要分为上位机和下位机软件，由上位机组建无线传感器网络通过使用Z－Stack协议来驱动CC2530芯片系统，下位机包括客户终端和消防监控中心的监控系统。ZigBee由协调器、路由器及终端节点组成，各部分在所在的网络中各司其职。

(1)ZigBee协调器的软件设计。协调器的主要作用有:一是组织及建立整个无线传感器网络;二是管理无线传感器网络;三是确定数据通信过程中使用的信道;四是将16位的短地址给其子节点分配;五是数据的收集和数据信息的发送。在本系统中，协调器除了具备以上的功能之外，还要完成与PC机之间的交互，实现触发短息报警器以及发送消防火灾报警信息的功能［4］。另外，还需要对协调器指示灯进行如下配置:火灾发生时红灯亮，接收到火灾信息时绿灯亮，组网成功时黄灯亮。

(2)ZigBee路由器及终端节点的软件设计。ZigBee路由器节点的程序和终端节点的程序大同小异，但路由器在功能上可为子节点及协调器节点传递相关数据。路由节点通过函数的调用，完成自我检查功能，当检测到有可以连接的节点时，首先判断其为终端节点还是相邻节点，如果为相邻节点，则直接执行数据的传输;如果是终端节点，则检测路由器来完成该节点的匹配，运行成功后进入循环通信阶段。若遇有按键，键入该节点，则发出退出该网络的请求，下一次收到通信节点反馈信息后执行退出网络。如果没有线路和设备故障及火灾发生，则发送正常信息给协调器节点，若收到由传感器节点发送的火灾信息，协调器节点则发送火灾警报［5］。