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ZigBee技术下楼宇火灾自动报警平台的开发研究

时间:2015-12-28 来源:未知 作者:学术堂 本文字数:2272字
摘要

  一、引言。

  现阶段,无线传感器技术和现代通信技术的发展势头迅猛,火灾自动报警系统正朝着多传感器融合发展方向前进,本文以 CC2530 芯片及 ZigBee 技术为核心,对楼宇火灾自动报警系统进行设计与研究,提出了一种多传感器融合处理的报警系统,可对楼宇进行多角度、全方位的监测,如遇突发情况,系统将自动报警并及时通知至管理人员,可极大减少因报警时延引起的财产损失,保证人们的生命财产安全。

  二、ZigBee 技术概述。

  ( 一) ZigBee 协议栈的体系结构。

  通常,ZigBee 协议栈是在 IEEE 802. 15. 4 协议定义的物理层( PHY 层) 和媒体访问控制层( MAC层) 的基础上提出来的一种新的协议,包括 PHY 层、MAC 层、网络 / 安全层、应用框架层。ZigBee 技术体系结构中的每层,除了需要完成本层自身应完成的任务外,同时还需要向上层提供其他的服务。Zig-Bee 的体系结构图如图 1( a) 所示。

  ( 二) ZigBee 技术网络架构。

  常见的两种 ZigBee 技术网络拓扑结构有: 星型拓扑结构和对等拓扑结构。星型拓扑是一种最简单的拓扑结构,其网络结构由主协调器和多个从设备组成,主协调器可作为起始设备、终端设备,也可作为路由器,从设备只能与主设备进行通信; 对等网络拓扑结构可以构成一个更复杂的网络结构,在对等网络的拓扑结构中的任何装置,只要在主设备的通信范围都可与其他设备进行通信。图 1( b) 为星型拓扑和对等拓扑结构的举例。

  三、系统硬件平台设计。

  ( 一) 系统方案与功能。

  本系统为基于 ZigBee 的楼宇火灾自动报警系统,系统的总体设计框架如图 2( a) 所示,检测节点、汇聚节点协同工作,共同完成火灾自动报警任务。网络中心节点通过串口与服务器相连,检测软件调用串口控件,与中心节点进行通信,通信流程如图 2( b) 所示。各传感器节点采集区域内的烟雾、一氧化碳、温度等常见的环境数据,并直接或通过其他节点或中继节点将采集到的数据发送至汇聚节点,汇聚节点对数据进行融合后发送至服务器,服务器软件收到数据后,将数据参数与正常阙值进行比对,如发现有异常,将在 500ms 内将报警信号发送至异常监测点,异常监测点发出报警声的同时把报警信号发送给管理员,管理员收到报警命令后立即通知现场处理报警情况。

  该系统可实现如下功能:

  1. ZigBee 无线传感节点定位与记录: 无线传感器节点可以定位并记录自身及周边节点的位置信息,同时上传位置信息至汇聚节点,对节点位置进行统一管理。

  2. 状态信号的连续感知能力: 系统一旦运行起来,节点要对自身运行状态信号的变化和偏差进行实时监控,一旦有状态信号的变化,马上通知汇聚节点,并做出一定的反应。

  3. 完整数据传输: 对运行设备的转台特征数据进行完整和周期性传输。

  4. 信号处理和故障自检: 节点具有一定的信号处理能力,可对数据进行简单的融合处理,并将处理后的数据发送至汇聚节点或基站,当检测到故障时,能发送紧急报警信息。

  ( 二) CC2530 硬件开发平台。

  该系统采用的 ZigBee 硬件模块是基于 2. 4GIEEE 802. 15. 4 的 CC2530 芯片,它可以以非常低的成本建立强大的网络节点,拥有领先的 RF 收发器功能,有极高的接收灵敏度和抗干扰性能。芯片包含 CPU 和内存相关的模块、外设、时钟和电源管理相关的模块以及无线电相关的模块。芯片结合 TI公司的 ZigBee 协议栈 ZigBee 2007/PRO,可以提供强大的 ZigBee 解决方案。

  ( 三) 传感器模块。

  传感器技术、微型处理器技术以及信息融合处理技术的发展推动着楼宇火灾智能报警技术从最初的某单一传感器对环境的信息监测到如今的多种传感器信号融合发展,随之而来,楼宇火灾智能报警系统的系统可靠性有了大幅提升。本系统采用了烟雾报警器、温度报警器、一氧化碳报警器等多种传感器对环境进行监测,提高了系统对火灾特征信号的响应灵敏度,进而提高了系统的可靠性,保证报警质量。

  四、系统软件平台设计。

  本系统软件设计采用的是 IAR Embedded Work-bench IDE,可用于 ZigBee 2007 系统的应用及开发,可通过其内置的代码优化器对不同芯片的代码进行优化处理,有效提高了用户的工作效率,为用户节省工作时间。网络控制中心的软件模块集成了串口通信模块、数据接收模块、对接收到的环境数据进行融合处理模块、数据及反馈结果信息显示模块、数据库模块、报警模块,传感器节点通过 ZigBee 无线通信方式把采集到的环境数据传送至汇聚节点,汇聚节点可对数据进行简单预处理,然后再通过串口通信模块将数据传递至服务器控制中心,服务器控制中心对数据进行处理及预警分析。具体程序实现使用的是 C语言,如当烟雾传感器监测到烟雾浓度超出正常值后,发出报警信号,LED 灯闪烁,警铃响起。

  五、结语。

  该系统采用了 CC2530 芯片及 ZigBee 无线传感网技术,实现了楼宇火灾智能报警的实时性监测,系统硬件结构简单,成本低; 采用 ZigBee 无线通信,避免了传统有线通信时的各种问题,如线路老化、磨损等引起的通信故障; 采用多种传感器融合监控,实时性强,可靠性高,降低了系统误报率; 各无线传感器节点可在控制中心进行集中控制,方便工作人员的日常维护。(图略)

  [参考文献]

  [1]赵明。 基于 ZigBee 的无线楼宇火灾监测网络设计[D]. 华中科技大学,2008.

  [2]李皓。 基于 ZigBee 的无线网络技术及应用[J]. 信息技术,2008( 1) .

  [3]姜仲,刘丹。 ZigBee 技术与实训教程---基于 CC2530 的无线传感网技术[M]. 北京: 清华大学出版社,2014.

  [4]李帅,刘宏立,刘述钢。 基于 ZigBee 的无线传感网络节点能耗性能分析[J]. 科技导报,2009( 13) .

  [5]刘传忠,张卫东,聂佳。 基于 ZigBee 的智能家居控制系统研究及设计[J]. 智能建筑电气技术,2013( 5) .

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