基于zigbee技術(shù)的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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1、基于ZigBee技術(shù)的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)作者：中南大學(xué)劉靜趙望達(dá)摘要無線射頻芯片與單片機(jī)系統(tǒng)相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)早期火災(zāi)信號(hào)的探測(cè)和預(yù)報(bào)警。本文主要介紹基于ZigBee標(biāo)準(zhǔn)的射頻芯片CC2500和以STC89LE516AD單片機(jī)為核心的無線火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的硬件電路及軟件流程設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)通過射頻收發(fā)模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。關(guān)鍵詞ZigBee，CC2500，STC89LE516AD，火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)現(xiàn)有的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)，多采用有線技術(shù)進(jìn)行火災(zāi)傳感器網(wǎng)絡(luò)的組建。這類方案的特點(diǎn)是擴(kuò)展性能差，布線繁瑣，影響美觀。由于采用硬線連接，線路容易老化或遭到腐蝕、鼠咬、磨損，故障發(fā)生率較高，誤報(bào)警率高。采用無線傳輸方

2、式構(gòu)建的無線火災(zāi)傳感器網(wǎng)絡(luò)恰好可以避免這些問題。相對(duì)而言，無線的方式比較靈活，避免了重新布線的麻煩，網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)設(shè)施不再需要掩埋在地下或隱藏在墻里，無線網(wǎng)絡(luò)可以適應(yīng)移動(dòng)或變化的需要；但是，無線通信技術(shù)在火災(zāi)監(jiān)控領(lǐng)域的應(yīng)用相對(duì)還是很少。這主要是因?yàn)槟壳皼]有一項(xiàng)無線通信技術(shù)適合在火災(zāi)監(jiān)控領(lǐng)域進(jìn)行廣泛的推廣，而且現(xiàn)有一些無線通信產(chǎn)品的價(jià)格偏高，導(dǎo)致無線通信技術(shù)在火災(zāi)監(jiān)控中的應(yīng)用停滯不前。隨著近年來人類在微電子機(jī)械系統(tǒng)、無線通信、數(shù)字電子方面取得的巨大成就，使得發(fā)展低成本、低功耗、小體積、短距離通信的多功能傳感器成為可能。ZigBee技術(shù)的出現(xiàn)就解決了這些問題。將無線ZigBee傳感器網(wǎng)絡(luò)

3、和人工智能結(jié)合，可以大大提高火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的可靠性。正是由于ZigBee技術(shù)具有功耗極低、系統(tǒng)簡(jiǎn)單、組網(wǎng)方式靈活、成本低、等待時(shí)間短等性能，相對(duì)于其他無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它更適合于組建大范圍的無線火災(zāi)探測(cè)器網(wǎng)絡(luò)。1ZigBee技術(shù)簡(jiǎn)介[1-2]1.1ZigBee技術(shù)產(chǎn)生背景為了滿足小型、低成本設(shè)備無線聯(lián)網(wǎng)的要求，2000年12月成立了IEEE802.15.4工作組，主要負(fù)責(zé)制定物理層和MAC層的協(xié)議，其余協(xié)議主要參照和采用現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)；高層應(yīng)用、測(cè)試和市場(chǎng)推廣等方面的工作則由成立于2002年8月的聯(lián)盟負(fù)責(zé)。聯(lián)盟由英國(guó)Invensys公司、日本三菱電氣公司、美國(guó)Motorola公司以及荷蘭P

4、hilips公司組成，如今已經(jīng)吸引了上百家芯片公司、無線設(shè)備公司和開發(fā)商的加入。1.2ZigBee技術(shù)概述ZigBee技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無線通信技術(shù)，主要適合于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入到各種設(shè)備中，同時(shí)支持地理定位功能。一般而言，隨著通信距離的增大，設(shè)備的復(fù)雜度、功耗以及系統(tǒng)成本都在增加。相對(duì)于現(xiàn)有的各種無線通信技術(shù)，ZigBee技術(shù)將是功耗和成本最低的技術(shù)；但是ZigBee技術(shù)的數(shù)據(jù)速率低和通信范圍較小的特點(diǎn)，又決定了ZigBee技術(shù)適合于承載數(shù)據(jù)流量較小的業(yè)務(wù)。ZigBee技術(shù)可采用的拓?fù)淠Ｐ陀行切尉W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和簇狀

5、樹形結(jié)構(gòu)(Mesh)。前兩者的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。圖1ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)1.3ZigBee技術(shù)優(yōu)點(diǎn)ZigBee技術(shù)有以下特點(diǎn):①省電。由于工作周期很短、收發(fā)信息功耗較低，并且采用了休眠模式，因此ZigBee技術(shù)可以確保2節(jié)五號(hào)電池支持長(zhǎng)達(dá)6個(gè)月到2年左右的使用時(shí)間。不同的應(yīng)用對(duì)應(yīng)的功耗自然是不同的。②可靠。采用了碰撞避免機(jī)制，同時(shí)為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時(shí)隙，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)的競(jìng)爭(zhēng)和沖突。MAC層采用了完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制，每個(gè)發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認(rèn)信息。③成本低。模塊價(jià)格低廉，且ZigBee協(xié)議是免專利費(fèi)的。④時(shí)延短。針對(duì)時(shí)延敏感的應(yīng)用作了優(yōu)化，

6、通信時(shí)延和從休眠狀態(tài)激活的時(shí)延都非常短。設(shè)備搜索時(shí)延典型值為30ms，休眠激活時(shí)延典型值是15ms，活動(dòng)設(shè)備信道接入時(shí)延為15ms。⑤節(jié)點(diǎn)通信設(shè)置易于配置。⑥網(wǎng)絡(luò)容量大。ZigBee可以采用星形、網(wǎng)狀、串狀結(jié)構(gòu)組網(wǎng)，而且可以通過任一節(jié)點(diǎn)連接組成更大的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。從理論上講，其可連接的節(jié)點(diǎn)多達(dá)64000個(gè)。1個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)最多可以容納254個(gè)從設(shè)備和1個(gè)主設(shè)備，1個(gè)區(qū)域內(nèi)可以同時(shí)存在最多100個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)。⑦安全。ZigBee提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能，加密算法采用AES128，同時(shí)各個(gè)應(yīng)用可以靈活確定其安全屬性。⑧全球通用性和完好的開放性。ZigBee標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，使Zi

7、gBee設(shè)備間的通信成為輕而易舉的事情。2系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。無線傳感器將探測(cè)到的火災(zāi)信號(hào)通過ZigBee無線通信方式發(fā)送至數(shù)據(jù)集中器；數(shù)據(jù)集中器將收集的數(shù)據(jù)送至火災(zāi)監(jiān)控中心，再由火災(zāi)監(jiān)控中心對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理和統(tǒng)計(jì)評(píng)估?；馂?zāi)信號(hào)判斷的原則不是簡(jiǎn)單的非準(zhǔn)則，而需要同時(shí)考慮其他多種因素。根據(jù)預(yù)先設(shè)定的有關(guān)規(guī)則，將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為適當(dāng)?shù)膱?bào)警動(dòng)作指標(biāo)，相應(yīng)地發(fā)出預(yù)報(bào)警。例如，產(chǎn)生少量煙，但溫度急劇上升——發(fā)出報(bào)警；產(chǎn)生少量煙，且溫升平緩——發(fā)出預(yù)報(bào)警等。圖2系統(tǒng)總