基于zigbee技術(shù)的火災(zāi)報警系統(tǒng)設(shè)計

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1、基于ZigBee技術(shù)的火災(zāi)報警系統(tǒng)設(shè)計作者：中南大學劉靜趙望達摘要無線射頻芯片與單片機系統(tǒng)相結(jié)合，可以實現(xiàn)早期火災(zāi)信號的探測和預報警。本文主要介紹基于ZigBee標準的射頻芯片CC2500和以STC89LE516AD單片機為核心的無線火災(zāi)報警系統(tǒng)的硬件電路及軟件流程設(shè)計。該系統(tǒng)通過射頻收發(fā)模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。關(guān)鍵詞ZigBee，CC2500，STC89LE516AD，火災(zāi)報警系統(tǒng)現(xiàn)有的火災(zāi)報警系統(tǒng)，多采用有線技術(shù)進行火災(zāi)傳感器網(wǎng)絡(luò)的組建。這類方案的特點是擴展性能差，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

2、，故障發(fā)生率較高，誤報警率高。采用無線傳輸方式構(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)用相對還是很少。這主要是因為目前沒有一項無線通信技術(shù)適合在火災(zāi)監(jiān)控領(lǐng)域進行廣泛的推廣，而且現(xiàn)有一些無線通信產(chǎn)品的價格偏高，導致無線通信技術(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

3、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)和人工智能結(jié)合，可以大大提高火災(zāi)報警系統(tǒng)的可靠性。正是由于ZigBee技術(shù)具有功耗極低、系統(tǒng)簡單、組網(wǎng)方式靈活、成本低、等待時間短等性能，相對于其他無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它更適合于組建大范圍的無線火災(zāi)探測器網(wǎng)絡(luò)。1ZigBee技術(shù)簡介[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，主要負責制定物理層和MAC層的協(xié)議，其余協(xié)議主要參照和采用現(xiàn)有的標準；高層應(yīng)用、測試和市場推廣

4、等方面的工作則由成立于2002年8月的聯(lián)盟負責。聯(lián)盟由英國Invensys公司、日本三菱電氣公司、美國Motorola公司以及荷蘭Philips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)，主要適合于自動控制和遠程控制領(lǐng)域，可以嵌入到各種設(shè)備中，同時支持地理定位功能。一般而言，隨著通信距離的增大，設(shè)備的復雜度、功耗以及系統(tǒng)成本都在增加。相對于現(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)

5、；但是ZigBee技術(shù)的數(shù)據(jù)速率低和通信范圍較小的特點，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)可采用的拓撲模型有星形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和簇狀樹形結(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)拓撲結(jié)構(gòu)1.3ZigBee技術(shù)優(yōu)點ZigBee技術(shù)有以下特點: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)五號電池支持長達6個月到2年左右的使用時間。不同的應(yīng)用對應(yīng)的功耗自然是不同的。②可靠。采用了碰撞避免機制，同時為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預

6、留了專用時隙，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時的競爭和沖突。MAC層采用了完全確認的數(shù)據(jù)傳輸機制，每個發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認信息。③成本低。模塊價格低廉，且ZigBee協(xié)議是免專利費的。④時延短。針對時延敏感的應(yīng)用作了優(yōu)化，通信時延和從休眠狀態(tài)激活的時延都非常短。設(shè)備搜索時延典型值為30ms，休眠激活時延典型值是15ms，活動設(shè)備信道接入時延為15ms。⑤節(jié)點通信設(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)點多達64000個。1個ZigBee網(wǎng)

7、絡(luò)最多可以容納254個從設(shè)備和1個主設(shè)備，1個區(qū)域內(nèi)可以同時存在最多100個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，同時各個應(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標準協(xié)議，使ZigBee設(shè)備間的通信成為輕而易舉的事情。2系統(tǒng)方案設(shè)計系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。無線傳感器將探測到的火災(zāi)信號通過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)控中心對這些數(shù)據(jù)進行計算處理和統(tǒng)計評估。火災(zāi)信號判斷的原則不是簡單的非準

8、則，而需要同時考慮其他多種因素。根據(jù)預先設(shè)定的有關(guān)規(guī)則，將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為適當?shù)膱缶瘎幼髦笜?，相?yīng)地發(fā)出預報警。例如，產(chǎn)生少量煙，但溫度急劇上升——發(fā)出報警；產(chǎn)生少量煙，且溫升平緩——發(fā)出預報警等。圖2系統(tǒng)總