基于ZigBee的無線樓宇火災(zāi)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

1、河南科技學(xué)院2015-2016學(xué)年第二學(xué)期期終考試無線傳感器網(wǎng)絡(luò)題目： 基于ZigBee的無線樓宇火災(zāi)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)設(shè)計 專 業(yè) 班 級： 信工（信息） 成 員： 20131524202 教 師： 曲培新 完 成 時 間： 2016-7-1 17 目錄目錄11.需求分析22. 總體設(shè)計32.2煙霧傳感器62.3溫度傳感器62.4 光傳感器73主要軟件設(shè)計73.1 Z-Stack協(xié)議棧介紹83.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計83.3 監(jiān)測子程序94 總結(jié)165參考文獻171. 需求分析隨著高層建筑的不斷增多，火災(zāi)隱患也在增加。火災(zāi)作為危害人類生存的大敵，的重視，一旦發(fā)生火災(zāi)，人的生命和財產(chǎn)將會遭受重大損失。于是人們

2、開始尋求一種早期發(fā)現(xiàn)火災(zāi)的方法，以便控制火情，減少損失，保障生命和財產(chǎn)安全?；馂?zāi)自動報警器就是為了滿足這一需求而研制出來的，其功能和結(jié)構(gòu)也隨著人們需求的不斷提高而逐漸完善。在我國，火災(zāi)自動報警設(shè)備的研究、生產(chǎn)和應(yīng)用起步較晚，20世紀(jì)五六十年代基本是空白，70年代開始創(chuàng)建并逐步有所發(fā)展，進入80年代以來，特別是最近幾年，火災(zāi)自動報警設(shè)備的生產(chǎn)和應(yīng)用有了較大發(fā)展，生產(chǎn)廠家、產(chǎn)品種類和產(chǎn)量以及應(yīng)用單位都不斷有所增加?，F(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。目前基于有線技術(shù)的火災(zāi)報警系統(tǒng)已趨于成熟。然而有線通信方式擴展性能差，布線繁瑣，影響關(guān)觀，而且由于采用硬線連接，線路容易老化或

3、遭到腐蝕、鼠咬、磨損，因此有線報警系統(tǒng)故障發(fā)生率和誤報率較高。采用無線傳輸方式構(gòu)建的無線火災(zāi)報警網(wǎng)絡(luò)則可以避免這些問題。無線報警系統(tǒng)是近幾年來在國內(nèi)外發(fā)展起來的新型火災(zāi)報警系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的火災(zāi)報警系統(tǒng)相比有它獨特的優(yōu)勢并孕育著巨大的市場潛力。相對于有線方式而言，無線的方式比較靈活，不需布線，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。此外新節(jié)點加入和退出網(wǎng)絡(luò)都非常方便，避免了重新布線的麻煩，這有利于網(wǎng)絡(luò)的擴充，而不需要大規(guī)模的重新布局與規(guī)劃。由此可見，無線網(wǎng)絡(luò)可以很好地適應(yīng)移動或變化的需要，可以認(rèn)為無線網(wǎng)絡(luò)是火災(zāi)報警網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢。隨著近年來微電子機械系統(tǒng)、無線通信、數(shù)字電子等技術(shù)的發(fā)展，對于

4、無線火災(zāi)自動報警系統(tǒng)的研究已在國內(nèi)外發(fā)展起來，并走向了實用化.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)其有功耗極低、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)。 本文基于ZigBee實現(xiàn)了一種采用無線通信方式的火災(zāi)定位報警系統(tǒng)，具備無線通信靈活，無需繁瑣布線，低功耗等優(yōu)勢，并能對網(wǎng)絡(luò)中的移

5、動節(jié)點進行精確定位。在該系統(tǒng)中所有火災(zāi)探測器節(jié)點組成一個基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，以無線的方式相互通信，將網(wǎng)絡(luò)中的火災(zāi)數(shù)據(jù)實時的傳給網(wǎng)絡(luò)中央?yún)f(xié)調(diào)器，由協(xié)調(diào)器交火災(zāi)控制器處理。2. 總體設(shè)計系統(tǒng)完成的最主要的任務(wù)是對環(huán)境中溫度、煙霧和光的監(jiān)控。只要系統(tǒng)監(jiān)控區(qū)域中節(jié)點測量到某一項指標(biāo)的值超出上位機設(shè)定的門限值后即觸發(fā)報警。上位機接收并處理相應(yīng)數(shù)據(jù)，同時上位機將所有報警節(jié)點的觸發(fā)報警原因連同以上測量值和當(dāng)前時間一并被寫入數(shù)據(jù)庫的報警記錄表中，便于后期查看。此外，網(wǎng)絡(luò)各終端均設(shè)有獨立報警按鈕，當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時，樓內(nèi)人員可以通過按下報警按鈕向監(jiān)控室報警，上位機接收到報警信息后發(fā)出警報并顯示報警地點，

6、提示操作人員。若出現(xiàn)緊急情況，可以通過上位機設(shè)置的緊急疏散按鈕向網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點發(fā)送指令。當(dāng)終端接收到緊急疏散指令后觸發(fā)聲光報警，提示樓宇內(nèi)的人員緊急撤離?？偛季謭D如圖2-1所示。樓宇火災(zāi)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)災(zāi)情傳感模塊手動控制模塊火災(zāi)報警控制模塊溫度傳感器光傳感器煙霧傳感器各種手動按鈕監(jiān)控顯示系統(tǒng)顯示災(zāi)情報警燈提示火災(zāi)定位圖2-1 監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)總布局圖一個完整的ZigBee系統(tǒng)需要一個協(xié)調(diào)器，一個或多個路由器及許多個終端節(jié)點組成，這樣才能完成網(wǎng)絡(luò)的搭建，路徑的分配和數(shù)據(jù)的采集及傳輸任務(wù)， 本設(shè)計幕本原理如下：:PC機有接受協(xié)調(diào)器數(shù)據(jù)和發(fā)送指令的功能。而協(xié)調(diào)器是整個網(wǎng)絡(luò)的核心，用來啟動網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)整個網(wǎng)絡(luò)被啟動后，

7、退化為普通躋由器。終端節(jié)點(即傳感器)檢測到各個位置的溫度，應(yīng)用路由器的接力作用，將數(shù)據(jù)發(fā)送給計算機，PC機實現(xiàn)可視化、形象化人機界而，方便了用戶的操作和觀察。分布式監(jiān)測系統(tǒng)如圖2-2所示圖2-2 分布式監(jiān)測系統(tǒng) CC2530是TI公司開發(fā)的符合ZigBee標(biāo)準(zhǔn)的2.4 GHz射頻芯片.集成了所有ZigBee技術(shù)的優(yōu)點.:1j快速應(yīng)用到ZigBee產(chǎn)品。CC2530內(nèi)部集成了33個I6bit限置寄存器， 15個命令選通寄存器。128字節(jié)的發(fā)送和接收緩沖卜.以及速度高達10Mbits/s的SPI接口等。它是一專門針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的射頻通信芯片，能夠很好的滿足無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的需求。CC253

8、0采用小型48腳QLP封裝。有很多引腳是為了便于與后續(xù)產(chǎn)品兼容而設(shè)計的。該系統(tǒng)通過按鍵設(shè)置工作地點的報警閥仇范田，利用ZigBee短距離無線通信技術(shù)引入到單片機系統(tǒng)中.采用信息傳愉的方案進行了數(shù)據(jù)傳愉送入單片機進行存儲和處理。分析后，將值送到顯示電路進行顯示。如圖2-3 CC2530應(yīng)用電路，CC2530只需要很少的外部元器件，CC2530內(nèi)部使用1.8V工作電壓，因而功耗很低，適合于電池供電的設(shè)備;外部數(shù)字I/O接口使用3. 3V電壓，這樣:可以保持和3. 3V邏輯期間的兼容性。圖2-3 CC2530應(yīng)用電路圖 2.1系統(tǒng)硬件電路設(shè)計 本系統(tǒng)的協(xié)調(diào)器節(jié)點和傳感器節(jié)點。從硬件的角度看，核心部件

9、CC2530、電源和天線，也是ZigBee設(shè)備可以工作的最小系統(tǒng)。此外，還有協(xié)調(diào)器與上位機通信用的串口;傳感器節(jié)點有溫度、煙霧傳感器、報警按鈕和指示燈。二者的電路均是在最簡系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加上少量外圍電路。無線樓宇火災(zāi)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)其關(guān)鍵部位在于傳感器的分布，傳感器模塊主要有3個傳感器組成，其硬件結(jié)構(gòu)框架如圖2-4所示：CC2530無線收發(fā)微控制器模塊，該模塊負(fù)責(zé)采集傳感器信號，并傳至PC機進行分析處理觸發(fā)火災(zāi)控制模塊，做出相應(yīng)的提示。溫度傳感器CC2530無線收發(fā)控制器模塊 光傳感器煙霧傳感器圖2-4 關(guān)鍵硬件結(jié)構(gòu)與框架2.2煙霧傳感器MQ-2氣體傳感器所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導(dǎo)率較低的二氧化

10、錫(SnO2)。當(dāng)傳感器所處環(huán)境中存在可燃?xì)怏w時，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中可燃?xì)怏w濃度的增加而增大。使用簡單的電路即可將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對應(yīng)的輸出信號。MQ-2氣體傳感器對液化氣、丙烷、氫氣的靈敏度高，對天然氣和其它可燃蒸汽的檢測也很理想。這種傳感器可檢測多種可燃性氣體，是一款適合多種應(yīng)用的低成本傳感器主要特點及應(yīng)用：·簡單的驅(qū)動電路即可·家庭用氣體泄漏報警器·工業(yè)用可燃?xì)怏w報警器·便攜式氣體檢測器其應(yīng)用電路如圖2-5所示圖2-5 微控制器模塊電路2.3溫度傳感器 DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有己校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器.它

11、應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的長期穩(wěn)定性.傳感器包括一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件，并與一個高性能8位單片機相連接.因此該產(chǎn)品具有品質(zhì)卓越、超快響應(yīng)、抗干擾能力強、性價比極高等優(yōu)點.每個DHT11傳感器都在極為精確的濕度校驗室中進行校準(zhǔn).校準(zhǔn)系數(shù)以程序的形式儲存在OTP內(nèi)存中，傳感器內(nèi)部在檢測信號的處理過程中要調(diào)用這些校準(zhǔn)系數(shù).單線制串行接口，使系統(tǒng)集成變得簡易快捷.超小的體積、極低的功耗，信號傳輸距離可達20米以上，使其成為各類應(yīng)用甚至最為苛刻的應(yīng)用場合的最佳選則.產(chǎn)品為4針單排引腳封裝.連接方便，在傳感器上，DHT11與CC2530的P

12、0-7端口相連，其應(yīng)用電路如圖2-6所示圖2-6 DHT11應(yīng)用電路圖2.4 光傳感器在一塊光電導(dǎo)體兩端加上電極，貼在硬質(zhì)玻璃、云母、高頻瓷或其它絕緣材料基板上，兩端接有電極引線，封裝在帶有窗口的金屬或塑料外殼內(nèi)。光敏面作成蛇形，電極作成梳狀，這樣即可以保證有較大的受光表面，也可以減小電極之間距離，從而減小極間電子渡越時間，提高靈敏度。利用煙霧對光線的散射作用，調(diào)解其靈敏度使其及時反饋信息，如圖2-7所示圖2-7 光敏電阻3主要軟件設(shè)計本系統(tǒng)的軟件設(shè)計是在Z-Stack協(xié)議棧的基礎(chǔ)上進行C語言的編程，所用軟件為IAR Embedded Workbench for 8051。本系統(tǒng)中包含協(xié)調(diào)器節(jié)

13、點和傳感器節(jié)點。協(xié)調(diào)器上電后組建網(wǎng)絡(luò)，傳感器節(jié)點自動發(fā)現(xiàn)并加入網(wǎng)絡(luò)。協(xié)調(diào)器節(jié)點負(fù)責(zé)收發(fā)數(shù)據(jù)和與PC機進行通信，傳感器節(jié)點只能收發(fā)數(shù)據(jù)，而不能轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。3.1 Z-Stack協(xié)議棧介紹 Z-Stack是ZigBee協(xié)議的具體實現(xiàn)形式，通俗點來理解就是ZigBee協(xié)議和用戶之間的一個接口，我們需要通過協(xié)議棧來使用這個協(xié)議，進而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線收發(fā)。ZigBee的協(xié)議分為兩部分，IEEE802.15.4定義了物理層和介質(zhì)訪問層技術(shù)規(guī)范;ZigBee聯(lián)盟定義了網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層技術(shù)規(guī)范。Z-Stack協(xié)議棧就是將各個層定義的協(xié)議都集合在一起，以函數(shù)的形式實現(xiàn)，并給用戶提供API(應(yīng)用層)，我們可以調(diào)用OSA

14、L提供的相關(guān)API進行多任務(wù)編程，將自己的應(yīng)用程序作為一個獨立的任務(wù)來實現(xiàn)。整個Z-Stack采用分層的軟件結(jié)構(gòu)，硬件抽象層(HAL)提供各種硬件模塊的驅(qū)動，.包括定時器Timer，通用I/O口GPIO,通用異步收發(fā)傳輸器UART,模數(shù)轉(zhuǎn)換ADC的應(yīng)用程序接口API，提供各種服務(wù)的擴展集。Z-Stack采用操作系統(tǒng)的思想來構(gòu)建，通過時間片輪轉(zhuǎn)函數(shù)實現(xiàn)任務(wù)調(diào)度，提供多任務(wù)處理機制，實現(xiàn)了一個易用的操作系統(tǒng)平臺。但是與標(biāo)準(zhǔn)的操作系統(tǒng)還是有很大區(qū)別的，只是實現(xiàn)了類似操作系統(tǒng)的某些功能，但并不能稱之為真正意義上的操作系統(tǒng)。在Zmain.c中定義了整個軟件的main函數(shù)，他有兩個工作:一是系統(tǒng)的初始化，

15、即通過啟動代碼來初始化硬件系統(tǒng)和軟件構(gòu)架的各個模塊;二是開始執(zhí)行操作系統(tǒng)實體，流程圖如圖5-10 系統(tǒng)的初始化，系統(tǒng)的初始化包括硬件的初始化和軟件架構(gòu)的各個模塊初始化，然后啟動代碼，為操作系統(tǒng)的運行做好準(zhǔn)備工作，其中主要包括:關(guān)閉所有中斷，系統(tǒng)時鐘初始化，檢測芯片電壓是否正常，I/O、LED、Timer等初始化，各個硬件模塊初始化，F(xiàn)LASH存儲器初始化，MAC層初始化，確定IEEE 64位地址，非易失變量初始化，操作系統(tǒng)初始化，使能全部中斷。3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計主程序流程圖如圖3-1所示初始化讀取值將讀取值發(fā)送到ZigBee并分析報告開始開始圖3-1 主程序流程圖3.3 監(jiān)測子程序void

16、dsl_reset(void)dsl=1;_nop_():dsl=0; TempDelay(80);_nop_O:dsl=1; TempDelay(5);_nop_();_nop_();_nop_(); if(dsl=0) flag=1;else flag=O: TempDelay(20):_nop_() _nop_(); dsl=1; /*/bit dsl_read_bit(void) /讀一位 bit dat; dsl=0 _nop_=(); dsl=1; _nop_=(); _nop_=(); dal=dsl;/15us內(nèi)有效 TempDelay(10); return(dat);uch

17、ar dsl_read_byte(void)/讀一字節(jié) uchar value,i,j; value=0 for(i=0;i<8;i+) j=dsl_read_bit(); value=(j<<7)|(value>>1); return(value);void dsl_write_ byte(uchar dat) uchar i; hit onebit; for(i=1;i<=8; i+) ; onebit=dat&0x01;dat=dat>>1;if(onebit) dsl=0; _nop_(); _nop_(); dsl=1; Tem

18、pDelay(5);else /寫0 dsl=9; TempDelay(8); dsl=1; _nop_(); _nop_(); void tem_change1()( dsl resetO; delay(1); dsl_ write_byte(Oxcc); dsl_ write_byte(Ox44);uint get_temperature1() float wendu; uchar a, b; dsl_reset(); delay(1); dsl_ write_byte(Oxcc); dsl_write byte(Oxbe);a=dsl_read_byte();b=dsl_reade_by

19、te();if(b>15) temp1=b; temp1<<=8; temp1=-temp1|a; temp1=-temp1+1; wendu=temp1*0.0625; temp1=wcndu*10+0.5;else temp1=b; temp1<<=8; temp1=temp1|a; temp1=temp1+1; wendu=temp1*0.0625; temp1=wcndu*10+0.5;return temp1; void main() TMOD=0x21; THO=0x3c; TLO=Oxb0; TRO=1; Ero=1; SM0=0; SM1=1; R

20、EN=1; TI=0;RI=0;PCON=0;TH1=Oxf5:TL1=0Xf5;ET1=9;ES=1;TR1=1;EA=I:whilE(1) TI=0; SBUF='a' while(!TI); TI=0; delay(50); SBUF='a' while!TI); TI=0 delay(50);3.4zigbee總線通信程序void init()/初始化SCL=1delay();SDA=1;delay(); void start()/啟動信號SDA=1;delay();SCL=1;delay(); SDA=0; delay();void stop() SD

21、A=0; delay(); SCL=1; delay(); SDA=1; delay();void respons() uchar i=0;SCL=1; delay(); while(SDA=1)&&(i<255) i+; SCL=O; delay():void writebyte(uchar date)/寫一個字節(jié) uchar i, temp; temp=date; for(i=O;i<8; i+) temp=temp<<l ; SCL=0 delay(); SDA=CY; delay(); SCL=1; delay(); SCL=O; delay()

22、; SDA=1; delay();任一地址寫入數(shù)據(jù)格式:uchar readbyte()/讀一個字節(jié)uchar i, j, k;SCL=0:delay();SDA=1;for(i=O: i<8: i+) SCL= 1; delay(); if(SDA=1) j=1; else j=0k=(k<<1)ij;SCL=0;delay()delay();return k;Void write_add(uchar address,uchar info)/指定地址寫一個字節(jié)數(shù)據(jù)start();writebyte(Oxa0):respons();writebyte(address);responsO;writebyte(info);responsO;stop();ucharrcad_add(uchar address)/指定地址讀一個字節(jié)數(shù)據(jù)uchar dd:start():writebyte(Oxa0);responsO()writebyte(address);respons();start():writebyte(Oxal