基于ZigBee技術(shù)的無線消防報(bào)警定位系統(tǒng)

1、 基于ZigBee技術(shù)的無線消防報(bào)警定位系統(tǒng)摘要:火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)是早期探測火災(zāi)、將火災(zāi)遏制在萌芽狀態(tài)的重要設(shè)備。隨著信息與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展,使得分布智能式、大容量、網(wǎng)絡(luò)化的火災(zāi)報(bào)警控制器的實(shí)現(xiàn)成為可能。本文研究zigbee無線消防報(bào)警定位系統(tǒng)。 關(guān)鍵詞:火災(zāi)報(bào)替系統(tǒng);無線傳感器網(wǎng)絡(luò);zigbee;定位 消防一直是關(guān)系社會安定和公眾安全的重要問題。隨著現(xiàn)代化城市布局的擴(kuò)大和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,建筑物內(nèi)人口的增加,煤氣、家用電器設(shè)備和公用電器設(shè)備使用中出現(xiàn)的可燃?xì)怏w泄露、電氣設(shè)備過載、過熱、短路等不安全因素,均具有火災(zāi)隱患,重特大火災(zāi)發(fā)生幾率呈上升趨勢?，F(xiàn)代火災(zāi)已呈現(xiàn)出立體化、復(fù)雜化、多樣化的趨勢,對人民

2、的生命和財(cái)產(chǎn)造成很大的威脅和損失。 一、無線火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng) 無線火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)與傳統(tǒng)的有線系統(tǒng)的區(qū)別在于:前者是通過無線信號而不是用導(dǎo)線將各個裝置連成一個系統(tǒng),這就使得硬件系統(tǒng)的安裝簡單而快速,最大限度減少對客戶的干擾和對建筑物的破壞。無線火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)借助于無線電信號而不是導(dǎo)線傳輸數(shù)據(jù),并用電池為系統(tǒng)組件提供工作電源。當(dāng)傳感器監(jiān)測到異常信號,短波無線電在1秒之內(nèi)將所得數(shù)據(jù)傳送到控制面板,由天線完成系統(tǒng)的主要輸入輸出。 如今,幾乎所有布線連接的電器裝置都可以改由無線電信號來控制,同時隨著電器元件的成本、自動化裝配成本的下降,無線火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的成本也隨之大幅度降低,并且隨著系統(tǒng)整體性能的提高,無線火災(zāi)

3、報(bào)警系統(tǒng)在很多情況下與有線系統(tǒng)相比,無論是在性能上還是價(jià)格上,都具有相當(dāng)大的競爭力,同時由于安裝速度快,對建筑物損毀小,無線火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的優(yōu)勢日趨明顯,應(yīng)用場所日益廣泛,其潛在市場正在被打開。LOCALHOsT 二、無線消防報(bào)普定位系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) zigbee協(xié)調(diào)器、中繼器(路由器)和終端設(shè)備以邊緣為星型的網(wǎng)狀拓?fù)浞绞竭B接。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中某處物理位置發(fā)生火警時,其附近傳感器節(jié)點(diǎn)感測到火警并將其通過網(wǎng)絡(luò)傳播出去;進(jìn)入火災(zāi)現(xiàn)場的消防人員隨身攜帶嵌入了無線模塊的移動裝置,視為網(wǎng)絡(luò)中的移動節(jié)點(diǎn),它通過向其周圍固定安裝的位置已知的節(jié)點(diǎn)發(fā)送測量命令消息,接收到消息的節(jié)點(diǎn)通過其中所包含的信息可為位置未知的移動節(jié)點(diǎn)估

4、算出所在位置。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器可將網(wǎng)絡(luò)信息傳送到pc中,從而可了解網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)工作情況以及消防人員的位置。 (一)硬件總體設(shè)計(jì)方案 根據(jù)國內(nèi)無線頻譜管理相關(guān)規(guī)定,基于zigbee標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品只能選擇頻段的器件。目前已經(jīng)推出了mcu與rf集成的“射頻soc”。例如chipcon公司2006年第一季度推出的cc2431,它由射頻收發(fā)器核心和增強(qiáng)型工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的8位8051微控制器組成,是目前世界上僅有的帶有 128k閃存的8051內(nèi)核的zigbee無線單片機(jī),并帶有定位跟蹤引擎。從本設(shè)計(jì)的功能要求和性能指標(biāo)來看,此類器件無疑是非常理想的選擇:低復(fù)雜度,低功耗,低速率,體積小,并能同時方便地滿足組網(wǎng)和定位的需要。但

5、是經(jīng)過市場調(diào)研后發(fā)現(xiàn),“物美”卻不“價(jià)廉”,無論是芯片還是開發(fā)工具都價(jià)格不菲。 出于符合要求又兼顧成本的綜合考慮,經(jīng)過對不同方案的研究和對比,決定還是采用獨(dú)立mcu與rf器件的硬件架構(gòu)。mcu采用microchip公司的pic18lf2620,它是8位微控制器,低電壓供電,28個管腳包含3組雙向1/0,中斷和定時器資源都很豐富,并且很容易將程序功能擴(kuò)展移植到40腳的pic18lf4620。rf采用chipeon公司的ce2500,它的工作頻帶范圍為2400,采用微米cmos工藝,外形小,需要的外部元件數(shù)量少,而且價(jià)格十分低廉,低電壓供電,高接收靈敏度,屬于超低成本zigbeerf芯片。其余的器

6、件比如傳感器、串口通信器件等,以及必要外圍器件如led,均考慮了體積與功耗因素。 (二)軟件總體設(shè)計(jì) 要組建一個基于zigbee技術(shù)的無線消防報(bào)警定位系統(tǒng),首先要對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和處理,例如環(huán)境感測數(shù)據(jù);然后要實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間的通信,才能將獲得的信息從一個節(jié)點(diǎn)傳送到其他節(jié)點(diǎn);最后要進(jìn)行組網(wǎng)以及定位估計(jì),才能最終實(shí)現(xiàn)一個自組織網(wǎng)絡(luò)并對移動未知節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位。 1、數(shù)據(jù)采集與傳輸 這一部分主要包括傳感器信息的采集、所使用的幾種通信方式、數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制。 傳感器信息的采集,其實(shí)就是處理傳感器和微控制器的接口。傳感器將采集來的模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量,送進(jìn)微控制器;微控制器根據(jù)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)處理。 規(guī)定所有的通信是基

7、于包的。在數(shù)據(jù)通信部分,rf芯片已經(jīng)對一些功能例如cca、lqi、同步字探測、地址校驗(yàn)、自動crc等給予了硬件支持,這些減少了軟件設(shè)計(jì)時對于數(shù)據(jù)包形成和接收檢驗(yàn)的工作量。本設(shè)計(jì)是采用非信標(biāo)使能的網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),它的通信機(jī)制在 規(guī)范中有詳細(xì)的定義和說明,設(shè)計(jì)時應(yīng)按照規(guī)范,采用無時隙的csm/ca算法,實(shí)現(xiàn)設(shè)備到協(xié)調(diào)器、協(xié)調(diào)器到設(shè)備以及對等實(shí)體之間的可靠數(shù)據(jù)傳輸。 系統(tǒng)信息匯集在網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。協(xié)調(diào)器通過rs-232串口可與監(jiān)控主機(jī)進(jìn)行通信,從而可在pc上更直觀和方便地了解網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)工作情況以及消防人員的位置。 2、組網(wǎng)及路由 這一部分主要包括:協(xié)調(diào)器如何建立網(wǎng)絡(luò),節(jié)點(diǎn)如何向父設(shè)備請求加入網(wǎng)絡(luò),協(xié)調(diào)器如何

8、處理其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送的入網(wǎng)請求,允許節(jié)點(diǎn)加入;以及消息在網(wǎng)絡(luò)中如何進(jìn)行路由。 3、定位算法 這一部分主要包括定位估算的原理,給出rssl數(shù)據(jù)采集機(jī)制、門限設(shè)置和位置估算方法。 cc250o帶有rssl(接收信號強(qiáng)度指示)的數(shù)字輸出。由于該消防報(bào)警系統(tǒng)是安裝在建筑物內(nèi),其定位即屬于室內(nèi)定位。通過對大量文獻(xiàn)中關(guān)于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位算法的研究,同時結(jié)合cc25oo的此一特性,決定采用基于rssl的最大似然估計(jì)方法進(jìn)行定位估算。相比許多其他的方法,用此種方法進(jìn)行物理定位的精度并不是非常理想,但由于室內(nèi)節(jié)點(diǎn)的密度相對較密集,故精度所產(chǎn)生的影響不會太大,并且還可以利用符號定位提供位置參考。同時,采用較簡單的算

9、法也降低了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度。如果要將系統(tǒng)應(yīng)用在精度要求很高的場合,也可對現(xiàn)有算法進(jìn)行一些修正以提高精度,例如自適應(yīng)迭代法、距離加權(quán)估計(jì)算法等。 zigbee技術(shù)以其優(yōu)越的特性在無線通信領(lǐng)域異軍突起,應(yīng)用日趨廣泛。本文基于zigbee技術(shù),設(shè)計(jì)了可對樓宇內(nèi)火警進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控并追蹤消防人員位置的無線消防報(bào)警定位系統(tǒng)。該設(shè)計(jì)方案已應(yīng)用于實(shí)踐,同時對其他設(shè)備或人員的無線監(jiān)控和定位追蹤也具有借鑒意義?；趜igbee技術(shù)的消防報(bào)警定位系統(tǒng),必將在未來的智能樓宇中得到更普遍的發(fā)展和應(yīng)用。 參考文獻(xiàn): 1 丁飛,張西良,張世慶,王濤. zigbee技術(shù)的硬件實(shí)現(xiàn)模式分析j. 單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用, 2006,(09) . 2 施承,宋鐵成,葉芝慧,胡靜,沈連豐. 基于zigbee協(xié)議的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的研制j.