基于無線網(wǎng)絡(luò)的多點(diǎn)火災(zāi)監(jiān)測

1、 成員：盛雨晴 2011071003 邱滿剛 2011071073 汪洋令 2011071070 基于無線網(wǎng)絡(luò)的多點(diǎn)火災(zāi)檢測基于無線網(wǎng)絡(luò)的多點(diǎn)火災(zāi)檢測 前言： 近年來，隨著建筑材料中使用的易燃材料增多，對樓宇火災(zāi) 報(bào)警系統(tǒng)提出了更高的要求。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和ZigBee技術(shù) 的應(yīng)用，解決了傳統(tǒng)的有線火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)誤報(bào)警率較高、布線 復(fù)雜以及維護(hù)困難的問題，使火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)化、自 動化、智能化。 選取CC2430作為無線網(wǎng)絡(luò)的核心芯片，構(gòu)建一個(gè)ZigBee星形 網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)無線火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的簡化模型。通過該無線網(wǎng)絡(luò)傳 輸樓層各房間的一氧化碳濃度和溫度信息，并由控制中心根據(jù) 預(yù)先設(shè)定的規(guī)則，判斷

2、是否有火災(zāi)發(fā)生，定時(shí)報(bào)告該高層建筑 的安全情況。該系統(tǒng)具有較好的應(yīng)用前景和經(jīng)濟(jì)效益 系統(tǒng)框架 根據(jù)測定分析，空氣中的一氧化碳001；當(dāng)空氣中一氧化 碳濃度達(dá)到006時(shí)，1小時(shí)便能引起人的中毒；如果達(dá)到0 32，只需30 min，人便可陷入昏迷致死亡。因此本設(shè)計(jì) CO濃度上限NH設(shè)定為006，溫度上限TH設(shè)定為30 35。 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)接收到數(shù)據(jù)后，綜合判斷是否有火災(zāi)發(fā)生，其 判定的規(guī)則為：(1)如果溫度或一氧化碳濃度超限，則分別置 標(biāo)志位為1，否則為0。(2)根據(jù)溫度和一氧化碳濃度的標(biāo)志位 來判斷是否發(fā)生火災(zāi)，如有火災(zāi)發(fā)生，則發(fā)出相應(yīng)的警報(bào)：一 氧化碳?xì)怏w濃度、溫度標(biāo)志位只有一個(gè)為1時(shí)，發(fā)出警報(bào)

3、I；一 氧化碳濃度、溫度標(biāo)志位二者均為1時(shí)，發(fā)出警報(bào)II。 室內(nèi)多點(diǎn)火災(zāi)檢測報(bào)警，采用CC2430進(jìn)行ZigBee的組網(wǎng)，它是 一種適合短距離、低速率無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，采用IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn) ，ZigBee 無線 可使用的頻段有 3 個(gè)，分別是 2.4GHz 的 ISM 頻 段、歐洲的 868MHz 頻段、以及美國的 915MHz 頻段，而不同 頻段可使用的信道分別是 16 、 1 、 10 個(gè)，在中國采用2.4G頻 段，是免申請和免使用費(fèi)的頻率。所以我們利用全球免費(fèi)的2.4 GHz公共頻率。Zigbee技術(shù)具有強(qiáng)大的設(shè)備聯(lián)網(wǎng)功能，能夠?qū)崿F(xiàn) 在數(shù)千個(gè)微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)通信，并且使整

4、個(gè)網(wǎng)絡(luò)的功 耗非常低，但通信效率卻很高。其最大的優(yōu)點(diǎn)在于能夠?qū)崿F(xiàn)各個(gè) 通信節(jié)點(diǎn)之間的自動組網(wǎng)，并自行選擇最佳通信路由，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中 的某個(gè)節(jié)點(diǎn)退出或變更位置后，Zigbee網(wǎng)絡(luò)會自動重新創(chuàng)建最佳 路由。Zigbee技術(shù)應(yīng)用于監(jiān)視、控制網(wǎng)絡(luò)時(shí)，具有非常顯著的低 成本、低耗電、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)多、傳輸距離遠(yuǎn)、數(shù)據(jù)安全等優(yōu)勢，目 前被視為替代有線監(jiān)視和控制網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域最有前景的技術(shù)之一。 系統(tǒng)設(shè)計(jì) ZigBee 無線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，這一無線網(wǎng)絡(luò)主要由分布在室內(nèi) 各監(jiān)測區(qū)域，各測量單位都配備有低成本的 ZigBee 遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn) 用于無線上傳數(shù)據(jù)；監(jiān)測區(qū)域內(nèi)也按照距離的需要分布有； ZigBee 路由節(jié)點(diǎn)組成了無線 ZigBe

5、e 網(wǎng)絡(luò)，所有的火災(zāi)檢測 數(shù)據(jù)都可以通過這一網(wǎng)絡(luò)上傳到 ZIGBEE 中心節(jié)點(diǎn)，其覆蓋 范圍可以大范圍擴(kuò)展； ZIGBEE中心節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)需要送到火災(zāi)監(jiān)測管理中心 ，這可以通過 GPRS/CDMA 無線網(wǎng)絡(luò)或 ADSL來實(shí)現(xiàn)； 各遙測單元根據(jù)火災(zāi)監(jiān)測要求，安裝在各個(gè)樓層和小區(qū) 實(shí)行無人監(jiān)測，實(shí)時(shí)獲取各點(diǎn)數(shù)據(jù)，通過 ZIGBEE 無線通訊 可受上級監(jiān)測站 ( 分中心 ) 的控制，對監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中的火災(zāi)發(fā)出 及時(shí)報(bào)警并通知火警施救。 ZigBee各組件 ZDO設(shè)備對象層，即 ZDO（ZigBee Device Object）層，提供了管 理一個(gè) ZigBee 節(jié)點(diǎn)所要使用的功能函數(shù)。ZDO API

6、為協(xié)調(diào)器、路由器和 終端設(shè)備提供了應(yīng)用端點(diǎn)的管理函數(shù)，其中包括：建立、發(fā)現(xiàn)和加入一個(gè) ZigBee 網(wǎng)絡(luò)，綁定應(yīng)用端點(diǎn)和安全管理。 AF應(yīng)用框架層，即 AF（Application Framework） ，提供了針對協(xié) 議棧的應(yīng)用端點(diǎn)（EndPoint1240）和設(shè)備對象端點(diǎn)（EndPoint0）接口 ，其中主要包含：設(shè)備描述數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)收、發(fā)函數(shù)APS應(yīng)用支持子層 ，即 APS（Application Support Sublayer），為設(shè)備對象和應(yīng)用實(shí)體提供 了一系列的支持服務(wù)。 NWK網(wǎng)絡(luò)層，即 NWK（ZigBee network） ，為上層提供了管理服務(wù) 和數(shù)據(jù)服務(wù)。 ZMAC介

7、質(zhì)訪問層，即 ZMAC，在 802.15.4 MAC 與 網(wǎng)絡(luò)層之間提 供接口。 CC2430： 選用TI下屬Chipcon公司生產(chǎn)的CC2430芯片，它是一種 符合ZigBee技術(shù)的2.4GHz射頻系統(tǒng)單芯片，此芯片上 整合了ZigBee射頻(RF)前端、內(nèi)存和微控制器。它使用 1個(gè)8位MCU，具有128KB可編程閃存和8KB的RAM， 還包含模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器、幾個(gè)定時(shí)器、AES128協(xié)同處 理器、看門狗定時(shí)器、32kHz晶振的休眠模式定時(shí)器、 上電復(fù)位電路、掉電檢測電路。共有48個(gè)引腳，全部引 腳可分為I/O端口線引腳、電源線引腳和控制線引腳三 類。以及21個(gè)可編程I/O引腳。 CC2430

8、芯片管腳圖 16 腳（P1_2 P1_7）： 具有 4 mA 輸出驅(qū)動能力。 8，9 腳（P1_0，P1_1）： 具有 20 mA 的驅(qū)動能力。 1118 腳（P0_0 P0_7）： 具有 4 mA 輸出驅(qū)動能力。 43，44，45，46，48 腳（P2_4，P2_3，P2_2，P2_1，P2_0）具有4 mA 輸出驅(qū)動能力 。 7 腳（DVDD）： 為 I/O 提供2.03.6 V 工作電壓。 19 腳（XOSC_Q2）: 32 MHz 的晶振引腳2。 21 腳（XOSC_Q1）: 32 MHz 的晶振引腳1，或外部時(shí)鐘輸入引腳。 22 腳（RBIAS1）: 為參考電流提供精確的偏置電阻。

9、26 腳（RBIAS2）: 提供精確電阻，43 k，1%。 20 腳（AVDD_SOC）： 為模擬電路連接2.03.6 V 的電壓。 23 腳（AVDD_RREG）： 為模擬電路連接2.03.6 V 的電壓。 24 腳（RREG_OUT）： 為 25，2731，3540 引腳端口提供1.8 V 的穩(wěn)定電壓。 25 腳 (AVDD_IF1 )： 為接收器波段濾波器、模擬測試模塊和VGA 的第一部分電路提 供1.8 V 電壓。 27 腳（AVDD_CHP）： 為環(huán)狀濾波器的第一部分電路和充電泵提供1.8 V 電壓。 28 腳（VCO_GUARD）： VCO 屏蔽電路的報(bào)警連接端口。 29 腳（AV

10、DD_VCO）: 為VCO 和PLL 環(huán)濾波器最后部分電路提供1.8 V 電壓。 30 腳（AVDD_PRE）: 為預(yù)定標(biāo)器、Div 2 和LO 緩沖器提供1.8 V 的電壓。 31 腳（AVDD_RF1）: 為LNA、前置偏置電路和PA 提供1.8 V 的電壓。 32 腳（RF_P）: 在RX 期間向LNA 輸入正向射頻信號；在TX 期間接收來 33 腳（TXRX_SWITCH）: 為PA 提供調(diào)整電壓。 34 腳（RF_N）: 在RX 期間向LNA 輸入負(fù)向射頻信號；在TX 期間接收來自PA 的輸入 負(fù)向射頻信號。 35 腳（AVDD_SW）: 為LNA/PA 交換電路提供1.8 V 電壓

11、。 36 腳（AVDD_RF2）: 為接收和發(fā)射混頻器提供1.8 V 電壓。 37 腳（AVDD_IF2）: 為低通濾波器和VGA 的最后部分電路提供1.8 V 電壓。 38 腳（AVDD_ADC）: 為ADC 和DAC 的模擬電路部分提供1.8 V 電壓。 39 腳（DVDD_ADC）: 為ADC 的數(shù)字電路部分提供1.8 V 電壓。 40 腳（AVDD_DGUARD）: 為隔離數(shù)字噪聲電路連接電壓。 41 腳（AVDD_DREG）: 向電壓調(diào)節(jié)器核心提供2.03.6 V 電壓。 42 腳（DCOUPL）: 提供1.8 V 的去耦電壓，此電壓不為外電路所使用。 43 腳 (P2_4/XOSC

12、_Q2): 32.768 kHz XOSC 的2.3 端口。 44 腳 (P2_4/XOSC_Q1): 32.768 kHz XOSC 的2.4 端口。 47 腳（DVDD）: 為I/O 端口提供2.03.6 V 的電壓。 2.3 控制線引腳功能 10 腳（ RESET_N）: 復(fù)位引腳，低電平有效。 ZigBee協(xié)議： ZigBee協(xié)議棧是基于國際標(biāo)準(zhǔn)組織(ISO)開放系統(tǒng)互 連(OSI)參考模式,但僅對涉及ZigBee的層給予定義。 ZigBee協(xié)議由底向上分為:物理層、介質(zhì)訪問控制子層 、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層。IEEE802.15.422003標(biāo)準(zhǔn)定義了物 理層(PHY)和介質(zhì)訪問控制子層(M

13、AC),其中MAC層能支 持多種LLC標(biāo)準(zhǔn).通過SSCS(業(yè)務(wù)相關(guān)的會聚子層協(xié)議), 承載IEEE802.2類型I的LLC標(biāo)準(zhǔn),且允許其他LLC標(biāo)準(zhǔn)直 接使IEEE802.15.4的MAC層服務(wù);ZigBee聯(lián)盟提供了 ZigBee協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)層(NWK)和應(yīng)用層(APL)框架設(shè)計(jì)。 無限傳感器網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)原理 ZigBee網(wǎng)絡(luò)設(shè)備類型及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) ZigBee有3種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和2種物理設(shè)備:星形結(jié)構(gòu)、簇狀結(jié)構(gòu) 和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。2種物理設(shè)備包括具有完全功能的設(shè)備(FFD)、 僅具有簡單功能的設(shè)備(RFD)。在ZigBee的3種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 中,都可以使用FFD,它可以作為ZigBee網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)者、路由的

14、選擇器、網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備終端;而RFD簡單功能設(shè)備只適用于作終 端設(shè)備。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器主要完成網(wǎng)絡(luò)初始化及網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)涓? 傳輸網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)、管理網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)及存儲網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)信息,提供關(guān)聯(lián) 節(jié)點(diǎn)之間的路由信息,存儲節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)設(shè)備等。路由器必須加入 ZigBee網(wǎng)絡(luò),才能發(fā)送、接收或者路由數(shù)據(jù),加入后能夠允許其 他路由器和終端設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)。終端設(shè)備加入ZigBee網(wǎng)絡(luò)后 才能接收或者發(fā)送數(shù)據(jù),不能允許設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò),必須總是通過 它的父節(jié)點(diǎn)發(fā)送和接收數(shù)據(jù),不可路由數(shù)據(jù)。 ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)自組網(wǎng)原理 ZigBee網(wǎng)絡(luò)由協(xié)調(diào)器啟動來實(shí)現(xiàn)自組網(wǎng)功能。ZigBee網(wǎng) 絡(luò)也叫做ZigBeePAN。當(dāng)協(xié)調(diào)器首次啟動的時(shí)候,它將

15、在多個(gè) 信道上執(zhí)行能量掃描,當(dāng)能量掃描結(jié)束后,協(xié)調(diào)器掃描剩下的安 靜信道。這時(shí)候,協(xié)調(diào)器發(fā)出一個(gè)廣播,單跳信標(biāo)要求。任何附 近協(xié)調(diào)器和路由器將通過發(fā)送信標(biāo)幀到協(xié)調(diào)器響應(yīng)到信標(biāo)要求 。信標(biāo)幀包含關(guān)于PAN信息,包含PAN識別符,和是否設(shè)備允許 加入。一旦協(xié)調(diào)器完成能量和PAN掃描,它分析所有收到的信 標(biāo),并嘗試啟動一個(gè)沒有被占用的PANID和信道,這個(gè)PANID是 唯一的。路由器和終端設(shè)備只要啟動,他們會不停的掃描PAN, 接收信標(biāo),配置以加入任何ZigBeePAN,或者加入帶某一PANID 的PAN。協(xié)調(diào)器或者路由器是否允許新的設(shè)備加入主要有兩個(gè) 參數(shù):加入允許使能和終端設(shè)備子節(jié)點(diǎn)數(shù)。終端設(shè)備

16、依靠它的 父節(jié)點(diǎn)緩存收到的數(shù)據(jù),協(xié)調(diào)器和每個(gè)路由器能支持有限終端 子節(jié)點(diǎn),一旦達(dá)到協(xié)調(diào)器或者路由器規(guī)定的子節(jié)點(diǎn),將不再允許 終端加入。 網(wǎng)絡(luò)地址搜尋及傳輸模式流程 ZigBee支持設(shè)備地址以及應(yīng)用層地址,設(shè)備地址規(guī)定了數(shù) 據(jù)包所通向設(shè)備的目的地址,應(yīng)用層地址指明了一個(gè)特別的應(yīng) 用接收器,稱為ZigBee終端?；?02.15.4協(xié)議上的ZigBee協(xié) 議規(guī)定了兩種地址類型:16位網(wǎng)絡(luò)地址和64位地址。每個(gè)節(jié)點(diǎn) 加入網(wǎng)絡(luò)時(shí),節(jié)點(diǎn)被分配到一個(gè)16位的網(wǎng)絡(luò)地址。網(wǎng)絡(luò)地址對 網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)都是唯一的,但是網(wǎng)絡(luò)地址是可以改變的;而每 個(gè)節(jié)點(diǎn)64位地址是唯一的,具有永久性。在網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸中, 數(shù)據(jù)發(fā)送總

17、是被傳送至16位網(wǎng)絡(luò)地址的目標(biāo)設(shè)備。ZigBee設(shè) 備在傳輸數(shù)據(jù)前,必須在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)發(fā)出網(wǎng)絡(luò)地址搜尋,該數(shù)據(jù) 包含有目標(biāo)設(shè)備的64位地址,只有與數(shù)據(jù)包中64位地址相匹配 的接收端才會向發(fā)送器反饋一個(gè)數(shù)據(jù)包,并提供其網(wǎng)絡(luò)地址,收 到反饋時(shí),發(fā)送器就可以傳輸數(shù)據(jù)了。傳輸數(shù)據(jù)前模塊將確保 目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的16位網(wǎng)絡(luò)地址和路徑已被確定,如果沒有發(fā)現(xiàn)相匹 配網(wǎng)絡(luò)地址的模塊,則會丟棄數(shù)據(jù)包。 CC2430 電源電路 TGS2442信號調(diào)理電路 A/D 轉(zhuǎn)換 終端模塊終端模塊 VH用于維持敏感素子處于與對象氣體(CO氣體)相適 應(yīng)的特定溫度而施加在集成的加熱器上，VC則用于測 定與傳感器串聯(lián)的負(fù)載電阻RL上的兩端

18、電壓VOUT， 當(dāng)傳感器探測到一氧化碳?xì)怏w時(shí)，傳感器的內(nèi)阻RS變 小，輸出電壓VOUT迅速上升，即一氧化碳?xì)怏w濃度 達(dá)到一定程度時(shí)，對應(yīng)RS阻值會隨之變化。 溫度傳感器采用單總線智能溫度傳感器DS18B20，該器件為 單片結(jié)構(gòu)、體積小，外部只有3個(gè)引腳。與傳統(tǒng)的熱敏電阻相 比，DS18B20不需運(yùn)算放大器，可直接讀出被測溫度，并根 據(jù)實(shí)際要求通過編程來實(shí)現(xiàn)912位的數(shù)字值讀數(shù)。而且具有 微型化、低功耗、高性能、易于微處理器連接和抗干擾能力強(qiáng) 等優(yōu)點(diǎn)，即適合與單片機(jī)構(gòu)成智能溫度檢測系統(tǒng)。 報(bào)警電路 程序設(shè)計(jì) Z-Stack采用操作系統(tǒng)的思想來構(gòu)建，采用事件輪循 機(jī)制，當(dāng)各層初始化之后，系統(tǒng)進(jìn)入低

19、功耗模式，當(dāng)事 件發(fā)生時(shí)，喚醒系統(tǒng)，開始進(jìn)入中斷處理事件，結(jié)束后 繼續(xù)進(jìn)入低功耗模式。如果同時(shí)有幾個(gè)事件發(fā)生，判斷 優(yōu)先級，逐次處理事件。這種軟件構(gòu)架可以極大地降級 系統(tǒng)的功耗。 整個(gè)Z-stack的主要工作流程，大致分為系統(tǒng)啟動 ，驅(qū)動初始化，OSAL初始化和啟動，進(jìn)入任務(wù)輪循幾 個(gè)階段。 系統(tǒng)流程圖如下 終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì) 終端節(jié)點(diǎn)通電后，自動搜索網(wǎng)絡(luò)并發(fā)送綁定請求，申請加入 網(wǎng)絡(luò)，在加入網(wǎng)絡(luò)后，終端節(jié)點(diǎn)把自己的網(wǎng)絡(luò)ID號發(fā)送至協(xié)調(diào) 器節(jié)點(diǎn)，以供后期判斷使用。終端節(jié)點(diǎn)采集到溫度和CO氣體 數(shù)據(jù)先做一個(gè)預(yù)處理判斷，當(dāng)判斷為有火災(zāi)情形時(shí)，將預(yù)報(bào)警 信息送至RF發(fā)射端，通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。由