基于ZigBee的船艇消防安全監(jiān)測系統(tǒng)研究

摘 要:基于ZigBee技術的船艇消防安全監(jiān)測系統(tǒng)的設計方案，在成本低、易于實現(xiàn)的前提下實現(xiàn)對船艇各個艙室內部的消防安全監(jiān)測。將ZigBee這種低功耗、高可靠性、可擴展性強的無線網(wǎng)絡應用于消防安全監(jiān)測，避免了各種現(xiàn)場布線，加強了系統(tǒng)的靈活性和可靠性，提高了船艇消防安全的監(jiān)測能力。

關鍵詞:ZigBee; 傳感器; 船艇; 消防安全

中圖分類號:TN915 文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)11-0129-02

Study of ZigBee-based Safety Monitoring System for Ship Fire

ZHENG Shuai， ZHOU You-ling

(Hainan University， Haikou 570228， China)

Abstract: The wired monitoring mode is commonly used in the traditional ship compastment fire monitoring systems， whose disadvantages are high cost， complex wiring， poor scalability and hard to maintain. The disign scheme of the ship fire safety monitoring system based on ZigBee technology can achieve the fire monitoring inside the ship compartments under the precondition of low cost and easy implementation. If the ZigBee based wireless network with low-power comsumption， high reliability and scalability is applied in fire monitoring， a variety of on-site wiring can be avoided， the system′s flexibility and reliability enhanced， and the of ability ship fire monitoring improved.

Keywords: ZigBee; sensor; ship; fire safety

0 引 言

我國是一個海洋大國，海洋面積為陸地面積的三分之一，各類船艇在國防、國民經(jīng)濟和海洋開發(fā)等方面都占有十分重要的地位。船艇的基本部分為船體，其內部有工作艙、生活艙、貯藏艙、儀器設備艙等各種用途的艙室[1]。由于船艇艙室多為狹小的半封閉式空間，艙內消防安全監(jiān)測尤為重要。

傳統(tǒng)的船艇艙室消防安全監(jiān)測系統(tǒng)一般采用有線監(jiān)控的方式，火災探測器直接通過硬線與控制器連接。有線監(jiān)測系統(tǒng)造價高、布線復雜、擴展性差、設備后期維修困難[2]。目前，無線傳感器網(wǎng)絡已經(jīng)在各種環(huán)境條件的監(jiān)控系統(tǒng)中得到了廣泛的應用，船艇艙室的監(jiān)測系統(tǒng)使用無線傳感器網(wǎng)絡，不會出現(xiàn)傳統(tǒng)布線方法帶來的種種不便。由于消防安全為長期的連續(xù)監(jiān)測，使用ZigBee這種安裝簡單、能量消耗小的短距離無線通信技術十分適合。本文提出了一種基于ZigBee技術的船艇消防安全監(jiān)測系統(tǒng)的設計方案，在成本低、易于實現(xiàn)的前提下實現(xiàn)對船艇各個艙室內部的消防安全監(jiān)測。

1 ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡

1.1 ZigBee技術簡介

ZigBee是一種低復雜度、低成本、低功耗、低速率的短距離雙向無線通信新技術，是建立在IEEE 802.15.4定義的可靠的物理層(PHY)和媒體訪問層(MAC)之上的標準[3]。IEEE 802.15.4定義了兩類設備類型:精簡功能設備(RFD)和全功能設備(FFD) [4]。在ZigBee系統(tǒng)中，這兩類設備指的是物理設備類型。在ZigBee網(wǎng)絡中，一個節(jié)點可以有三種角色:ZigBee協(xié)調器、ZigBee路由器和ZigBee終端設備[5]。ZigBee技術可實現(xiàn)的網(wǎng)絡拓撲結構有三種:星形、樹形、網(wǎng)狀，如圖1所示[6]。

圖1 ZigBee網(wǎng)絡拓撲結構

1.2 ZigBee技術特點

相對于傳統(tǒng)的無線電、微波、藍牙、射頻等各種無線通信方式，ZigBee技術是最低功耗和最低成本的技術[7]。ZigBee技術主要有以下特點:

(1) 功耗低，在低功耗模式下，2節(jié)普通5號電池使用時間為6~24個月。

(2) 設備成本低，協(xié)議簡單，協(xié)議免專利費，搭建平臺的成本較低，適合廣泛使用。

(3) 網(wǎng)絡容量大，可容納最多65 000個設備。

(4) 網(wǎng)絡的自組織、自愈能力強，通信可靠[8]。

2 船艇艙室消防安全監(jiān)測系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)設計方案

船艇消防安全監(jiān)測系統(tǒng)探測火災發(fā)生的原理是檢測火災發(fā)生前后的煙濃度、溫度和光這三個物理參數(shù)的變化，利用分布在艙室待測區(qū)域內的傳感器節(jié)點采集這些環(huán)境參數(shù)[8]。

船艇消防安全監(jiān)測系統(tǒng)設計由硬件電路設計和系統(tǒng)軟件設計兩部分組成。使用ZigBee技術通過控制器和若干個傳感器節(jié)點，搭建一個無線通信網(wǎng)絡。多個傳感器節(jié)點置于船艇各艙室內，通過傳感器采集煙濃度、濕度、光強數(shù)據(jù)，將采集結果通過無線通信的方式發(fā)送到路由器節(jié)點，然后路由器節(jié)點再將數(shù)據(jù)以無線通信的方式發(fā)送到協(xié)調器節(jié)點。協(xié)調器節(jié)點將收集的多個數(shù)據(jù)進行分析處理后，顯示在LCD顯示屏上，同時也可通過串口將采集信息傳輸至PC機。系統(tǒng)設計主要結構如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)設計結構圖

2.2 功能模塊設計

系統(tǒng)選用的ZigBee設備為基于Jennic公司的JN5139 ZigBee解決方案，它提供了完整的ZigBee協(xié)議棧、軟件編輯、編譯/鏈接、調試、下載等工具。JN5139芯片是英國Jennic公司推出的高性能、低功耗的一系列無線芯片，該系列芯片天線的靈敏度高、功耗低、通訊距離遠，為ZigBee技術提供了良好的解決方案[9]。系統(tǒng)節(jié)點框圖如圖3所示。

ZigBee網(wǎng)絡協(xié)調器模塊設備板載UART接口用于和嵌入式主板或PC連接，可進行數(shù)據(jù)傳輸及軟件下載或調試。作為網(wǎng)絡協(xié)調者，負責管理整個ZigBee網(wǎng)絡的組建和維護。傳感器節(jié)點/路由模塊設備采用2節(jié)5號電池供電，提供模擬傳感器和數(shù)字傳感器擴展接口，用于連接煙濃度、溫度、光強度傳感器。作為路由節(jié)點或終端節(jié)點，其自身可采集數(shù)據(jù)，并可轉發(fā)其他節(jié)點的數(shù)據(jù)包。

圖3 系統(tǒng)節(jié)點的硬件框圖

2.3 系統(tǒng)軟件設計

軟件平臺同樣使用Jennic公司所提供的代碼編輯和編譯環(huán)境Jennic CodeBlocks。CodeBlocks是一款開源的C/C++開發(fā)工具，Jennic基于這個工具對其進行擴展形成了自己的開發(fā)平臺。Jennic Flash Programmer程序用來將CodeBlocks中編譯好的代碼下載到控制器板或傳感器板中[10]。

系統(tǒng)的軟件設計包括網(wǎng)絡協(xié)調器節(jié)點和傳感器節(jié)點的設計。網(wǎng)絡協(xié)調器節(jié)點在初始化過程中找到合適的信道，建立一個網(wǎng)絡，循環(huán)檢測傳感器節(jié)點的綁定請求。當傳感器節(jié)點加入網(wǎng)絡后，便可進行數(shù)據(jù)的傳輸。傳感器節(jié)點的軟件流程圖如圖4所示。該程序的主要作用就是將傳感器節(jié)點加入網(wǎng)絡協(xié)調器節(jié)點建立的無線網(wǎng)絡，實時讀取傳感器測得的環(huán)-境參數(shù)數(shù)據(jù)，并周期性地將這些數(shù)據(jù)發(fā)送給網(wǎng)絡協(xié)調器節(jié)點。

圖4 傳感器節(jié)點信息采集流程圖

3 結 語

提出了一種以JN5139模塊為核心，基于ZigBee的船艇消防安全監(jiān)測系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)方法。將ZigBee這種低功耗、高可靠性、可擴展性強的無線網(wǎng)絡應用在消防安全監(jiān)測，避免了各種現(xiàn)場布線，加強了系統(tǒng)的靈活性和可靠性，提高了船艇消防安全監(jiān)測能力，更好地避免船艇火災的發(fā)生。

參考文獻

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[2]楊艷華，張鳳登，馬進明.ZigBee技術在火災自動報警系統(tǒng)中的應用[J]. 上海電力學院學報， 2008，24(4):393-396.

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[9]Jennic Ltd.. JN5139 wireless modules[M]. \\: Jennic Ltd.， 2007

[10]Jennic Ltd.. CodeBlocks IDE user guide[M]. \\: Jennic Ltd.， 2008.