ZigBee技術(shù)在消防聯(lián)動(dòng)應(yīng)急系統(tǒng)中的應(yīng)用

馬廣程，趙 彬，劉克平

（長春工業(yè)大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，吉林 長春 130012）

0 引 言

隨著傳感器技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、無線通信技術(shù)以及嵌入式系統(tǒng)的不斷發(fā)展和日臻完善，多種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Networks，WSN）覆蓋了人們的生活。其中ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)以其經(jīng)濟(jì)、高效、可靠等優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為當(dāng)代跨多學(xué)科的前沿?zé)狳c(diǎn)研究領(lǐng)域。由于消防聯(lián)動(dòng)應(yīng)急系統(tǒng)對(duì)于網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性、可靠性、組網(wǎng)和路由性等特性要求較高，而對(duì)數(shù)據(jù)傳輸速率要求不高。因此低功耗、低成本、低速率、短距離、短延時(shí)、高網(wǎng)絡(luò)容量、高可靠性的ZigBee總線特別適合作為消防聯(lián)動(dòng)應(yīng)急系統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)傳輸總線。傳統(tǒng)的消防應(yīng)急設(shè)備無法實(shí)現(xiàn)與消防應(yīng)急指揮中心之間的實(shí)時(shí)信息通信，發(fā)生火災(zāi)時(shí)，消防應(yīng)急指揮中心無法實(shí)時(shí)得到現(xiàn)場的確切消息，文中提出一種基于ZigBee總線技術(shù)的無線網(wǎng)絡(luò)解決方案。

1 幾種近距離無線通信技術(shù)的比較

為了不斷滿足人們對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)提出的多樣化要求，ZigBee，Wi－Fi（Wireless Fidelity，無線保真）、Bluetooth（藍(lán)牙）、IrDA（紅外線數(shù)據(jù)通信）、UWB（Ultra Wideband，超寬帶通信）、NFC（Near Field Communication，近場通信）等6種近距離無線通信技術(shù)相繼涌現(xiàn)，發(fā)展?jié)摿薮螅?］。

幾種近距離無線通信技術(shù)的比較見表1。

表1 近距離無線通信技術(shù)的比較

由表1可以看出，ZigBee技術(shù)在工作頻段、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量、功耗以及成本等方面具備獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，尤其滿足傳輸數(shù)據(jù)量不大的應(yīng)用場合，因此，已經(jīng)成為自動(dòng)化監(jiān)測(cè)控制領(lǐng)域的應(yīng)用研究熱點(diǎn)。

2 ZigBee技術(shù)概述

2.1 ZigBee技術(shù)起源

ZigBee技術(shù)是一組近年來新晉的基于IEEE 802.15.4無線標(biāo)準(zhǔn)制定的近距離無線通信技術(shù)，它的商業(yè)化命名源自于一種蜜蜂采蜜時(shí)獨(dú)特的通信方式。ZigBee Alliance于2002年8月正式成立，第一份ZigBee技術(shù)規(guī)范已于2005年6月發(fā)布。目前ZigBee Alliance已獲得了包括Motorola，Philips，Mitsubishi，Invensys等100多家國際上信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域知名公司的加盟和支持，并一直處于迅速普及和高速發(fā)展階段［2－3］。

2.2 ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特征

根據(jù)ZigBee技術(shù)的基本參數(shù)，ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有如下主要特征［4－6］。

2.2.1 免注冊(cè)的工作頻段

ZigBee技術(shù)工作在ISM（工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)療）頻段，無授權(quán)限制，分別為全球公用的2.4GHz頻段、北美和澳大利亞使用的915MHz頻段、歐洲使用的868MHz頻段，并且分配的27個(gè)工作信道具有3種通信速率。

2.2.2 低數(shù)據(jù)傳輸速率

典型的數(shù)據(jù)傳輸速率為20～250kbit／s，適用于低通信速率的監(jiān)測(cè)和控制等應(yīng)用場合，且可以靈活選擇不同的數(shù)據(jù)傳輸速率以匹配不同的應(yīng)用。傳輸速率在2.4GHz頻段為250kbit／s，在915MHz頻段為40kbit／s，在868MHz頻段為20kbit／s。

2.2.3 低傳輸距離

兩相鄰網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間典型的有效傳輸距離為10～75m，針對(duì)不同的工作模式，可以通過增加射頻發(fā)射功率的方式使傳輸距離增加至幾百米甚至上千米。

2.2.4 低功耗

通過在網(wǎng)絡(luò)中采用“休眠”等一系列節(jié)能機(jī)制，顯著降低功耗。標(biāo)準(zhǔn)的ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)使用兩節(jié)普通堿性電池可最多連續(xù)工作半年至兩年的時(shí)間，并且低功耗器件同時(shí)有效節(jié)約了成本。

2.2.5 短時(shí)延

通過優(yōu)化對(duì)時(shí)延敏感的應(yīng)用，使網(wǎng)絡(luò)具有快速的響應(yīng)能力，只需15ms節(jié)點(diǎn)就可以從休眠狀態(tài)激活轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)，只需30ms節(jié)點(diǎn)就可以接入網(wǎng)絡(luò)信道。

2.2.6 高可靠性

網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)模塊之間自動(dòng)動(dòng)態(tài)組網(wǎng)采用路徑冗余、碰撞避免、應(yīng)答重傳、完全確認(rèn)等機(jī)制，有效減少數(shù)據(jù)幀的競爭和沖突，保證了高可靠性數(shù)據(jù)傳輸。

2.2.7 高網(wǎng)絡(luò)容量

具有大規(guī)模的組網(wǎng)能力，每個(gè)ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以支持1個(gè)主控設(shè)備（Master Device）和254個(gè)從屬設(shè)備（Slave Device），并且通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器（Network Coordinator）的接力傳輸，可以組建具有超過65 000個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的無線網(wǎng)絡(luò)，充分滿足大規(guī)模傳感器陣列的需要。

2.2.8 高安全性

具有三級(jí)靈活的安全性策略，第一級(jí)采用無安全性方式；第二級(jí)采用ACL（接入控制清單）方式阻止未經(jīng)許可獲得數(shù)據(jù)；第三級(jí)采用通用的128位AES（高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)）算法加密數(shù)據(jù)。

2.2.9 靈活的組網(wǎng)方式

主從設(shè)備根據(jù)不同的應(yīng)用場合可以靈活地采用星型（Star）網(wǎng)絡(luò)、簇狀（Cluster Tree）網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)狀（Mesh）網(wǎng)絡(luò)等3種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

2.2.10 支持精簡設(shè)備

支持具有49個(gè)基本參數(shù)的全功能設(shè)備（FFD）和38個(gè)基本參數(shù)的精簡功能設(shè)備（RFD）。

2.3 協(xié)議棧模型

ZigBee技術(shù)采用分層結(jié)構(gòu)的協(xié)議棧模型如圖1所示。

圖1 ZigBee協(xié)議棧模型

由圖中可見，從上到下依次為應(yīng)用層（APL）、網(wǎng)絡(luò)層（NWK）、媒體訪問控制層（MAC）、物理層（PHY），其中應(yīng)用層是由用戶應(yīng)用程序框架、Zig－Bee設(shè)備對(duì)象（ZDO）、應(yīng)用支持子層（APS）等3部分組成［7］。最底層的物理層和媒體訪問控制層由IEEE 802.15.4－2003標(biāo)準(zhǔn)定義，上層的網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層由ZigBee Alliance在此基礎(chǔ)上定義。

3 ZigBee技術(shù)在消防聯(lián)動(dòng)應(yīng)急系統(tǒng)中的應(yīng)用

未來的消防設(shè)備將以網(wǎng)絡(luò)化、集成化、智能化、信息化的消防聯(lián)動(dòng)應(yīng)急系統(tǒng)為發(fā)展方向。在目前的消防聯(lián)動(dòng)應(yīng)急系統(tǒng)中，廣泛采用雙絞線電纜RS－485通信方式，該通信方式存在很多不足，例如，雙絞線電纜很有可能在緊急情況發(fā)生時(shí)被燒毀或燒斷，造成消防應(yīng)急設(shè)備無法工作，緊急疏散指示標(biāo)志無法開啟，現(xiàn)場事故信息不能及時(shí)準(zhǔn)確地反饋給應(yīng)急人員，不便于事故的處理，這樣人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)勢(shì)必會(huì)遭受巨大損失。為了避免類似問題的出現(xiàn)，文中提出采用基于ZigBee總線的無線通信方式。由于消防聯(lián)動(dòng)應(yīng)急系統(tǒng)具有對(duì)傳輸數(shù)據(jù)量及傳輸速率要求不高，而對(duì)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性、可靠性、路由性、組網(wǎng)、能耗等要求較高的特性，因此，特別適合采用ZigBee總線作為無線網(wǎng)絡(luò)傳輸總線。

3.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

ZigBee網(wǎng)絡(luò)中定義了3種節(jié)點(diǎn)設(shè)備類型，分別為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器（Coordinator）、網(wǎng)絡(luò)路由器（Router）以及網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備（End Device）［8］。文中采用簇狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，具有設(shè)備功能清晰、結(jié)構(gòu)簡單、所需資源少、通信范圍廣等特點(diǎn)。在整個(gè)消防系統(tǒng)中，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器為消防應(yīng)急指揮中心，主要完成網(wǎng)絡(luò)的建立及相關(guān)配置，由FFD設(shè)備構(gòu)成，采用電力系統(tǒng)供電，并通過RS－232總線和PC機(jī)通信；網(wǎng)絡(luò)路由器是以接力的方式轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)絡(luò)報(bào)文的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，由FFD設(shè)備構(gòu)成，采用電池供電；網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備為消防聯(lián)動(dòng)應(yīng)急系統(tǒng)，可以接收和發(fā)送網(wǎng)絡(luò)報(bào)文，負(fù)責(zé)控制消防應(yīng)急設(shè)備以及向消防應(yīng)急指揮中心傳遞事故信息，由RFD設(shè)備構(gòu)成，采用電池供電。下面重點(diǎn)介紹對(duì)網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備即消防聯(lián)動(dòng)應(yīng)急系統(tǒng)的研究。

消防應(yīng)急電源安裝于供電系統(tǒng)中，正常情況下由市電供電、市電斷電時(shí)，要求應(yīng)急電源啟動(dòng)。其采用免維護(hù)的閥控式密封鉛酸蓄電池（VRLAB）直流供電系統(tǒng)，根據(jù)不同功率選擇適當(dāng)?shù)男铍姵毓?jié)數(shù)和容量。消防應(yīng)急電源正常工作的前提是蓄電池穩(wěn)定正常運(yùn)行，目前在消防應(yīng)急電源系統(tǒng)中，監(jiān)控蓄電池的狀態(tài)主要是監(jiān)控蓄電池的在線電壓。文中設(shè)計(jì)研究具有ZigBee無線通信功能的智能消防聯(lián)動(dòng)應(yīng)急控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)消防設(shè)備與消防應(yīng)急指揮中心之間的實(shí)時(shí)信息通信，系統(tǒng)框圖如圖2所示。

其中，ZigBee無線通信單元選用德州儀器公司（TI）基于高度集成的2.4GHz IEEE 802.15.4協(xié)議片上系統(tǒng)（SoC）解決方案CC2430作為無線通信芯片。CC2430芯片采用小體積QLP48封裝，集成了ZigBee射頻收發(fā)芯片CC2420、高性能低功耗的8位8051MCU、8KB的SRAM、最高128KB的大容量Flash，128KB／s的高速無線通信接口以及強(qiáng)大的外設(shè)資源，僅需很少的低成本外部元件，結(jié)合先進(jìn)的ZigBee協(xié)議棧Z－Stack，可以快速、方便、低成本地建立ZigBee節(jié)點(diǎn)，并且具有超低功耗、高射頻靈敏度、高安全性、抗噪聲及抗干擾能力等卓越的射頻性能［9］。無線通信單元電路原理如圖3所示。

圖2 智能消防聯(lián)動(dòng)應(yīng)急控制系統(tǒng)功能模塊框圖

圖3 無線通信單元電路原理圖

3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件采用TI Z－Stack免費(fèi)協(xié)議棧，基于嵌入式集成開發(fā)環(huán)境IAR Embedded Workbench，運(yùn)用 Texas Instruments SmartRF Flash Programmer軟件完成對(duì)CC2430的Flash進(jìn)行編程、修改物理地址等操作。ZigBee無線通信流程如圖4所示。

圖4 ZigBee無線通信流程

點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信時(shí)，節(jié)點(diǎn)通過將數(shù)據(jù)讀取或?qū)懭隦F的發(fā)送緩沖區(qū)（FIFO）中，自動(dòng)完成數(shù)據(jù)的收發(fā)工作。下面是部分射頻收發(fā)數(shù)據(jù)的程序代碼。

發(fā)送數(shù)據(jù)代碼：

4 結(jié) 語

ZigBee技術(shù)是一種專為低成本、低速率網(wǎng)絡(luò)研究開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，在監(jiān)測(cè)控制領(lǐng)域具有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。文中采用高度集成的CC2430SoC，基于TIZ－Stack協(xié)議棧，研究ZigBee技術(shù)在消防聯(lián)動(dòng)應(yīng)急系統(tǒng)中的應(yīng)用，提出一種ZigBee無線通信解決方案。目前，將ZigBee無線傳輸通信應(yīng)用于消防聯(lián)動(dòng)應(yīng)急系統(tǒng)在國內(nèi)尚不多見，其擁有廣闊的市場前景。

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