基于ZigBee的高校宿舍防火防盜監控系統設計

張 慧，王建華

（江蘇科技大學 電子信息學院，江蘇 鎮江 212003）

目前，大多高校宿舍存在的主要問題有：1）火災隱患；2）偷盜失竊問題。突出問題是火災隱患問題，而火災隱患具體體現在學生違章使用“熱得快”、電飯煲等大功率用電器，宿舍內私拉電線以及吸煙等。為了減少事故的發生，必須對危險源和隱患進行監測預警，防患于未然。

傳統的防火防盜監控系統大多為有線方式，由于有線網絡固有的布線麻煩、可擴展性差等缺點，無線網絡技術應用于監測系統已成為必然趨勢。ZigBee技術的出現彌補了低成本、低功耗和低速率無線通信市場的空缺，在智能家居和商業樓宇自動化方面[1]，得到了廣泛的應用。系統運用ZigBee技術，構成樹狀網絡結構，可以一改傳統有線監控系統的弊端，降低系統誤報漏報率。設備可與多個RFD設備或多個其它FFD設備通信，而一個簡化功能設備只能與一個FFD通信。ZigBee以一個個獨立工作的節點為依托，通過無線通信組成星狀、樹狀或網狀網絡[2]，如圖1所示。本系統采用樹狀網結構，只有一個網絡協調器節點，若干路由器和若干終端設備組成。

1 系統總體設計

1.1 ZigBee無線網絡拓撲結構

在ZigBee網絡中根據設備功能完整性可分為全功能（Full Function Device，FFD） 和簡化功能 （Reduced Function Device，RFD）設備，其中全功能設備可作為協調器、路由器和終端設備，而簡化功能設備只能用于終端設備。一個全功能

圖1 ZigBee網絡拓撲結構Fig.1 Network topology of ZigBee

1.2 系統結構圖

該系統工作工程：終端節點選用TI公司生產的CC2530[3]，選DS18B20為溫度傳感器、MQ-2為煙霧傳感器、HC-SR501為人體紅外傳感器對宿舍的環境進行實時監測[4-5]，傳感器采集到的數據通過ZigBee無線網絡從終端節點經過路由器傳到控制中心室的協調器，管理中心為PC機，協調器通過RS232串口與PC機通信，該系統的結構框圖如圖2所示。

圖2 系統結構框圖Fig.2 Structure diagram of system

2 系統硬件設計

終端節點硬件電路主要為：處理器CC2530模塊、傳感器電路、天線模塊、電磁閥、電源模塊、LED指示模塊、時鐘模塊。其硬件結構圖如圖3所示。

圖3 終端節點硬件結構圖Fig.3 The terminal node hardware structure diagram

路由器硬件包括處理器CC2530模塊、時鐘模塊、天線模塊、電源模塊、LED指示模塊。

協調器節點由電源模塊、電源轉換模塊、按鍵模塊、串口模塊、LED指示燈、處理器CC2530模塊、時鐘模塊、天線模塊、蜂鳴器等9部分組成。

3 系統軟件設計

3.1 IAR Embedded Workbench與Z-Stack

ZigBee協議棧的代碼編譯是在IAR集成開發環境中進行的，IAR Embedded Workbench（簡稱 EW）的 C/C++交叉編譯器和調試器是當今世界最完整的和最容易使用的專業嵌入式應用開發工具[6]，它和各種仿真器、調試器緊密結合，使用戶在開發和調試過程中，僅使用一種開發環境界面[7]，就可以完成多種微控制器的開發工作。

Z-Stack（又稱作ZigBee 2007協議棧）是TI公司推出的基于CC2530的ZigBee協議棧[8]，該系統的設計采用協議棧版本為ZStack-2.3.0-1.4.0。在Z-Stack協議棧中，只需在應用層根據不同功能的需要編寫實驗程序，然后在Workspace下面的下拉列表框中分別選擇 CoordinatorEB、RouterEB和EnddeviceEB節點類型進行程序的編譯、調試和下載，使不同節點間實現無線通信。Z-Stack中提供的數據發送函數如下：

AfStatus_t AF_DataRequest（ afAddrType_t*dstAddr，

endPointDesc_t*srcEP，

uint16 cID，

uint16 len，

uint8*buf，

uint8*transID，

uint8 options，

uint8 radius）

用戶調用該函數即可實現數據的無線發送。協調器對接收到的信息進行判斷，如果是收到了無線數據，則調用SAMPLEAPP_MessageMSGCB（MSGpke）函數對接收的數據進行相應的處理；如果是接收到了串口發來的數據，則調用SampleApp_SerialCMD（（mtOSALSerialData_t*）MSGpkt）函數進行數據的相應處理。

3.2 VB與Access數據庫

運用VB與Access數據庫技術相結合開發了該系統的監控界面，實現了對傳感器數據的保存、處理和顯示，只要監控區域中節點測量到溫度超過預先設定的溫度門限值，或檢測到煙霧為1，或紅外為1，監控界面就將所有報警節點的宿舍信息、觸發報警原因連同接收的數據一并顯示在界面上，提示操作人員是哪個宿舍的節點，哪一項指標出現異常。同時界面也設計了報警查詢記錄，根據管理人員選定的日期和宿舍號進行條件查詢，便于后期查看。宿舍101紅外異常的監控界面如圖4所示。

圖4 宿舍101紅外異常的監控界面Fig.4 Infrared anomaly monitoring interface of dormitory 101

4 結 論

基于ZigBee的高校宿舍防火防盜監控系統，具有網絡自組織，無需布線、縮短工期、維護簡單的優點，克服了傳統有線系統的故障發生率高、誤報漏報率高等缺點，能夠實現傳感器數據的可靠測量、數據的傳輸和發生火災時的噴水控制，技術性能指標良好。

[1]王小強，歐陽俊，黃寧淋.ZigBee無線傳感器網絡設計與實現[M].北京：化學工業出版社，2013.

[2]李文仲，段朝玉.ZigBee無線網絡技術入門與實戰[M].北京：北京航空航天大學出版社，2007.

[3]TexasInstruments.CC2530Datasheet[EB/OL].2009[2010-05-03].http://www.ti.com.cn/Product/cn/cc2530#technicaldocuments.

[4]王艷春.基于無線傳感網絡的智能防火報警系統設計[J].赤峰學院學報，2013，29（5）：84-86.WANG Yan-chun.Design an intelligent fire alarm system based on wireless sensor network[J].Journal of Chifeng Institute，2013，29（5）：84-86.

[5]鄒志勇，周曼.基于ZigBee技術的學生宿舍監測系統設計[J].自動化與儀表，2012（10）：25-28.ZOU Zhi-yong，ZHOU Man.Design students’ dormitory monitoring systembased on ZigBee technology[J].Automation and instrumentation，2012（10）：25-28.

[6]付娜.基于無線傳感器網絡的宿舍環境數據采集系統[D].成都：西南交通大學，2010.

[7]尉志武.基于ZigBee的家庭火災報警系統的設計 [D].太原：太原理工大學，2012.

[8]Z-Stack Developer’s Guide[EB/OL].http://olmicrowaves.com/menucontents/designsupport/zigbee/Z-Stack% 20Developer’s%20Guide%20_F8W-2006-0022_.pdf.