ZigBee無線火災監控節點及其時鐘同步算法的設計

摘要：根據傳統的火災監控網絡開發出了一套基于ZigBee短距離無線通信技術的無線火災監控網絡，該系統具備無線組網、低成本、高可靠等特點。本文根據該無線火災監控網絡的組網特點，提出了一種基于TPSN同步時鐘算法和DMTS時鐘同步算法的融合ZigBee同步時鐘算法，有效降低了整個網絡的功耗，延長了無線監控網絡工作壽命。系統經過長時間測試，結果表明系統運行可靠，性能良好。本文網絡版地址：http：//www. eepw.com.cn/article/247458.htm

關鍵詞：ZigBee；火災；監控節點；時鐘同步

DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2014.5.005

*基金項目：廣州市黃埔區重大專項計劃項目（201335），廣東省產學研合作項目（2012B091100061）

本文于2014年2月19日收到。代成斌：碩士生，主要從事短距離無線通信技術及應用方面的研究。

傳統的火災監控網絡主要通過有線的連接方式進行連接。有線連接方式具有安裝費用貴、線路易老化和損壞、維護成本高等缺點，系統安裝之后不易擴展，并且系統的故障率高。ZigBee作為一種新興的短距離無線通信技術[1-2]，憑借其短距離、低功耗、高可靠等優點，已經被廣泛地運用于無線傳感器網絡（WSN）。將ZigBee技術應用到火災報監控網絡中，構建無線火災監控網絡，不但可以擺脫線路鋪設，降低系統安裝維護費用，還可以有效彌補有線火災監控網絡的不足，提高火災監控網絡的預警能力和可靠性。

1 基于ZigBee技術的無線火災監控網絡

筆者通過長時間的理論研究，在前人研究的基礎上設計一套基于ZigBee短距離無線通信技術的火災監控網絡，系統結構如圖1所示。該ZigBee無線火災監控網絡由主機、協調器、路由器、監控節點四部分構成，主機與協調器之間通過串口通信，協調器與路由器、路由器與終端節點之間通過無線連接進行通信。

2 終端節點設計

無線煙霧報警器作為火災報警系統中最重要的傳感器節點，承擔著發現火災、預報火災的重要任務，設計高性能的煙霧報警器對于及時有效的發現火災，避免重大火災的發生有著至關重要的作用。

2.1 硬件設計

無線煙霧報警器主要由中央處理及發射模塊、傳感器模塊兩部分構成（圖2）。煙霧報警節點采用TI公司的CC2530作為中央處理芯片，它具有高的接收靈敏度和抗干擾性能，可運行在不同的工作模式，且功耗低。它的主要任務是負責對數據的處理、無線傳輸等。CC2530可以搭配具備PA和LNA功能的CC2591芯片進行工作，增加傳感器節點的無線信號發射功率，提高信號傳輸距離，可以有效減少數據經過的路由器數量，減小路由節點的能量損耗。同時，CC2530芯片可以采用倒F板載天線和外接微型天線的雙天線結構，并可根據實際情況選擇所需的天線，增加了節點的靈活性[3]。

無線煙霧報警器采用MC145010光電煙霧傳感器，MC145010 是低電流 BiCMOS 煙霧報警器電路。該電路包括功率極低的數模電路，它與紅外光電腔體同時使用，通過接收微小的煙霧顆粒所散射的光來達到檢測煙霧的目的。當檢測到煙霧時，該電路中的推挽式輸出電路會驅動外圍的蜂鳴器發出報警聲。煙霧報警器的CC2530芯片可以實時采集MC145010的狀態信息，通過無線方式傳輸給無線傳感器網絡的主協調器。本煙霧報警器具備溫度采集功能，報警器采用DS18B20溫度傳感器，DS18B20溫度傳感器具有體積小、抗干擾能力強、測量溫度范圍寬等優點，能夠實時監測監控范圍內的溫度，可以通過CC2530芯片設置監控溫度報警閾值，在很大程度上提高了煙霧報警器的可靠性能。除此之外，CC2530支持14 位的ADC模擬數字轉換，多達8個可配置通道，通過寄存器配置，可以將8個端口配置為內部ADC輸入通道，無需外置A/D轉換器，可以擴展到使用燃氣傳感器、火焰傳感器、一氧化碳傳感器等多種傳感器，使節點的硬件設計大大簡化，體積減小，穩定性提高，且擴展方便。

2.2 無線煙霧報警器工作狀態流程圖

無線煙霧報警器工作狀態包括正常工作狀態和報警工作狀態，報警器上電后即進入正常工作狀態，報警器會定時采集報警器狀態信息并發送給協調器，報警器在正常工作狀態下會進入周期性休眠狀態，減少節點電量消耗。當傳感器檢測到火災報警信號后會觸發蜂鳴器報警并改變工作狀態進入報警工作狀態，當報警狀態消除后會再次進入正常工作狀態。其工作流程圖3所示。

3 ZigBee時鐘同步算法設計

ZigBee技術在低功耗無線傳感器網絡中的應用越來越廣泛。目前，在整個傳感器網絡中節點設備主要采用電池供電的方式，如何有效降低整個無線傳感器網絡的整體功耗是ZigBee無線傳感器網絡中一個亟待解決的問題。本文通過研究無線傳感器時鐘同步算法，路由器、終端節點同步進入周期性進入休眠，將有助于降低整個網絡的能耗，延長電源工作壽命。

3.1 常用無線網絡時鐘同步算法及其實現原理

針對上述TPSN、DMTS時鐘同步算法的優缺點進行比較，可以得到結果如表1所示。

3.2 ZigBee時鐘同步算法設計

本文結合DMTS與TPSN特點，在充分利用兩者優點的基礎上并結合ZigBee無線火災監控網絡的基本情況，設計了一種新型的ZigBee無線傳感器時鐘同步算法。將整個無線傳感器網絡時鐘同步過程中分成兩步[4]：第一步，路由器到路由器采用TPSN同步時鐘算法；第二步，路由到終端節點DMTS時鐘同步算法。傳感器網絡所有節點設備通過循環進入休眠工作模式減少設備功耗，實現延長網絡壽命的目的。

（1）路由器到路由器的時鐘同步

TPSN路由器到路由器的時鐘同步算法包括兩個階段：層次發現階段和同步階段。

同步階段：父節點路由器同子節點路由器進行時鐘同步，從根節點發送時鐘同步數據包開始。第一層的節點接收到此包時發起與根節點進行成對同步，接著第i層的節點與第i-1層的節點進行成對同步。這個過程最終使所有節點都與根節點同步。在考慮信息傳輸延時、時鐘漂移和硬件差別等條件影響時鐘同步準確性的情況下，本系統中采用多次同步的方式，可以有效降低上述因素造成的影響[5]。

（2）路由器到終端節點的時鐘同步

當路由器與路由器完成時鐘同步之后，路由器同與其連接的終端節點設備通過DMTS時鐘同步算法進行時鐘同步。此過程中，路由器節點廣播發送同步信息包，節點收到同步包后，修改自己的本地時間完成時鐘同步。

3.3 算法誤差分析

3.3 仿真測試

使用NS2將本算法與TPSN、DMTS算法進行仿真實驗比較，在200m x200m的正方形區域中，隨機的分布30個監控節點，協調器設置在區域的中心，節點的初始能量為600J，最大傳輸距離為15m，傳輸一次數據包的能量損耗為1J，實驗結果如圖6所示。

由實驗結果可知，改進的ZigBee融合算法能夠降低系統的功耗，達到了預期目標。

4 系統測試

為了測試系統的可靠性和穩定性，根據系統測試要求在研發室布置了整套無線火災監控網絡，系統共計各類節點設備44個，通過合理布置在研發室、大廳、財務室、走廊、總經理辦公室等位置，現場測試系統性能。測試結果如圖7所示。

測試結果表明，在同樓層隨機分布的監控節點在穿越兩堵厚度為20cm的磚墻情況下，信號有效傳輸距離可達15m以上，對于監控節點中附帶路由作用的監控節點在添加PA的情況下，信號穿越兩層厚度為30cm的鋼筋水泥樓層，整個系統性能穩定、可靠，各項功能均符合國家相關標準，能夠有效預報火災信息。

5 結束語

無線通信技術是未來通信技術的發展方向，該火災監控網絡具備無線組網、低功耗、高可靠等優點，能夠遠程監控火災報警信息，并在硬件設計上充分考慮了低成本、安裝簡單、可擴展性的設計原則，符合市場需求。在軟件設計上，通過合理有效的無線同步時鐘算法，在滿足性能要求的基礎上，有效降低設備功耗，延長使用壽命。