Zigbee技術在火災報警系統中的應用研究

溫州市銘達自動化系統有限公司 蔣海潮

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Zigbee技術在火災報警系統中的應用研究

溫州市銘達自動化系統有限公司 蔣海潮

【摘要】本文以CC2530為核心控制芯片，以Z-Stack協議棧作為協議平臺，搭建了一個由協調器設備和終端設備組成的小型的簡易ZigBee網絡。將終端設備放置在室內的不同地方，作為傳感器節點采集室內溫度和煙霧數據，同時將采集到的數據無線傳輸到協調器節點，通過協調器上的LCD進行數據的實時顯示。

【關鍵詞】ZigBee；火災報警；CC2530；Z-Stack協議棧

0 引言

隨著經濟的發展，高層建筑以及大型綜合性建筑日益增多，火災隱患也隨之增加，火災發生的數量及其造成的損失都呈逐年上升趨勢，火災報警系統成為保障人生命財產安全的重要因素之一［1］。伴隨著ZigBee技術的出現和發展，它使無線火災報警系統成為了可能，基于無線網絡化的火災報警系統具有成本低、安裝方便、穩定性高的特點。

ZigBee是一種基于IEEE 802.15.4無線標準研制開發的有關組網、安全和應用軟件方面無線網絡技術，具有近距離、低功耗、低速率、雙向傳輸等特點，主要適合于承載數據流量小、數據傳輸速率低的業務，可嵌入各種設備中，能夠實現對工業、家庭以及醫學等各種重要場所的監控［2］。ZigBee網絡主要由協調器、路由器和終端節點組成，可以實現星型、樹型和網狀型網絡拓撲結構。

1 系統硬件設計

火災報警由協調器，終端模塊（終端節點）組成星型網絡通信，在協調上直接利用LCD直接顯示。協調器負責組建ZigBee網絡，完成終端模塊與上位機數據的透明傳輸；終端模塊利用傳感器負責采集、存儲、上傳數據。終端模塊中多個傳感器節點放置于不同的監測區域，每個傳感器節點把數據傳給協調器，把數據通過LCD顯示給用戶或通過串口傳給上位機做進一步處理并顯示給用戶。

1.1 傳感器節點和協調器設計

當物體燃燒時，必然會釋放出一定的熱量來，隨著環境的溫度也會在一定程度上升高，同時物體在進行初始的燃燒時，可燃氣體就會逐漸的放出來，例如，一氧化碳、氫氣和甲烷等。在本設計火災報警中選用溫度傳感器DS18B20和煙霧傳感器MQ-2來進行終端節點數據的采集。傳感器節點由主控芯片CC2530，溫度傳感器DS18B20，煙霧傳感器MQ-2，電源模塊和其他外部設備組成，如圖1所示，協調器節點主要由主控芯片CC2530，LCD液晶顯示，報警指示燈合和其他設備組成，如圖2所示。

圖1 傳感器節點設計

圖2 協調器節點設計

1.2 煙霧傳感器電路設計

煙霧傳感器采用MQ-2型煙霧傳感器具體電路圖如圖3所示：圖4-3中VCC為5V電壓，用來驅動MQ-2煙霧傳感器，它的4和6引腳作為電壓輸出端，R1作為限流電阻，R2作為分壓電阻，R6為滑動變阻器，通過它可以調節MQ-2煙霧傳感器的靈敏度，LED為發光二極管起到指示作用，R6的輸出端接LM393比較器的+引腳，MQ-2煙霧傳感器的輸出端接—引腳。如果+引腳的電壓大于—引腳電壓，則輸出引腳輸出高電平；反之，輸出引腳輸出低電平，LED指示燈會發光。在MQ-2煙霧傳感器進入正常工作狀態后，通過調節R6滑動變阻器，使LED發光二極管先亮然后再滅，就會達到一個相對靈敏的狀態［3］。

圖3 煙霧傳感器電路圖

1.3 溫度傳感器電路設計

溫度傳感器我們選擇DALLAS（達拉斯）公司生產的單總線數字式的DS18B20。主要是因為它精度高，可達土0.5攝氏度，測溫范圍可達–55°C ～+125°C。除此之外，它具有超小的體積，超低的硬件開消，抗干擾能力強等優勢。在硬件電路連接上其中引腳1為VDD接3.3V電源，引腳2為DQ，數據輸入/輸出引腳，與微處理器的I/O口相連，本系統中與CC2530的P0.6引腳相連，引腳3為GND接地。

2 系統軟件設計

本系統所用的開發環境是IAR Embedded Workbench for 8051 8.10，采用的協議棧為TI的ZStack-2.3.0-1.4.0，系統的軟件設計是在Z-Stack協議棧的基礎上進行C語言的編程，主要包含協調器節點和傳感器節點程序設計。協調器上電后組建網絡，傳感器節點自動發現并加入網絡。協調器節點負責接收數據并且在LCD液晶顯示屏上進行顯示，傳感器節點負責數據的采集和發送。

圖4 DS18B20工作流程圖

2.1 Zigbee網絡拓撲結構

Zigbee網絡節點軟件系統采用的協議棧為TI的ZStack-2.3.0-1.4.0。通過更改協議棧的配置，可以把協議棧配置為協調器（Coordinator）、終端（Enddevice）。在各功能節點的協議棧程序設計時，該協議棧采用統一的編寫方式，用宏定義語句：#def、#ifdef、#else等語句區別各功能節點在各協議層中的操作，這樣的編寫方式將協議棧看成一個整體，提高了協議棧的移植性。同時，本設計采用IAR Embedded Workbench V7.51 for 8051集成開發環境，該環境將工程管理器、編譯器、8051C/C++編譯器、8051匯編器、鏈接器、庫管理工具和調試工具完全集成在一起，同時支持TI的CC2530 SoC ZigBee開發套件的USB接口，可通過嵌入SmartRF04 Flash Programmer軟件將程序下載至CC2530芯片中［4］。本設計采用第一種星型網絡。

2.2 DS18B20軟件設計

傳感器節點在設定好的采集周期內采集溫度數據，其余時間處于低能耗狀態，直到采集數據事件的觸發。CC2530對DS18B20訪問程序流程圖如圖4所示，主要包括初始化——處理器發送ROM指令——處理器發送操作存儲器命令——讀取溫度數據——數據處理等過程［5］。

3 結束語

本文采用基于ZigBee標準的無線射頻芯片CC2530為控制核心芯片，搭建了一個簡易的無線火災報警系統。系統程序在Z-Stack協議棧的基礎上進行C語言的編程，通過設置任務、事件函數完成這一功能。實驗表明，該火災報警系統成本低，工作穩定，但是由于采用無線傳輸技術，通信中存在信息傳輸安全以及節點的處理能力較弱等缺點，在后續工作中將會做進一步的改進。

參考文獻

［1］鄭隆舉，李慧芳，杜亞恒.火災報警系統的發展與探析［J］.科技信息，2011（33）.

［2］莊嚴.ZigBee網絡結構及協議分析［J］.電子技術與軟件工程， 2014（09）.

［3］鄭大忞.基于AT89S52的火災報警系統設計［J］.信息系統工程，2015（09）.

［4］張開生，陳明澤.基于M2M技術的礦區環境監測平臺研究［J］.工礦自動化，2013（01）.

［5］黃海軍，黃金林，聶章龍，王宜懷.基于MC9S08GB60芯片的DS18B20測溫系統設計［J］.江蘇技術師范學院學報，2007（02）.