毕业设计（论文）基于TCPIP协议的嵌入式火警警报系统

1、基于tcp/ip协议的嵌入式火警警报系统 江西财经大学软件与通信工程学院，南昌，中国，330013email: 摘 要: 从古至今，火灾就是严重威胁人类生命财产安全的隐患之一，世界上火灾监控系统的使用已有100多年的历史了。人们对火灾的预防经历了从无到有，从人工看守到无人监控的过程。现阶段，随着人力资源的短缺，自动化、智能化以及集预测和警报于一体的火警警报系统的研究迫在眉睫。在我国，随着建筑防火规范的实施，火灾监控系统在消防工程中已得到了广泛的应用，火灾监控技术也有了很大的发展。近些年来，我国的建筑市场非常活跃，高层建筑特别是智能建筑的兴起，对建筑物火灾监控系

2、统提出了越来越高的要求。随着基于tcp/ip技术的国际互联网（internet）的遍布，将火警警报系统接入互联网将是一种有效的选择。本文在分析和比较了国内外火警警报系统的研究后，为满足无人监控、自动化网络预警等要求，提出了一种基于tcp/ip协议的嵌入式火警警报系统模型，该系统结构简单，价格低廉，且能移动监控，安装便捷。本文基于tcp/ip协议的互联网接入的嵌入式火警警报系统。文章将从嵌入式系统及火警警报系统的研究背景和现状着手，简单地介绍了tcp/ip协议等相关背景知识，进而着重讲述了本系统的整体设计思路和各模块实现,研究表明，该系统具有价格低廉、网络通信、稳定可靠，能满足火警监控及警报的实

3、际要求 关键词: tcp/ip协议;火警警报系统 ;嵌入式based on tcp/ip protocol embedded fire alarmsystem xiaozhi xiongjiangxi university of finance and economics, electronic and information engineering, nanchang, chinaemail:abstract: down through the ages,fire accident is one of the potential safety hazards

4、 which seriously threats people s lives and property,so humans have developed and used fire accidents detected and monitored system for hundreds years.the history of this system is from personal guards to non-attended substation,and with the shortage of labor automatic and intelligent system more an

5、d more interest people.with the implementation of building fireproofed principle,fire detected system is broadly applied,which as a result greatly developed it.because of the high rise building s burgeoning,the request to fire alarm system is more and more strict and rigid.moreover,for the widely us

6、age of internet,it must be effective to combine single fire alarm system to the internet.this paper proposed a embedded fire alarm system based on tcp/ip protocol after analyzing and comparing some existing fire alarm system.this system is of simple structure and cheap price, as well as in mobile mo

7、nitoring and fast installing. the paper started with introduction of the embedded system and some background of fire alarm system,and then simply introduced some knowledge of tcp/ip protocol.next i introduced the structure of system in details,especially the implementation of some sub-module.at last

8、,i showed the implementation of tcp/ip protocol in single-chip system.this research indicates the proposed system is stable and reliable,and low in price,and of network communication.in one word,this system can satisfy practice request of fire monitoring and alarming.key words：tcp/ip protocol;fire a

9、larm system;embedded system;1引言 随着城市的不断发展，各种城市建筑规模越来越大，结构越来越复杂，火灾隐患也大大增加，现阶段，大部分单位用户主要使用独立的火灾自动报警系统来防止火灾事故的发生，然而，目前一般的火灾自动报警系统有较大的局限性。首先。这是一种“半自动”的报警方式，监测到火灾警情后需要单位值班人员通过电话人工向消防部门报警，如果值班人员未在岗或疏忽则火警就不能及时送出；其次，报警控制器发生故障时，不一定能立刻发现，从而使报警系统形同虚设；另外，不能够对大范围内的多个火灾报警子系统的运行状况进行实时集中监测。基于web的城市远程火灾自动报警信息系统通过在火灾

10、报警控制器内嵌入网络模块使之网络化利用internet采集多个单位的火灾报警子系统运行及报警信息，及时进行信息处中，保证每个火灾自动报警系统工作于最佳状态，并将监控得到的数据保存于远程管理平台的数据库中，消防指挥中心能够根据网络传送的实时数据快速准确判断火灾地点、火灾类型，并结合系统数据库中的地图信息和各消防队信息进行辅助决策，调度消防部队迅速到达现场进行有效的灭火。2火警预警系统的研究现状2.1火警预警系统相关研究火灾的发生、发展过程是一个复杂的物理化学过程，与周围环境的相关性很强,因此火灾探测是一种特殊类型信号的检测，需要系统能够根据环境的变化，自动调整运行参数以适应于不同的环境。传统的火

11、灾探测系统智能化程度较低，对数据的处理方法缺少融合性，很难将早期的火灾信号和厨房烟雾、香烟、灰尘等非火灾信号很好地区分开来，常常出现误报、漏报情况。随着传感技术、信号处理技术及微处理技术的不断成熟，智能火灾自动探测技术取得了长足发展，世界各国都在致力于研究和开发能早期预报火灾的智能型火灾探测方法和设备 汤正华、王殊和陈涛在引文5中利用三层bp神经网分析处理由多传感器和多判据探测器采集到的信号，提出了一种基于co2和co体积百分数和上升率的判别规则。通过实验，对于明火(煤油)、阴燃火(木材)和非火源(香烟)的识别率分别为100%、86%和70%。这种系统虽然使用了多传感器和基于神经网络的数据融合

12、方式，具有识别率高、探测时间短、误报率低的优点，但是不能实现自动报警，不能网络互联，对于火灾现场的信息不能反馈，这对火灾的控制很不利。吴英才在引文6中介绍了基于ud-02型离子感烟传感器和电话的自动火灾警报系统，该系统能实现当发生火灾时传感器检测出信号,通过控制电路使电话自动拨号(如119),并报告现场地址。但是，这种用单一传感器的火灾探测非常容易造成误判，为了避免这个缺点，论文结尾推荐可与温度传感器一起使用,由两者分别检测信号,经与门电路后传输给控制电路。刘胜福的硕士毕业论文14中介绍了一种基于zigbee无线组网技术和plc18f4620和cc2420为核心构建了分布式智能复合探测无线消防

13、报警系统。并且，论文采用光电感烟传感器、温度传感器和co气体传感器相结合的方法，设计出复合型火灾探测器，使火警的预测更加可信。但是，由于无线技术本身的不成熟，该消防报警系统在实际使用过程中，网络节点中的传感电路部分始终是工作状态，这样的设计使9v电池的供电达不到实用需求。综上所述，现在火警警报方面主要使用的技术有传感技术、信号处理技术、信息融合技术、无线传感技术和嵌入式技术等。既有采用有线技术进行火警传感器网络构建，也有采用无线传感网络进行火警监控既有用pc机甚至大型机构成中心处理器等大型火警检测系统，也有采用单片机作为中心控制其的灵活性嵌入式系统。总而言之，随着科技的发展，火警监控及警报系统

14、趋于五花八门。对于不同的环境和不同的应用背景，使用火警警报系统的技术也不一样。2.2火警警报系统发展的前景及挑战随着人力资源的缺乏和科技的发展，可以预见的是在未来火警警报系统将进一步完善其智能化和自动化。并且由于半导体技术的更新，更灵敏的传感器将会产生，这会使火警警报速度和正确率大大提高。为适合更多更复杂的环境要求，便捷的、可移动的、网络互联的火警警报系统将越来越受人们推崇火警警报系统将面临的挑战有：（1）对传感技术的高要求。传统的火灾探测器通常是感温和感烟探测器，环境干扰、燃烧材料、燃烧状况等很多因素都会显著地影响到它们的可靠性，使之产生误报，甚至对特定的火灾不响应。如感温探测器不响应阴燃火

15、，某些感烟探测器不响应酒精火却对灰尘、水蒸气容易误报。火灾探测技术的发展一方面需要新的传感技术提高探测灵敏度。（2）对信号处理技术提出新的要求。由于传感器阵列的引入和无线传感器网络的兴起，采集的信号具有信息量大、冗余信息多、信息失真或信息过度精密等新问题，导致有用信息提取困难。随着传感技术的发展，信息处理技术必须有新的发展。（3）信息融合技术的引进。由于各类传感器的性能相互差别很大，所测物理量各不相同，有互补性，它们协同动作就能获取比单传感器更多、更有效的信息，所以火警警报系统越来越多的引进信息融合技术。但是，传感器类型越来越多，各种类型的信息表征着不同环境特征，这对信息融合技术提出了更高的要

16、求。（4）对网络技术提出新要求。为了实现监控中心与火警现场的信息交互不受火灾的影响，这将对网络技术提出新的要求，尤其是无线网络技术。为了保证火警警报系统的灵活性便捷性，基于单片机的互联网通信系统将会越来越多地应用于火警警报系统中。2.3系统总体架构本系统由以下几部分组成：l)火灾信息采集输入部分：信息采集部分主要负责温度、烟雾浓度、火焰强度等火警信息的检测，一般通过相应的火灾探测器采集。这里采用感烟传感器、感温火警传感器和火焰火警传感器组成的传感器阵列，火灾探测器探测到的数据通过rs-485总线送给负责处理数据的火灾报警控制器。2)数据处理部分：火灾控制器首先保存从火灾探测器传送过来的数据，然

17、后对数据进行分析处理，如果发现采集到的数据超过了预设警报值，则通过tcp/ip协议将火灾信息传入消防中心进行警报。3)网络连接部分：这一部分主要用于火灾现场与消防中心的信息交互，消防中心一旦获得来自于网络的火警警报，即可对现场的温度、烟雾浓度和火焰强度等信息进行收集，以便尽快选择一个最有效方式进行救火。4)中心控制部分：利用模块化编程和进程管理机制，调度和控制整个系统。3 嵌入式系统及网络协议分析 3.1嵌入式系统的概念及特点国内学者通常将嵌入式系统定义如下：针对某种特殊应用，对软硬件进行适当裁剪，以满足该特殊应用对功能、成本、外观、体积、能耗等方面需求的一类专用计算系统。通常，嵌入式系统是一

18、个控制程序存储在rom中的嵌入式处理器控制板。事实上，一切带有数字接口的设备，如手表、微波炉、录像机、汽车等，都使用嵌入式系统。虽然有些嵌入式系统包含有操作系统，但是绝大多数嵌入式系统都是仅通过单一程序实现对整个系统的逻辑控制。从这种意义上来说，嵌入式系统给火警警报系统提供了一个很好的平台和实现载体。嵌入式系统之所以备受系统开发人员和应用人员的喜爱，主要是因为这类系统具有以下几个重要特征（1）强专用性。嵌入式系统软件与硬件的结合通常采用紧耦合方式，仅为一类特殊应用专门设计。因此，研发嵌入式系统时往往需要依据硬件型号的变化对系统代码进行相应修改。同时，如果嵌入式系统任务发生变化，也需对系统代码进

19、行相应更改。上述修改和台式机上一般应用软件的升级完全不同，通常需要整体考虑，系统地对系统代码进行重新编制、编译和下载。（2）小内核。嵌入式系统通常应用在中小型电子设备中，这些设备拥有的各种资源相对普通台式机来说较为有限。因此，如果系统采用了操作系统内核，那么也需要尽量缩减内核规模。例如，最新的linux内核只有32mb左右，而windows内核的规模则以gb计算。（3）精简系统。嵌入式系统通常没有明显区分系统软件与应用软件，这主要是出于方便用户控制成本和容易实现安全的考虑。（5）专用开发环境。嵌入式系统开发通常采用专用的开发工具与环境才能完成。这些开发工具与环境一般是安装在通用台式机上的，调试

20、系统代码过程中还须借助逻辑分析仪、信号示波器等专用调试设备。（6）高实时性。嵌入式软件通常需要满足较高的实时性，为提高系统反应速度和运行可靠性，最好将嵌入式软件固化存储在片上存储装置中，如rom、flash等。3.2嵌入式系统的构成嵌入式系统一般可分为嵌入式计算机系统和执行装置两部分。嵌入式计算机系统是整个嵌入式系统的核心，分为四层：硬件层、中间层、系统软件层和应用软件层,执行装置则主要用来接收嵌入式计算机系统发出的控制命令，实现相应的操作和任务。手机上可调节的微型电机以及智能电动玩具上的发声装置都是典型的执行装置。嵌入式系统一般由以下组件构成（1）硬件层硬件层通常包括微处理器（微控制器）、存

21、储芯片、模数转换接口（a/d、d/a接口）和通用i/o接口。最核心的嵌入式控制模块包括了嵌入式微处理器、片上电源电路、时钟电路和以及rom/flash存储器。嵌入式操作系统和嵌入式应用程序通常被固化在rom/flash存储器中。嵌入式微处理器种类很多，据不完全统计，目前全世界嵌入式微处理器已经超过1000多种，常见的包括arm、mips、xscale、pxa、powerpc系列。即使是同一类嵌入式微处理器，在时钟频率、数据总线宽度、i/o接口等细微处也有不同。例如arm微处理器，就包括了arm7、arm9、arm11等多种不同的系列产品。事实上，没有哪种嵌入式微处理器能主导市场，因为嵌入式应用

22、范围实在太广大，研发人员只能根据具体的应用才能决定选择哪个型号的嵌入式微处理器。（2）中间层中间层一般也被称为硬件抽象层（hardware abstract layer，hal）或板级支持包（board support package，bsp）。借助于中间层，软件开发人员无需关心系统底层硬件的细节，而只需使用hal/bsp提供的api就能够完成软件的编制。一般来说，中间层主要负责嵌入式系统的硬件初始化(参数配置)以及数据的i/o操作。它有两个特点：硬件关联性：嵌入式系统的底层硬件和系统目标应用紧密关联，中间层作为系统软件和底层硬件沟通桥梁，可以将系统软件的命令转换为底层硬件的具体动作。os关联

23、性：各种os的层次结构都相互有些差别，因此，每种os都定义了特殊的硬件接口形式。事实上，hal/bsp是位于操作系统和底层硬件之间的特殊层，包含有和底层硬件紧密相关的绝大部分驱动模块。一个完整的bsp需要设计完成两部分工作：嵌入式系统的硬件初始化以及bsp功能和设计设备驱动以用于硬件。（3）系统软件层系统软件层通常由实时操作系统（real-time operation system，rtos）、文件系统（filesystem,fs）、图形用户界面（graphic user interface，gui）、网络系统（network system,信息工程大学硕士学位论文ns）和通用组件模块（com

24、mon component module，ccm）构成。嵌入系统层负责系统中全部资源的分配，特别是实时任务的调度、控制、协调并发。整个嵌入式系统的特征都是由嵌入系统层体现出来的。目前主流的嵌入式操作系统包括vxworks、windows ce和嵌入式linux等。3.3 tcp/ip协议的定义传输控制协议/网际协议(transmission control protocol/internet protocol)是互联网的基础通信协议，该协议定义了计算机接入因特网的方式、数据在计算机之间的传输标准。tcp/ip协议包含两层，高层的传输控制协议主要负责聚集信息或者将原始数据文件拆成更小的数据包，这

25、些数据包再通过网络传送到接收端计算机，最后再由接收端计算机的tcp层把这些数据包恢复成原始数据文件。低层的网际协议主要处理每个数据包的地址部分，将数据包正确地传输到目标端计算机。网关根据数据包地址选择路由，注意，即使来自同一个原始数据文件，各个分数据包的传输路由也完全可能是不同的，但是tcp/ip协议应该确保这些分数据包最后能够在目标端计算机正确还原。tcp/ip使用客户端/服务器模式进行通信。tcp/ip通信采用点对点方式。tcp/ip将上层软件的每个客户端请求都看作是独立的。许多网络上层应用协议都是基于tcp/ip协议的，例如超文本传输协议（http）、文件传输协议（ftp）和简单邮件传输

26、协议（smtp）等。与tcp/ip协议相关的另一个重要协议是用户数据报协议（udp），它能够替代tcp/ip协议实现一些特殊功能。同时，网络还采用包括internet控制信息协议（icmp）、内部网关协议（igp）、外部网关协议（egp）、边界网关协议（bgp）等其他协议，来实现网络主机之间的路由信息交换。3.3.1 tcp/ip协议参考模型依据功能，tcp/ip协议可以被分为四层，如图1所示。同开放系统互连（osi）模型相比，tcp/ip协议的四层模型更加灵活。下面简要介绍各层的功能：应用层：主要实现了网络高层各种应用协议程序之间的数据交互。这些应用协议包括了smtp、ftp、telnet等

27、。传输层：主要实现了网络设备节点之间的数据传输，以及应用程序之间的通信服务。具体包括了数据格式化、数据确认和丢失重传等功能。其中，传输控制协议（tcp）和用户数据报包议（udp）在数据包中添加传输所需的信息，并把修改后的tcp/udp数据包传输到网络层中。网络层：主要实现了基本的数据封包传送功能，让每一个数据包都能到达目标端计算机（然而不确保能够被正确接收）。该层的典型协议是网际协议（ip协议）。数据链路层：主要实现了ip数据报在实际网络上发送和接收。该层负责管理实际的网络媒体，定义了使用实际网络（如ethernet、serial line等）传送数据的具体方式。3.3.2 tcp/ip协议族

28、介绍之所以说tcp/ip是一个协议族，是因为tcp/ip协议包括tcp、ip、udp、icmp、rip、telnetftp、smtp、arp、tftp等许多协议，这些协议一起称为tcp/ip协议。以下我们对协议族中一些常用协议英文名称和用途作一介绍传输控制协议tcp(transport control protocol)：tcp提供了可靠的数据流服务，它的主要功能是在一对高层应用协议之间提供有质量保障的通信通道。tcp连接管理可以分三个阶段：建立连接、维护和终止连接。tcp可以定义连接的某些属性，例如优先级和安全等级，这些属性值是由高层应用协议打开tcp连结时设置的。网际协议ip(intern

29、etworking protocol)：ip协议采用无连接方式，相对独立的传送ip数据报。ip协议向运输层提供服务，其本身却依赖数据链路层提供的服务。ip协议从源运输实体取得数据包，通过数据链路层服务传递到目标端主机的ip层。如果目标端主机在本地，则ip协议可以直接将数据包发送给目标端主机；若目标端主机不在本地，那么ip协议将通过本地ip网关转发该数据包。每个网关都具有一个ip层功能模块和两个以上的数据链路层服务实体。用户数据报协议udp(user datagram protocol)：udp对ip协议进行了扩展，能够区分位于同一计算机上的多个接收者。每个udp报文除包含有某个用户进程发送的数

30、据之外，还包含有报窗口-报源口的号码，以便接收端udp模块能够正确接收报文。互联网控制信息协议icmp(internet control message protocol)：icmp分组接收方利用icmp通知ip模块发送方需要的修改。icmp通常是由发现对方报文有问题的网络主机生成的。若分组递送失败，icmp便对分组源主机发出警示，表明存在网络、主机或端口不可达的情况。此外，icmp也被用来向网络主机报告网络拥塞情况。简单邮件传输协议smtp(simple mail transfer protocol)：smtp协议是一种简单的、面向文本的协议，能够可靠地实现电子邮件传输。smtp没有定义下层

31、采用的传输协议，因此既可以通过tcp连接，也可以使用进程间通信实现邮件传送任务。当smtp同意接收邮件后，既可能将该邮件传递给本地用户，也可能通过网络将该邮件转发出去。文件传输协议ftp(file transfer protocol)：ftp负责实现两台网络主机间的文件交换任务。ftp协议使用了两个tcp连接，一个用于实现主机之间的命令、应答的交换，另一个用于实现主机之间的文件移动。由于一般采用c/s模式，客户端开始传送过程时，服务器必须作出相应应答。客户端大都通过带有gui的ftp软件实现文件远程存取服务。地址解析协议arp(address resolation protocol)：tcp/

32、ip规定了网络中每台主机必须拥有一个逻辑地址，即ip地址。这个ip地址在传送数据报时需被转换为一个物理地址，即mac地址。arp协议就是完成这种地址解析（地址映射）功能的，并且这种地址解析的过程对网络层服务透明。3.4 tcp/ip协议通信过程3.4.1 tcp/ip通信过程概述tcp/ip使用一致的步骤序列在网络中或跨不同网络建立通信链接。在发出将建立通信会话的第一个数据包之前，发送方主机上的tcp/ip协议执行以下四个不同的步骤：1）tcp/ip将主机名或netbios名称解析为ip地址。2）使用目标ip地址和ip路由表，tcp/ip确定要使用的接口和下一跃点ip地址。3）对于共享访问技术

33、（例如，以太网、令牌环和分布式光纤数据接口(fddi)）上的单播ip流量，地址解析协议(arp)将下一跃点ip地址解析为媒体访问控制(mac)地址（也称为数据链接层地址）。4）ip数据报会被发送到通过arp解析的mac地址、多播映射或mac级广播地址。过程示意图如下： 当数据要通过网络传输时，需通过应用程序接口将数据送入内核的协议栈，然后一层层对数据进行打包（即填充首部），最后将填充后的数据（比特流）发送到网络传输媒介。 数据被目标端主机接收后，将进行与源端主机发送相反的接收处理，即进行相应的解包（即去除首部+校验），最后将还原的数据发送给对应的高层应用程序。至此两台主机上的高层应用层徐才完成

34、了一次完整的网络通信。3.4.2数据包的打包和解包如图2所示，当主机a有应用程序需要发送数据给主机b时，需要将传输的数据包送入tcp/ip协议栈，然后进行打包处理。(1)数据在传输层进行打包（添加传输层首部信息），(2)将打包后的传输层报文（tcp/udp数据包）送给网络层,网络层对来自传输层的数据包进行打包（添加网络层首部信息），然后将网络层报文（ip数据包）送给数据链路层(3)数据链路层对ip数据包添加以太网首部和尾部信息，然后送给物理层通过网络发送出去。数据打包过程如图3所示： 数据到达目的主机后，进行与发送相反的操作，从下往上一层一层进行相应的解包（去掉相应的首部信息并校验数据）处理，

35、直至送给对应的应用程序。至此，一次完整的网络通信才算完成。3.5 网络协议的层次3.5.1数据链路层数据链路层我们可以理解为数据通道。物理层要为终端设备之间，提供数据通信传输媒体和连接。媒体是长期存在的，但是连接是有生存期的。在连接失效前，收发两端能进行不等的，一次或多次的数据连接，每次连接都要经过建立通信联络，拆除通信联络这两个过程，这种建立起来的数据收发关系就叫做数据链路。而在物理媒体上传输的数据会受到各种不可靠因素的影响，从而产生差错，为了弥补物理层上的不足，为上层提供无差错的数据传输,就要能对数据进行检错和纠错。数据链路的建立、拆除，对数据的检错、纠错是数据链路层的基本任务。数据链路层

36、通常可细分成：(1)介质访问控制mac子层,(2)逻辑链路控制llc子层。其中，mac子层功能由mac芯片提供；llc子层功能由网卡控制芯片内嵌的驱动程序完成。mac子层能够使llc子层适用于多种网络媒体访问技术和网络传输媒介。3.5.2网络层协议网络层协议主要包括ip、arp、icmp等。其中i p是t c p/i p协议族中最为核心的协议。 ip协议当采用ip协议时，高层应用协议都是使用ip数据报进行传输的，其格式如图4所示。前面说过，ip协议提供的不可靠的、无连接的传输服务，即不确保数据报能够成功到达目标端主机。如果发生某种传输错误，ip协议将简单地丢弃该数据报，并发送ic

37、mp给源端主机。既然是无连接的传输服务，那么ip协议将独立处理每个数据报。这说明ip数据报的接收顺序并不一定和发送顺序相同。如果源端主机向同一个目标端主机发送连续的多个数据报，那么ip协议将独立选择每个数据报的路由。ip首部的位数通常为20b。如图4所示，左边为最高位，记为第0位；右边为最低位，记为31位。tcp/ip首部中二进制整数传输都采用大端（big endian）模式，大端模式又被称为网络字节序。在传输时，优先级字段值高的数据报更受优待。 arp协议tcp/ip规定了网络中每台主机必须拥有一个逻辑地址，即ip地址。这个ip地址在传送数据报时需被转换为一个物理地址，即mac

38、地址。arp协议就是使用底层网络通信系统动态地完成这种地址解析（地址映射）功能的。32位internet地址48位以太网地址图5解析协议arp和rarp实现arp动态绑定较为容易，如果主机a希望和ip地址为i1的目标主机b进行通信时，那么它首先广播一个特殊分组，请求ip地址为i1的主机以其物理地址p1进行响应。网络中接收该请求分组的是包括主机b在内的所有主机，而能够识别该请求分组ip地址的则仅仅是主机b，那么主机b将向主机a发送一个包含其物理地址的应答分组。主机a收到应答分组后，就利用应答分组中所含物理地址p1，将后继数据直接发送给主机b。arp报文在主机之间的传输是通过封装物理帧实现的，如图

39、5所示。为识别携带arp报文的物理帧，源端主机将物理帧首部的类型字段设置为特定值，并将arp报文放入该帧的数据字段中。当帧到达目标端主机后，目标端主机首先通过帧首部的类型字段确定帧类型。携带arp报文的物理帧的类型值相同（以太网中该值为0806，其他网络技术可能使用不同的值）。而arp请求帧和arp应答帧的判断，则是由目标端主机高层应用软件进行区分的。图6给出了arp数据报的格式说明。从图中可以看出，arp数据报的最前面两个字段分别是：以太网目的地址字段、以太网源地址。帧类型值指明数据字段中的数据类型，携带arp报文宝物时，该值为0806。硬件类型字段值用来说明硬件地址的类型。当硬件地址为以太

40、网地址类型时，该值为1。协议类型则说明地址映射的协议类型，当进行ip地址到mac地址的转换时，该值为0x0800。接下来，硬件地址长度字段用来说明硬件地址的长度，协议地址长度字段用来说明协议地址的长度，值分别是6和4（表示6个字节和4个字节）。操作码字段定义了四种不同的arp操作类型：当操作为arp请求时，值为1；当操作为arp应答时，值为2；当操作为rarp请求时，值为3；当操作为rarp应答时，值为4。信息工程大学硕士学位论文接下来的4个字段分别为：发送端mac地址、发送端ip地址、目标端mac地址、目标端ip地址。对于arp请求来讲，除目标端mac地址之外，所有其它字段都应该进行相应填充

41、。当目标端主机接收到arp请求后，会将自身的mac地址填充到arp应答中，将目标端mac地址和发送端mac地址交换、操作码字段值设为2后，单播发送给发送端主机。rarp协议的报文格式与arp的报文格式基本一致，主要差别在于rarp请求或应答的帧类型字段值应设置为0x8035，同时将操作码字段分别设置为3和4。3.5.3传输层协议典型的传输层协议包括用户数据报协议udp以及传输控制协议tcp。 udp协议udp(user datagram protocol)协议是一个简单的面向数据报的传输层协议，ietf rfc768是udp的正式规范。在tcp/ip模型中，udp为网络层以下和应

42、用层以上提供了一个简单的接口。udp只提供数据的不可靠传递，它一旦把应用程序发给网络层的数据发送出去，就不保留数据备份（所以udp有时候也被认为是不可靠的数据报协议）。udp在ip数据报的头部仅仅加入了复用和数据校验（字段）。udp首部字段由4个部分组成，其中两个是可选的。各16bit的來源端口和目的端口用来标记发送和接受的应用进程。因为udp不需要应答，所以來源端口是可选的，如果來源端口不用，那么置为零。在目的端口后面是长度固定的以字节为单位的长度域，用来指定udp数据报包括数据部分的长度,长度最小值为8byte。首部剩下地16bit是用来对首部和数据部分一起做校验和（checksum）的，

43、这部分是可选的，但在实际应用中一般都使用这一功能。为计算校验和，udp协议在数据报中添加了伪首部，伪首部使用值为0的8比特填充组确保数据报长度是16比特的整数倍，以便计算数据报的校验和。注意：udp数据报传输不涉及8比特填充组以及添加的伪首部，计算整个数据报长度时也没有包括这两个字段。为了能够计算校验和，首先需要将校验和字段置0，然后根据伪首部、udp首部和数据报计算出一个二进制反码和（长为16比特）。伪首部主要用于确保udp数据报能够到达正确的目标端主机。为确保数据报能够正确到达目标端主机，udp数据报的发送端主机计算校验和时，必须将把目标端主机的ip地址以及数据都计算进去。目标端主机的ud

44、p协议软件，将在验证校验和时使用接收到的ip数据报的伪首部中的ip地址。只有验证正确才能说明udp数据报确实是到达了正确目标端主机的正确端口。图8给出了udp报文中长度为12b的伪首部细节。从图中可以看出，源ip地址字段和目的ip地址字段分别记录了udp报文发送端主机的ip地址和目标端主机的ip地址。协议类型字段值为17，说明是udp报文。目标端主机进行正确性验证时，必须提取ip报文首部中的上述字段，用伪首部规范进行装配后重新计算udp报文的校验和。 tcp协议tcp协议是可靠的，面向连接的一种传输层协议。可靠性要保证的主要是数据列顺序和确认，即要求所有被传输数据可以在接收端主机

45、按正确次序重组，通常这是利用数据分段序列号来实现的。面向连接指的是要通过tcp传输数据，就必须在两台主机间建立连接，即一次tcp传输需在客户端和服务端之间建立特定的虚电路连接，该过程通常被称为3次握手。tcp报文一般被封装在ip数据报内。若不计算那些可选字段，tcp报文首部的长度为20b，图9给出了tcp数据报的格式。图9 tcp数据报的格式源端口号字段、目的端口号字段分别用于指示发送端主机、接收端主机的协议应用程序。这两个值加上ip首部的源ip地址、目的ip地址，能够唯一确定一个tcp连接。序号字段用于指示发送端主机发送给接收端主机的数据字节流，该字段的值表示该报文段中首个数据字节。若将数据

46、字节流看成是两个应用程序间的单向数据流动，则序号是对每个数据字节计数的。确认序号是接收端主机用于确认数据报的，字段值是接收端主机希望下次接收的下个字节流的初始序号。首部长度说明了tcp报文首部的长度（以字节计算）。标志位为发送端主机设置特殊要求提供了可能，只需将相应位置1即可：?urg：设置紧急指针?ack：设置确认序号?psh：设置紧急程度?rst：允许重建连接?syn：同步连接发起的序号?fin：已完成发送任务窗口大小用于流量控制时连接双方声明数据传输窗口的大小(以字节计算)。由于该字段占16比特，因此数据传输窗口的最大值是65535b。校验和覆盖tcp首部和数据，该字段为强制字段，由发送

47、端主机计算后，接收端主机必须首先验证该值。紧急指针仅当urg=1时才有效，紧急指针与序号字段值相加，给出了紧急数据的最后一字节。注意：紧急方式是发送端主机向接收端主机传递数据的特殊方式。4 传感器的种类介绍具有火灾探测功能的传感器种类很多：烟雾传感器、温度传传感器、火焰感光传感器、气体传感器和复合型火灾探测器等在选择火灾传感器时，应根据探测区域可能发生火灾的原因，火灾产生的特征来确定传感器的类型 比如：在加油站(或油库)可选择红外线传感器，它对烟头(或能引起油库起火的火星)较敏感。由于物体在燃烧时一般都伴有烟、光、温升、扩散辐射和异常气味等综合现象发生，利用多种传感器各自特点、使用范围、精度以

48、提供局部现象和信息，再加以综合做出准确的判断，可以为决策者提供较准确的信息。下面对三种常用的火警传感器进行了介绍和对比：感烟火警传感器：根据光在烟雾颗粒中散射，使接收端信号变化来达到预防火警的目的。可以用于探测可见或不可见的燃烧产物及起火速度缓慢初期火灾。感烟火警传感器分离子感烟传感器，光电感烟传感器等。感温火警传感器：着火时会升温，通过响应异常温度、温升、速率和温差来预报火警。火焰火警传感器：以响应火焰辐射出来的红外、紫外可见光的火灾传感器。4.3.2传感器选择本文中采用的是上述三种火警传感器共同组成的复合式火警警报。温度火警传感器温度火警传感器选用的是ds1820温度传感器，

49、它提供912位温度读数，精确度较高。因为每一个ds1820有唯一的序列号，因此多个ds1820可以存在于同一条单线总线上。且它具有下列优点精度高。12位二进制转换结果，确保0.5的精度和0.0625的分辨率。全数字化。直接将数字信号传给cpu，传输可靠，避免了模拟方式的干扰问题。连线少。仅有3根连线：+5 v电源、地线和1根数字i/o总线而且它具有价格便宜，体积小，电路简单等优点。ds18b20的性能特点：采用单总线专用技术，既可通过串行口线，也可通过其它i/o口线与微机接口，无须经过其它变换电路，直接输出被测温度值（9位二进制数，含符号位），测温范围为-55+125，测量分辨率为0.0625

50、,内含64位经过激光修正的只读存储器rom，适配各种单片机或系统机，用户可分别设定各路温度的上、下限，内含寄生电源，不必外接电源to92封装的ds18b20的引脚排列见图12，其引脚功能描述见右边文本框。火焰传感器由于现成的火焰传感器价格昂贵，而红外对管对光反应灵敏，经实际测试，3mm红外接收管在日光灯（无太阳光）环境下正向导通电阻约为200k300 k；在加入隔离日光的套管后，在20cm距离外正对火焰时正向导通电阻约为5k10k，有阳光干扰时电阻偏小。利用这个性质，可以红外接收管串联电阻做输入电压，和过零电压比较器的阈值电压作比较，制作火焰传感器，当有火焰时比较器输出端会产生电

51、压跳变，这种传感器目前我们已制成并做过试验，在阳光不强时可靠性很高。而且价格便宜、货源充足、精确度可以达到火警监控的要求，所以可以直接用它来制作火焰传感器。感烟传感器由于光电感烟传感器不适用于产生黑烟，大量积聚粉尘的环境，而且考虑到仓库和建筑物内，一般湿度不会特别大，作者选择离子感烟传感器nis-09c，它是日本nemoto公司专为检测烟雾而精心设计的新型传感器，多次用于火警警报系统1.检测方式：离子型一源两室2.放射源：放射元素镅241；放射量平均：33.3kbq.=0.9uci(29k 37kbq)3.工作环境：电源电压dc6.0-18.0v，最大24v；温度050，最大-1

52、060；湿度95%；保存温度-2580，湿度95%4.外型尺寸：尺寸22.0 42，重量12g，具体见图14使用nis-09c的注意事项：1.检测输出电压需要用1014nm以上阻抗的仪表或ic集成电路普通的仪表会造成检测结果的不准确；2.组装烟雾报警器的时候不要将焊锡等杂物误入器件离子室中否则必须进行清洗；3.器件的输出引线应悬空连接一般情况下用特氟隆支持引线因为普通的电路板会造成微小的漏电流使检测结果不准确；4.器件引线和fet及ic的输入引线需用环氧树脂密封这样使湿度造成的漏电流达到最小；5.由于器件的输出电流很小所以器件需要屏蔽而输入和输出部分受外界影响最大这部分一定要进行屏蔽处理； 5

53、 系统总体结构系统总体结构见图1。系统主要由三部分构成：底层各个火灾报警子系统(即各单位火灾报警系统)；报警信息管理服务器和数据库；消防指挥中心。其中网络模块采用嵌人式技术以tcpip协议族为通信协议开发网络通信软件包。将其内置于火灾报警控制器之中，形成网络火灾报警控制器。火灾报警器在探测器端通过传感器探测到报警信号后，利用火灾报警系统的对外串行数据通信接口主动传递给网络模块，在从输出数据中得到有关信息后，模块再以一定的格式封装成tcpip数据发送到网络服务器进行数据备份。同时在火灾报警器网络模块的内部还嵌入实现了一个web服务器，提供对网络模块的设置。了解火灾报警器火警、故障状况以及对火灾报

54、警控制器进行手动按钮控制等页面。该功能主要是面向设备管理维护人员，通过使用局域网ip地址，在授权的前提下，管理人员能访问嵌入在报警控制器网络模块flash中的网页。服务器端置于因特网内，有唯一的公网ip地址及对应网址供用户访问。一般的网络用户通过访问web服务器，可在浏览器中查看整个联网系统中实时与历史的相关信息。消防指挥中心作为远程监控中心可使用监控软件通过服务器对报警控制器进行实时监控随时获取火灾报警器的最新数据和历史数据。也可以使用因特网ip地址访问网络模块。并通过嵌入在模块中的网页对模块的相关属性进行修改(在授权的前提下)。本系统可与网络视频监控系统相配合，在确定火灾发生地点后，访问安

55、装于相应现场附近的视频摄像头查看现场的具体情况。如果发生火灾未及时发现而导致有线网络破坏时也可以利用本地监控端通过无线网络向远程消防指挥中心报告。 5.1网络模块的实现嵌入式网络模块主要完成底层报警器信息采集和处理，实现对报警数据的收集与格式转换，即将火灾报警控制器的串行数据转换为符合tcpip协议格式的数据形式，并上传到远程服务器端，并嵌入实现一个web服务器。5.1.1网络模块的硬件设计嵌入式网络模块的硬件组成见图2。鉴于火灾报警通讯的数据量不是很大，同时没有语音图像等数据传输需要，从成本和可行性考虑，其中主控模块可选用台湾泰发公司开发的tf一320网络芯片(以51为内核，工作主频率50m

56、hz，数据位宽为8位，地址位宽为16位)。据设计需要配置了相关存储器件如512kb的flash(am29f040b)、32kb的sdram(is61lv256)以及16kb的eeprom(atmel24c16)串行接口处理芯片选用max232。以太网接口根据实际情况的需要，设置不同的控制模块。当火灾报警控制器所安装的地点具有网络接口时，该单元配置台湾realtek的rtl8021bl芯片以提供rj45接口，使网络模块通过超五类线等以有线通信方式上网。5.1.2 网络模块的软件设计根据网络模块要完成的功能，其软件设计可分为两个模块：串行数据通信模块和以太网通信模块。串行数据通信模块负责与火灾报警控制器进行通信，接收告警数据，回送应答信号，并将告警数据按规定格式保存至数组；以太网通信模块包括告警数据上传和web服务器的实现，告警数据上传是将指定数组中的数据进行tcp打包，按规定的通信协议进行上传到远程服务器，而嵌入式web服务器主要处理客户机(本地监控端管理员)通过浏览器发送的http服务请求。从