基于ZigBee的火灾报警系统设计末期论文

1、摘要摘要随着经济的发展，高层建筑、地下建筑以及大型综合性建筑日益增多,火灾隐患也随之增加，火灾发生的数量及其造成的损失都呈逐年上升趋势，因此，火灾报警系统成为保障人生命财产安全的重要因素。而目前我国的火灾报警系统主要是总线型报警系统，由于外界环境因素的影响不可避免的会存在一定的误报率和漏报率，而且安装和维修成本很高。伴随着ZigBee技术的出现和发展，它使无线型火灾报警系统成为了可能，基于网络化的火灾报警系统具有成本低、安装方便、稳定性高的特点。ZigBee具有短时延和数据传输可靠的独特优势，它更适合于火灾报警系统中。本设计以CC2530为核心控制芯片，采用Z-Stack协议栈作为协议平台，组

2、成一个小型的ZigBee网络，系统由一个协调器设备和一个终端设备组成一个小型网络。终端设备作为传感器节点采集温度、烟雾数据，将终端设备放在室内的不同地方，将采集到的数据无线传输到协调器节点，通过串口将各个传感器节点的信息传输到上位机，上位机用LabVIEW软件编写，完成数据的显示和储存，基本上实现了家庭火灾报警系统所应有的功能。关键词 ZigBee；火灾报警；CC2530；Z-Stack协议栈；LabVIEW 49 AbstractWith the development of economy, high-rise buildings, underground structures and i

3、ncreasingly large comprehensive buildings, the fire hazard also will increase, the number of fires and the damage caused by rising trend year by year, as a result, fire alarm system become the important factor of people life and property security. And fire alarm system in our country at present is m

4、ainly form alarm system, because of the influence of the external environment factors, there are inevitably some non-response rates and the rate of false positives, and installation and maintenance cost is very high. Accompanied by the emergence and development of ZigBee technology, it makes no line

5、ar fire alarm system, fire alarm system based on network has characteristics of low cost, easy installation, high stability. ZigBee has the unique advantages of short time delay and data transmission is reliable, it is more suitable for fire alarm system. CC2530 this design as the core control chip,

6、 using Z - Stack protocol Stack as deal platform, forming a small ZigBee network and system consists of a coordinator and a terminal equipment of a small network. Terminal equipment as the data collection temperature, smoke sensor node, terminal equipment in different parts of the interior, the coll

7、ected data wireless transmission to the coordinator node, through a serial port to transmit information of each sensor node to PC, PC written in LabVIEW software, complete the data display and storage, basically realized the function of fire alarm system of the family should have.KeywordsZigBee; Fir

8、e alarm; CC2530; Z - Stack protocol Stack; LabVIEW目录目录摘要IAbstractII目录III第1章 绪论11.1 研究背景和意义11.2 火灾报警系统发展过程11.3 火灾报警系统国内外现状21.4 本文章节安排3第2章 ZigBee技术概述52.1ZigBee技术的起源52.2ZigBee技术的特点52.3ZigBee协议规范72.4ZigBee技术的拓扑结构和设备类型112.5 本章小结13第3章 总体设计方案143.1 火灾报警系统的功能143.2 火灾报警系统整体设计方案153.2.1传感器节点设计163.2.2协调器节点设计173.

9、2.3上位机系统设计183.3 本章小结18第4章 系统硬件设计及分析194.1 烟雾传感器电路设计194.2 温度传感器电路设计214.3CC2530最简系统设计224.3.1CPU和内存244.3.2外设，时钟和电源管理相关模块244.3.3无线设备244.3.4CC2530最简系统254.4 电源供电电路264.5 串口通信电路264.6 本章小结27第5章 系统软件设计及分析285.1Z-Stack协议栈介绍285.2IAR软件操作305.3 协调器节点软件设计325.4 传感器节点软件设计345.5DS18B20软件设计355.6 串口软件设计365.7 本章小结37第6章 上位机软

10、件设计386.1LabVIEW概述386.2LabVIEW程序设计386.2.1数据采集及报警396.2.2数据存储和回放406.2.3紧急疏散按钮设计416.3 本章小结41结论42参考文献43致谢45附录1 开题报告附录2 文献综述附录3 中期报告附录4 外文翻译附录5 外文文献第1章 绪论第1章 绪论1.1 研究背景和意义火灾是指在时间和空间上失去控制的燃烧所造成的灾害。在各种各样的灾害中，火灾已成为我国常发性、破坏性和影响力最强的灾害之一，据权威的统计部门统计，中国因火灾造成的经济损失，在20世纪60年代年均值近1.4亿元，70年代年均值为2.4亿元，80年代年均值近3.2亿元。90年

11、代后，随着经济的迅速发展，火灾造成的损失也迅速上升，已达到年损失近10.2亿元。21世纪，随着高层建筑、地下建筑以及大型综合性建筑日益增多，火灾隐患也随之增加，火灾发生的数量及其造成的损失更是惊人，前5年的年均火灾损失达15.4亿元，是20世纪80年代年均损失的4.8倍。2011年全国发生火灾13.2万起(不含森林、草原、矿井、军队等)，直接经济损失17.7亿元，2012年因火灾造成的经济损失18.8亿元1-2。因此，火灾报警系统成为保护人的生命和财产安全的重要措施。所以，在这样的情况下，有效的火灾报警技术和火灾报警系统，使我们可以及时发现火灾，并采取措施，尽量使损失降到最低。随着人们需求的提

12、高和现代化科学技术、电子技术、智能化技术的发展，其技术水平也在不断的提高。1.2 火灾报警系统发展过程从火灾报警系统的发展过程来看，大致可以分成三个阶段：多线型火灾报警系统，总线型火灾报警系统和无线型火灾报警系统3-4。多线型报警系统由于电路复杂、布线多、可靠性差、误报率高，已经逐渐被总线型报警系统取代，这种自动报警系统己采用微处理器控制，其线制一般有四线制、三线制、二线制，探测器和模块均采用地址编码形式，通过总线与控制器实现信号传送，它同以前的产品相比有了很大的飞跃，布线工作显著减少，安装调试变得容易，降低了安装和维修费用，因而得到了较普遍的应用。目前国内生产的火灾自动报警系统大多数为此类产

13、品5-6。但随着社会的发展，这一系统已逐渐暴露出它的问题。由于采用了有线连接，线路容易老化或遭到腐蚀、磨损，系统耗材多、造价高、功耗大、扩展能力差、设计、施工与维护复杂。再如在一些工业现场，一些工业环境禁止或限制使用电缆，而在其他一些工业环境要求完全把电缆屏蔽起来以高度防止来自大多数工业设施中的机器或其他无线电控制设备的干扰，这种传统的总线型检测系统很大程度上影响系统的处理速度和系统的可靠性、灵活性，在火灾发生前后不能有效地发挥其作用。鉴于这种情况，火灾报警系统趋于无线检测方式，用分布式的无线技术来代替传统的集中的有线技术，实现传感器与数据监控系统之间的直接通讯。无线传感网络的出现和发展为这一

14、问题提供了新的解决途径。目前，国内有人尝试用蓝牙和Wi-Fi技术组建无线火灾报警系统，但结果都不理想。由于火灾报警系统的性能直接关系到人类的生命和财产安全，因此对火灾报警系统有一些严格的要求7。根据国家相关标准，火灾报警网络应具有故障修复功能以保证网络正常运行。除了要求系统具有较好的可靠性，稳定性和实时性外，我们还希望火灾报警器的成本较低，方便我们大规模地在楼宇内布置节点。此外系统应做到尽可能的节能，以便系统长时间运行，避免频繁更换电池给用户带来的麻烦。在选择组建无线火灾报警网络的无线技术时，必须考虑到火灾报警系统的这些需求。而蓝牙技术相对传输距离太短，Wi-Fi技术消耗的功率很大，都不适用于

15、火灾报警。而ZigBee 技术有能力解决现行系统中的这些问题：ZigBee具有短时延，自组网，网络自愈能力强，低功耗，低成本等特点，在避免干扰方面ZigBee 采用直接序列扩频技术保证信号在2.4GHz 这个公共频段的正确传输，具有安全性和可靠性8 。1.3 火灾报警系统国内外现状世界上的一些较发达的国家，像德国、日本、美国、加拿大，他们具有非常完善和成熟的消防组织体系，包括火灾的预防、报警以及善后处理等9。这些国家进行了非常有益的尝试，在公共报警研究工作中引入火灾的自动报警，然后对火灾报警以及相关方面的监控系统进行整合，做到了统一管理，这样给消防部门开展工作带来了很大便利，消防工作人员可以快

16、速并十分准确地判断火灾现场，从而可以有效的进行火灾处理工作10-11。国际上许多著名的大学和公司纷纷从不同的层次、不同的角度对无线传感网络进行了研究和开发。这些无线火灾报警系统一般采用专用网络实现，主要侧重于专业的火灾报警场合或是作为楼宇自控系统的附属子系统，不符合我国有关火灾报警必须自成系统的设计原则，因此国外目前的无线火灾自动报警系统在我国消防领域的应用受到了限制。我国在火灾报警系统发展方面滞后于国外，早期主要是模仿国外产品，或是引进国外成熟的生产技术，没有自己的真正意义上的核心技术。90年代以后，国外企业开始大量入驻中国消防市场，中国的火灾报警企业开始大量出现，部分企业通过与外商合资或者

17、技术合作，壮大自己的实力，后来逐渐成为中国市场上有竞争力的厂家。在我国，采用无线通信方式的火灾自动报警系统也日益受到重视，由于其安装方便、灵活性好及易于扩展等性能，可以适用于很多公共场所，是现代火灾自动报警发展的方向。现在我国的报警系统在借鉴外国先进技术的基础上，同时积极利用新技术及新材料改进系统性能，使无线火灾报警器向着低误报、高可靠、无线网络化、多功能化、自动化和智能化的方向发展。随着ZigBee技术逐步成熟，国内多家单位已将基于ZigBee的无线传感器网络应用于环境监测、煤矿安全、远程抄表、智能家居等领域，从理论和实践上获得了突破，火灾报警系统无线化的时代即将到来12。1.4 本文章节安

18、排本文首先介绍了火灾报警系统的研究背景、发展过程及国内外现状。其次，详细介绍了本文所采用的ZigBee无线网络，并设计出一个完整的系统将该无线网络应用于火灾报警定位中。对于该系统的硬件结构及软件设计本文也做了详细的描述。本论文共包含六章，每一章的内容安排如下：第1章为绪论，对火灾报警系统的研究背景和意义、发展过程及目前的国内外研究状态进行了简单的描述。此外，也对ZigBee应用于火灾报警系统的优势做了简单概括。第2章介绍了ZigBee技术的起源和ZigBee技术的特点。对于ZigBee的协议规、拓扑结构和设备类型，本章也有详细描述。第3章介绍了本文所设计的基于ZigBee的火灾报警系统的总体设

19、计思路。对该系统实现的功能，及实现该系统的方案选择、硬件结构和软件平台的选择，本章都进行了详细说明。第4章为本文所设计的火灾监测系统的硬件部分的介绍。首先，对该系统所采用的传感器做了详细介绍。然后，对新一代的SOC芯片CC2530的特点、性能进行简单描述，对硬件系统中的供电电路的设计、串口通信电路的设计进行了详细介绍。第5章为本文所设计的火灾报警系统的软件部分的介绍。本章首先对系统的开发环境及软件做了简单介绍。然后分别进行了协调器节点软件设计、传感器节点软件设计、DS18b20软件设计及串口的设计做了详细介绍。第6章为上位机系统的设计，通过LabVIEW软件设计了良好的人机界面，可以实现火灾报

20、警系统对数据的监控、储存及报警的功能，使本系统更加完善。第7章为工作总结。在总结本文所做工作的基础上，分析了ZigBee技术在火灾报警中一些需要改进的地方。第2章 ZigBee技术概述第2章 ZigBee技术概述2.1 ZigBee技术的起源ZigBee技术是近距离无线通信技术之一，它们分别是无线局域网(Wi-Fi)、超宽带通信(UWB)、近场通信(NFC)、蓝牙(Bluetooth)、红外线数据通信IrDA、ZigBee13。目前短距离无线通信技术已成为无线通信技术的一个重要分支，这是因为在现实生活中，存在着许多这样的应用情况，系统所传输的数据通常为小量的突发信号，即数据特征为数据量小，要求

21、进行实时传送，如传统的无线技术，虽然满足上述要求，但是存在着设备的成本高、体积大和能量消耗大等问题，针对这样的应用场合，人们希望利用具有成本低、体积小、能量消耗小和传输速率低的短距离无线通信技术。ZigBee技术的命名主要来自于人们对蜜蜂采蜜过程的观察，蜜蜂在采蜜的过程中，跳着优美的舞蹈，形成ZigZag的形状，以此来相互交流信息，以便获取共享食物源方向、距离和位置等信息。又因为蜜蜂自身体积小，所需的能量少，又能传送所采集的花粉，因此，人们用ZigBee技术来代表具有成本低、体积小、能量消耗小和传输速率低的无线通信技术。ZigBee的中文译名通常为“智蜂”、“紫风”等14。2.2 ZigBee

22、技术的特点ZigBee是一种新兴的短距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术。通俗来说ZigBee技术就是一种提供控制或传感器等电子元器件之间无线连接的无线通信技术。其主要特点是低功耗、成本低、低速率、近距离、短时延、高容量、免执照频段及高安全性15。主要用于近距离无线连接，它依据IEEE 802.15.4标准，在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信16。1、低功耗ZigBee技术为低功耗设备，其发射输出为03.6dBm，通信距离为1075m，具体数值取决于射频环境以及特定应用条件下的输出功耗，具有能量检测和链路质量指示能力，根据这些检测结果，设备可自动调整设备的发射功率，在

23、保证通信链路质量的条件下，最小地消耗设备能量。2、低成本ZigBee技术具有低成本特点，通过大幅简化协议(不到蓝牙的1/10)，降低了对通信控制器的要求，按预测分析，以8051的8位微控制器测算，全功能的主节点需要32kB代码，子功能节点少至4kB代码，而且ZigBee免协议专利费。每块芯片的价格大约为2美元。 3、低速率在2.4GHz频段上，分为16个信道，数据传输速率为250kps；另外两个频段为915/868MHz，其相应的信道个数为10个信道和1个信道，传输速率分别为40kps和20kps，专注于低传输应用。4、免执照频段根据IEEE805.15.4标准协议，ZigBee的工作频段分为

24、3个频段，这三个工作频段相距较大，而且在各个频段上信道数目不同，因而，在该项技术标准中，各频段的调制方式和传输速率不同17。它们分别为868MHz、915MHz和2.4GHz频段上，该频段为全球通用的工业、科学、医学(ISM：Industrial,Scientific and Medical)频段，该频段为免付费、免申请的无线电频段。5、短时延ZigBee的响应速度较快，一般从睡眠转入工作状态只需15ms，节点连接进入网络只需30ms，进一步节省了电能。相比较，蓝牙需要310s、Wi-Fi需要3s。 6、高容量在组网性能上，ZigBee设备科构造为星型网络或者点对点网络，在每一个ZigBee组

25、成的无线网络内，连接的地址码分为16bit短地址或者64bit长地址，可容纳的最大设备个数分别为216个和264个，具有较大的组网容量。7、可靠性和安全性在无线通信技术上，采用免冲突多载波信道接入(CSMA/CA)方式，有效地避免了无线电载波之间的冲突，此外，为保证传输数据的可靠性，建立了完整的应答通信协议。为保证ZigBee设备之间通信数据的安全保密性，ZigBee技术提供了三级安全模式，包括无安全设定、使用接入控制清单(ACL) 防止非法获取数据以及采用了密钥长度为128位的加密算法，对所传输的数据信息进行加密处理，以灵活确定其安全属性。8、自组织网通信方式(动态路由)，自愈功能强动态路由

26、是指网络中数据传输的路径并不是预先设定的，而是传输数据前，通过对网络当时可利用的所有路径进行搜索，分析它们的位置关系以及远近，然后选择其中的一条路径进行数据传输。在我们的网络管理软件中，路径的选择使用的是“梯度法”，即先选择路径最近的一条通道进行传输，如传不通，再使用另外一条稍远一点的通路进行传输，以此类推，直到数据送达目的地为止。在实际工业现场，预先确定的传输路径随时都可能发生变化，或者因各种原因路径被中断了，或者过于繁忙不能进行及时传送。动态路由结合网状拓扑结构，就可以很好解决这个问题，从而保证数据的可靠传输。2.3 ZigBee协议规范IEEE 802.15.4-2003标准定义了两个较

27、低层：物理层(physical layer, PHY)和媒体访问控制子层(medium access control sub-layer, MAC)。 ZigBee 联盟在此基础上建立了网络层(network layer, NWK)和应用层(application layer，APL)构架。应用层构架由应用支持子层(APS)、ZigBee 设备对象(ZDO)和制造商定义的应用对象组成。如图2-1。ZigBee 协议栈结构由一组被称作层的模块组成。每一层为上面的层执行一组特定的服务：数据实体提供了数据传输服务，管理实体提供了所有其它的服务。每个服务实体通过一个服务接入点(SAP)为上层提供一个接

28、口，每个SAP 支持多种服务原语来实现要求的功能。ZigBee协议栈是基于标准的开放式系统互联(OSI)七层模型，但是仅定义了那些相关实现预期市场空间功能的层。ZigBee协议的体系结构如图2-2。图2-1 ZigBee 协议栈图2-2 ZigBee协议的体系结构1、物理层这层是距离硬件最近的层，它直接控制并与无线收发器通信。也是物理无线信道与MAC层之间的接口，主要是在硬件驱动程序的基础上，实现数据传输和物理信道的管理，提供物理层数据服务和物理层管理服务:(1)数据的发送与接收；(2)物理信道的能量检测(ED：Energy Detection)；(3)射频收发器的激活与关闭；(4)空闲信道评

29、估(CCA：clear channel assessment)；(5)链路质量指示(LQI：link quality indication)；(6)物理层属性参数的获取与设置。2、MAC层MAC层定义了MAC层与网络层之间的接口，提供MAC层数据服务和MAC层管理服务。(1)信道接入方式采用免冲突载波检测多路访问(CSMA-CA)机制；(2)协调器对网络的建立与维护；(3)支持PAN网络的关联(association)与取消关联(disassociation)操作；(4)协调器产生并发送信标帧，普通设备根据信标帧与协调器同步；(5)在两个MAC实体之间提供可靠数据链路；(6)与时分复用类似的处

30、理和维护保护时隙(GTS)机制；(7)为设备安全提供支持。3、网络层网络层定义了网络层与应用层之间的接口，提供网络层数据服务和网络层管理服务。网络层负责拓扑结构的建立和维护网络连接，主要功能包括设备连接和断开网络时所采用的机制，在帧信息传输过程中所采用的安全性机制，设备的路由发现、维护和转交，在创建一个新网络时为新设备分配短地址。网络层数据服务：(1)产生网络协议数据单元；(2)选择通信路由。网络层管理服务：(1)配置新设备；(2)开始新网络；(3)加入和离开网络；(4)寻址；(5)邻近设备发现；(6)路由发现；(7)接受控制。4、应用层应用层定义了应用层与网络层之间的接口，主要由应用支持子层

31、、设备配置层和用户应用程序组成，提供应用层数据服务和应用层管理服务。应用(APL)层是ZigBee无线网络中的最高协议层并且管理应用对象。生产商开发应用对象来为各种应用定制一款设备，在ZigBee设备中，应用对象控制和管理协议层，单个的设备中最多可以有240个应用对象。在开发一个应用时，ZigBee标准提供了使用应用框架的选择。应用框架是一系列关于特定应用消息格式和处理动作的协议。使用应用框架可以使不同供应商开发的同一款应用的产品之间有更好的互操作性。如果两个供应商使用同样的应用框架来开发他们的产品，那么其中一个供应商生产的产品将与另一个紧密联系，就好像是同一个生产商生产的一样。(1)产生应用

32、数据单元；(2)绑定及绑定服务；(3)AIB管理；(4)安全管理。5、协议栈各层帧结构之间的关系在ZigBee协议栈中，所有的通信数据都是利用帧的格式来组织的，协议栈的每一层都有特定的帧结构。当应用程序需要发送数据时，它将通过APS数据实体发送数据请求到APS。随后在它下面的每一层都会为数据附加相应的帧头和帧尾，组成要发送的帧信息，其帧结构之间的关系如图2-3。图2-3 各层帧结构的构成2.4 ZigBee技术的拓扑结构和设备类型利用ZigBee技术组成的无线个人区域网是一种低速率的无线个人区域网(LR WPAN)，这种低速率的个人区域网的网络结构简单、成本低廉，具有优先的功率和灵活的吞吐量1

33、8。在IEEE802.15.4网络中，根据设备所具有的通信能力，可以分为全功能设备(FFD)和精简功能设备(RFD)，FFD之间以及FFD和RFD之间都可以相互通信；但RFD只能与FFD通信，而不能与其他RFD通信。RFD主要用于简单的控制应用，传输数据量少，对传输资源和通信资源占用不多，可以采用相对廉价的实现方案，在网络通信中一般作为通信终端19。FFD则需要功能相对较强的MCU，一般在网络结构中拥有网络控制和管理的功能。根据设备在网络中承担的任务的不同，IEEE802.15.4网络设备可分为PAN协调器、协调器和一般设备。PAN协调器是FFD设备，它是网络的中心节点，一个IEEE802.1

34、5.4网络中只有一个PAN协调器。PAN网络协调者除了直接参与应用以外，还要负责其他网络成员的身份管理、链路状态信息的管理以及分组转发等功能。协调器是FFD设备，他通过发送信标提供同步服务，PAN协调器是一种特殊的协调器。一般设备可以是FFD也可以是RFD，根据自身的通信需求来定。图2-4是IEEE802.15.4网络的一个例子，给出了网络中各种设备的类型以及它们在网络中所处的地位。图2-4 IEEE802.15.4 网络组件和拓扑关系ZigBee联盟把IEEE802.15.4中定义的PAN协调器、协调器和一般设备分别称为：网络协调器、网络路由器和网络终端设备。其中网络协调器主要负责网络的建立

35、，以及网络的相关配置；路由主要负责找寻、建立以及修复网络报文的路由信息，并负责转发网络报文；网络终端有加入、退出网络的功能，并可以接受和发送报文，但终端设备不允许路由转发报文。通常协调器和路由节点一般由FFD功能设备构成，终端设备由RFD设备组成。ZigBee网络根据应用的需要可以组成星形网络、网状网络和簇状网络3种拓扑结构，如图2-5所示20。在星形结构中，所有的设备都与中心设备PAN网络协调者通信，实际上在这种网络结构中路由器是没有路由作用。在这种网络结构中，网络协调者一般使用电力系统供电，而其他设备采用电池供电。星形网络适合家庭自动化、个人计算机外设以及个人健康护理等小范围的室内应用；与

36、星形网络不同，网状网络(Mesh)只要彼此在对方的无线辐射范围内，任何两个FFD设备之间都能直接通信，在Mesh中每一个FFD设备都可以认为是网络路由器，都可以实现对网络报文的路由转发功能，Mech在构建时比较复杂，节点所要维护的信息较多对于簇状网络实际上可以看成是一个复杂的星形网络，一个拓展的星形拓扑或是由多个简单星形网络组成的拓扑结构，在簇状网络中，网络协调器、路由器和终端设备的功能清晰，相对于Mesh，构建簇状网络比较简单，所需资源相对较少，并且可以实现网络的路由转发功能，从而也扩大了网络的通信范围。图2-5 ZigBee网络拓扑结构2.5 本章小结本章主要对ZigBee技术进行了简要的

37、介绍，包括ZigBee起源、特点、协议规范和拓扑结构，ZigBee技术作为作为无线传感网络技术的一种，有广泛的发展前景，它弥补了低成本、低功耗和低速率无线通信市场的空缺，我们有理由相信在不远的将来，将有越来越多的内置式ZigBee功能的设备进入我们的生活，并将极大地改善我们的生活方式和体验。 第3章 总体设计方案第3章 总体设计方案本系统是基于ZigBee技术的无线火灾自动报警系统，系统一改传统火灾自动报警系统的总线型结构，采用ZigBee簇状结构网络进行数据传输。解决了传统火灾自动报警系统布线难、后期维护复杂、误报率高、一些特殊场合不适用等一系列问题。同时，系统网络配套编有相应上位机软件，其

38、人性化设计便于操作人员对全网进行监控21-23。3.1 火灾报警系统的功能系统完成的最主要的任务是对环境中温度、烟雾的监控。只要系统监控区域中节点测量到某一项指标的值超出上位机设定的门限值后即触发报警。上位机接收并处理相应数据，同时上位机将所有报警节点的触发报警原因连同以上测量值和当前时间一并被写入数据库的报警记录表中，便于后期查看。此外，网络各终端均设有独立报警按钮，当发生火灾时，楼内人员可以通过按下报警按钮向监控室报警，上位机接收到报警信息后发出警报并显示报警地点，提示操作人员。若出现紧急情况，可以通过上位机设置的紧急疏散按钮向网络中所有节点发送指令。当终端接收到紧急疏散指令后触发声光报警

39、，提示建筑物内的人员紧急撤离。图3-1 火灾报警系统功能图3.2 火灾报警系统整体设计方案一个完整的ZigBee 系统需要一个协调器，一个或多个路由器及许多个终端节点组成，这样才能完成网络的搭建，路径的分配和数据的采集及传输任务，如图3-2。ZigBee 网络根据实际组网的需要可以组成星形网、网状网、和簇状网这3 种拓扑结构。图3-2 火灾报警系统完整框架基于CC2530 的火灾监测系统是簇状网络，由于条件有限，我们简化了网络的结构，整个系统由三个部分组成。它们分别是：终端节点(传感器节点)部分，协调器部分和上位机部分。简化的网络也可以称为星形网络，它是由一个全功能协调器(FFD)，一个集合有

40、温度、烟雾传感器的终端节点组建成的，实现点对点的传输。协调器通过串口与PC 机连接，终端节点被布置在环境监测区域的不同位置，通过其上的传感器来监测环境的参数，最后通过天线以无线的方式将监测到的温度数据发送给协调器，由于协调器和PC 机连接，这时PC 机上可以显示出环境的监测结果，实现对节点温度和烟雾的监控。图3-3 简化的火灾报警系统框架3.2.1 传感器节点设计当物质燃烧时，必然会释放出一定的热量来，除此之外，环境的温度也在一定程度上升高。物质在进行初始的燃烧时，可燃气体就会逐渐的放出来，例如，一氧化碳、氢气和甲烷等。除此以外，少量的悬浮颗粒也会随之产生。从物质燃烧的角度出发，选择温度传感器

41、DS18B20，烟雾传感器MQ-2采集终端节点数据24。 终端节点由电源模块，温度传感器DS18B20，烟雾传感器MQ-2，CC2530芯片、报警按钮、指示灯及外围设备组成。实现监控区域数据的采集，采集的信号经过MCU处理，进行数据的整合和封装，通过RF射频前端以电磁波的形式传输出去，最终数据会汇聚到协调器。同时当出现火情时，用户可以按下报警按钮向监控室求救；若出现紧急情况，需人员撤离时，监控室的操作人员也可以通过上位机向终端节点发送命令，如指示灯闪烁，提示人员撤离。 图3-4 传感器节点设计3.2.2 协调器节点设计协调器节点具有处理能力、存储能力和通信能力。主要功能是对ZigBee 无线网

42、络中的各个子节点进行管理，将上位机监控中心下达的监控信息通过ZigBee网络发送到需要测控的子节点，同时接收各个子节点发来的状态、采集数据等信息，并通过串口上传至监控中心主机进行数据处理和保存。当用户通过上位机监测系统发送通信请求时，单片机将有效数据通过串口发给上位机，操作人员通过上位机可以完成数据的收集、图表绘制、数据统计、数据分析等工作。图3-5 协调器节点设计3.2.3 上位机系统设计上位机系统采用LabVIEW软件设计人机界面，对从串口发送来的字符串进行处理，提取温度和烟雾数据，当温度和烟雾数值超出所设定阈值时，上位机的报警指示灯闪烁提示有火灾发生，同时操作人员通过上位机的紧急疏散按钮

43、，控制终端节点的声光报警，并把每一时刻的温度值和烟雾信息存储起来，以便以后查看25-27。 3.3 本章小结本章对系统的整体设计思路做了一个概括，由于设备有限，简化了设计，系统主要由三个部分组成传感器节点、协调器节点和上位机部分。由传感器完成数据的采集，无线发送给协调器，协调器通过串口与PC机相连，在PC机上设计人机界面，完成对传感器节点的监控。第4章 系统硬件设计及分析第4章 系统硬件设计及分析本系统的协调器节点和传感器节点。从硬件的角度看，核心部件都是CC2530、电源和天线，也是ZigBee设备可以工作的最小系统。此外，还有协调器与上位机通信用的串口；传感器节点有温度、烟雾传感器、报警按

44、钮和指示灯。二者的电路均是在最简系统的基础上加上少量外围电路。4.1 烟雾传感器电路设计烟雾传感器采用MQ-2型烟雾传感器，它主要由微型Al2O3陶瓷管、SnO2敏感层、测量电极和加热器四部件构成。MQ-2型传感器内部具有测量电极和加热器作为敏感元件，固定在传感器的腔体内，并通过加热器促使气敏元件达到稳定的工作状态。它所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的SnO2，属于表面离子式N型半导体。当传感器预热后正常工作时，SnO2会吸附空气中的氧，从而形成氧的负离子吸附。这样使得半导体中的电子密度减少，使其电阻值增加。当烟雾颗粒进入后，原来吸附的氧脱落，烟雾颗粒以正离子状态吸附在SnO2半导体表

45、面。氧脱落放出电子，而烟雾颗粒以正离子状态吸附也要放出电子，这样SnO2半导体电子密度增加，传感器的电导率随空气中可燃气体浓度的增大而增大，电阻值下降，从而输出的电压增大。当空气中没有烟雾颗粒时SnO2半导体又会自动恢复氧的负离子吸附，使电阻值升高，输出电压回到初始状态。它的等价电路如图4-1所示。图4-1 MQ-2 等价电路图烟雾传感器在最佳工作条件下接触同一种烟雾，其电阻值Rs随气体浓度变化的特性称之为灵敏度，用K表示，如式4-1所示：K=Rs/Ro (4-1)式4-1中，Ro为烟雾传感器在洁净空气条件下的电阻值，Rs为烟雾传感器在一定浓度的检测烟雾中的电阻值。在几种气体中它的灵敏度如下图

46、4-2所示。图4-2 MQ-2灵敏度特性其中：温度为20ºC，相对湿度为65%，氧气浓度为21%。它的应用电路如图4-16所示图4-3 MQ-2应用电路图4-3中VCC为5V电压，用来驱动MQ-2烟雾传感器，它的4和6引脚作为电压输出端，R1作为限流电阻，R2作为分压电阻，Rp为滑动变阻器，通过它可以调节MQ-2烟雾传感器的灵敏度，LED为发光二极管起到指示作用,C1起到滤波作用，LM393为比较器。MQ-2烟雾传感器上电预热一段时间后进入工作状态，Rp的输出端接LM393比较器的+引脚，MQ-2烟雾传感器的输出端接引脚。如果+引脚的电压大于引脚电压，则输出引脚输出高电平；反之，输出

47、引脚输出低电平，LED指示灯会发光。在MQ-2烟雾传感器进入正常工作状态后，通过调节Rp滑动变阻器，使LED发光二极管先亮然后再灭，就会达到一个相对灵敏的状态。4.2 温度传感器电路设计温度传感器我们选择DALLAS(达拉斯)公司生产的DS18B20。主要是因为它精度高，测量范围广。除此之外，它具有超小的体积，超低的硬件开消，抗干扰能力强，精度高，附加功能强等优势。封装形式多样，如管道式，螺纹式，磁铁吸附式，不锈钢式，主要根据应用场合的不同而改变其外观。封装后的DS18B20可用于电缆沟测温，高炉水循环测温，锅炉测温，机房测温，农业大棚测温，洁净室测温，弹药库测温等各种非极限温度场合。DS18

48、B20的主要特征：(1)全数字温度转换及输出(2)独特的单线接口仅需一个端口引脚进行通讯(3)最高12位分辨率，精度可达土0.5摄氏度(4)12位分辨率时的最大工作周期为750毫秒(5)可选择寄生工作方式(6)检测温度范围为55°C +125°C (67°F +257°F)(7)内置EEPROM，限温报警功能(8)64位光刻ROM，内置产品序列号，方便多机挂接(9)多样封装形式，适应不同硬件系统本系统DS18B20的应用电路如下：图4-4 DS18B20应用电路其中引脚1为VDD接3.3V电源，引脚2为DQ，数据输入/输出引脚，与微处理器的I/O口相连，

49、本系统中与CC2530的P0-6引脚相连，引脚3为GND接地。温度的读取方法：以12位转化为例，是用16位符号扩展的二进制补码读数形式提供，存储在18B20的两个8比特的RAM中，二进制中的前5位是符号位。当测得的温度大于0时，前五位都是0，此时将测得的数值乘以0.0625即为实际温度；当测得的温度小于0时，前五位都是1，此时测得的数值需要取反后加1再乘以0.0625才为实际温度。比如，0的数字输出为0000H, +125的数字输出为07D0H，-10.125的数字输出为FF5EH。4.3 CC2530最简系统设计CC2530芯片是由Chipcon公司推出的，符合ZigBee技术标准并采用了2

50、.4GHz射频系统，它适合作为协调器节点、路由节点和终端节点的核心部分。CC2530采用了高集成开发环境，对内部调试符合IAR工业标准，并结合Chipcon公司先进的ZigBee协议栈、工具包和参考设计，它的功能如图4-5所示。图4-5 CC2530片内结构方框图4.3.1 CPU和内存CC2530使用的8051CPU是一个单周期的兼容内核，它有三种不同的访问总线。其中包括中断控制器，内存仲裁器，8kB SRAM， 256kB闪存块。硬件支持CSMA-CA、支持精确的数字化RSSI/LQI和强大的五通道DMA功能。中断控制器：其为18个中断源提供服务，它们中的每个中断都被赋予4个中断优先级中的

51、某一个。内存仲裁器：位于系统中心，它负责执行仲裁，即决定同时访问系统物理存储器时的顺序，便于系统效率的提高。8 kB SRAM：为超低功耗的SRAM，使数字部分即使掉电也能保存其中内容，是芯片低功耗原因所在。闪存块：用于保存电脑传输进入的程序代码以及常量数据，节约了搜寻时间。4.3.2 外设，时钟和电源管理相关模块定时器：IEEE802.15.4MAC定时器(定时器2)，通用定时器(一个16位定时器，定时器1；两个8位定时器，定时器3，4)，具有捕获功能的32-kHz睡眠定时器ADC：支持7到12位的分辨率，带宽范围为7-30kHz,在DC与音频转换时，能够使用8个输入通道。AES加密/解密内

52、核：CC2530用128位的AES算法进行加密或解密数据，从而保证了ZigBee网络层和应用层的安全要求。USART：USART0和USART1分别被配置为一个主从或一个UART，其功能是为RX和TX提供双缓冲，以及硬件流控制。调试接口：用于内部电路调试，具有两线串形接口4.3.3 无线设备CC2530具备一个IEEE802.15.4兼容无线收发器，其中的RF内核控制无线模块，另外它还提供了一个连接外部设备的端口，从而可以发出命令和读取状态，操纵各执行电路的事件顺序。同时无线设备还包括数据包过虑模块和地址识别模块。4.3.4 CC2530最简系统CC2530最简系统主要包括CC2530芯片、电

53、源、天线、外部晶振和一些电阻、电容、电感。图4-6为一个典型的最简电路。图4-6 CC2530应用电路1、输入输出匹配当使用单极子的一个不平衡天线，需要用一个巴伦电路来对性能进行优化，我们可以采用低成本分立电感或电容来实现，这里主要运用C262，L261，C252，L252。如果使用了诸如折叠偶极子这样的平衡天线，巴伦电路可以忽略。2、1.8V片上稳压器用以提供1.8V的数字逻辑电压，采用这一个稳压器要求用一个去耦电容C401来获得稳定运行效果。3、电源去耦和过滤必须使用合适的电源去耦以去除芯片电源管管脚上的噪声，该噪声是芯片本身工作产生的。在一个应用中去耦电容和电源过滤的位置和尺寸对获得最佳

54、性能是非常重要的。TI 提供了一个紧凑的参考设计，应该很好地遵循。4、晶振32-MHz 晶振使用了一个外部32-MHz 振荡器XTAL1 和两个负载电容(C221 和C231)。XTAL2 是一个可选的32.768-kHz 晶振，有两个负载电容(C321 和C331)用于32.768-kHz晶振。32.768-kHz 晶振用于要求非常低的睡眠电流消耗和精确唤醒时间的应用。 4.4 电源供电电路路由器节点和终端节点为了得到工作需要的稳定的3.3V电源，需使用HT7533稳压芯片来实现电源设计。HT7533芯片性能优秀，芯片体积小，节省空间，有着广泛的应用，它能提供3.3V的电压，并且能够提供1A

55、的输出电力，图4-7是电源设计的电路图。图4-7 电压转换电路其中J1为 DC2.1电源座，插上电源可以为系统提供5V直流电、BT1为两截7号锂电池，提供3.7V电压，终端节点通过电源座供电。协调器节点需要长时间持续工作，不能休眠，功耗较大，采用上位机的5V直流电源供电。4.5 串口通信电路本火灾报警系统的设计初衷是用他来代替传统火灾报警控制系统的探测器回路。因此协调器除了其网络初始化和拓扑管理功能外，还应具备控制器的功能。协调器需要将传感器节点采集的数据传给上位机系统，并从上位机系统接受指令信。协调器与上位机之间用串口进行通信。本次设计上位机是在笔记本电脑上运行的，由于笔记本没有串口，故需要

56、将串口信号转换成USB接口。选用专用芯片PL2303。它是Prolific公司生产的一种高度集成的RS232-USB接口转换器，可提供一个RS232全双工异步串行通信装置与USB功能接口便利联接的解决方案。该器件内置USB功能控制器、USB收发器、振荡器和带有全部调制解调器控制信号的UART，只需外接几只电容就可实现USB信号与RS232信号的转换，能够方便嵌入到各种设备；该器件作为USB/RS232双向转换器，一方面从主机接收USB 数据并将其转换为RS232 信息流格式发送给外设；另一方面从RS232外设接收数据转换为USB 数据格式传送回主机。PL2303HX电路接法如图2.4所示。图4

57、-8 USB转串口电路4.6 本章小结本章主要对系统的硬件设计做了一个详细的介绍，在以CC2530芯片为核心的基础上，增加外围设备，分别设计了传感器节点和协调器节点的电路原理图，其中对主要的电路传感器电路、电源电路和串口电路的设计做了详细设计，其它一些外围设计未做介绍，完整的内容已在Autilm Desinger 设计的原理图中展示。第5章 系统软件设计及分析第5章 系统软件设计及分析本系统的软件设计是在Z-Stack协议栈的基础上进行C语言的编程，所用软件为IAR Embedded Workbench for 8051。本系统中包含协调器节点和传感器节点。协调器上电后组建网络，传感器节点自动发现并加入网络。协调器节点负责收发数据和与PC机进行通信，传感器节点只能收发数据，而不能转发数据。5.1 Z-Stack协议栈介绍Z-Stack是ZigBee协议的具体实现形式，通俗点来理解就是ZigBee协议和用户之间的一个接口，我