基于ZigBee的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)論文

PAGE11PAGE12 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開(kāi)題報(bào)告課題名稱(chēng)：基于ZigBee的災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)年級(jí)專(zhuān)業(yè)：學(xué)生姓名：指導(dǎo)教師：完成日期：一、綜述本課題國(guó)內(nèi)外研究動(dòng)態(tài)，說(shuō)明選題的依據(jù)和意義隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，高層建筑、地下建筑以及大型綜合性建筑日益增多,火災(zāi)隱患也隨之增加,火災(zāi)發(fā)生的數(shù)量及其造成的損失都呈逐年上升趨勢(shì)。因此，有效的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)成為保護(hù)人身生命財(cái)產(chǎn)安全的重要設(shè)施。從火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的發(fā)展過(guò)程來(lái)看[1]，大致可以分成三個(gè)階段：多線(xiàn)性火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)，總線(xiàn)型火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)[2]和無(wú)線(xiàn)型火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)[3-4]。多線(xiàn)性報(bào)警系統(tǒng)由于電路復(fù)雜、布線(xiàn)多、可靠性差，已經(jīng)逐漸被總線(xiàn)型報(bào)警系統(tǒng)取代，這種自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)己采用微處理器控制，通過(guò)總線(xiàn)與控制器實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳送，它同以前的產(chǎn)品相比有了很大的飛躍，布線(xiàn)工作顯著減少，安裝調(diào)試變得容易，降低了安裝和維修費(fèi)用，目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)大多數(shù)為此類(lèi)產(chǎn)品[5]。但隨著社會(huì)的發(fā)展，這一系統(tǒng)已逐漸暴露出它的問(wèn)題。由于采用了有線(xiàn)連接，線(xiàn)路容易老化或遭到腐蝕、磨損，系統(tǒng)耗材多、造價(jià)高、功耗大、擴(kuò)展能力差、設(shè)計(jì)、施工與維護(hù)復(fù)雜[6]。在火災(zāi)發(fā)生前后不能有效地發(fā)揮其作用。解決這些問(wèn)題的最佳方法就是取消硬線(xiàn)連接，使用可以即插即用的無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)。國(guó)際上許多著名的大學(xué)和公司紛紛從不同的層次、不同的角度對(duì)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了研究和開(kāi)發(fā)。目前，國(guó)外在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)方面的研究已經(jīng)取得了一些積極的研究成果，他們已經(jīng)成功地開(kāi)發(fā)了全功能傳感器。極少數(shù)企業(yè)已經(jīng)開(kāi)始使用無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[7]。但是目前國(guó)外的類(lèi)似產(chǎn)品，主要是作為樓宇自控系統(tǒng)的附屬子系統(tǒng)，不符合我國(guó)有關(guān)火災(zāi)報(bào)警必須自成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則，因此國(guó)外目前的無(wú)線(xiàn)火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)在我國(guó)消防消防領(lǐng)域的應(yīng)用受到了限制。主要的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有藍(lán)牙技術(shù)[8]、紅外線(xiàn)技術(shù)、Wi-Fi技術(shù)、ZigBee技術(shù)等，這些技術(shù)各有優(yōu)缺點(diǎn)[9]?；馂?zāi)報(bào)警系統(tǒng)除了要求具有較好的可靠性，穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性外，我們還希望火災(zāi)報(bào)警器的成本較低，方便我們大規(guī)模地在樓宇內(nèi)布置節(jié)點(diǎn)，但藍(lán)牙技術(shù)集成復(fù)雜，成本高，紅外線(xiàn)技術(shù)只能在兩種設(shè)備之間連接，Wi-Fi技術(shù)功耗大，都不適用于火災(zāi)報(bào)警。而ZigBee技術(shù)由于低功耗，低成本，組網(wǎng)能力強(qiáng)，成為火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的最佳選擇。在國(guó)內(nèi)，對(duì)于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的研究主要是在許多大學(xué)的研究所進(jìn)行的，由于研究的目的不同，而所釆取的硬件設(shè)計(jì)平臺(tái)也不近相同。這些研究主要集中于網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)、能量管理、路由算法及通信協(xié)議等，例如，基于ZigBee的無(wú)線(xiàn)樓宇火災(zāi)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，基于ZigBee的智能火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)等。隨著ZigBee技術(shù)逐步成熟，國(guó)內(nèi)多家單位將基于ZigBee的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)、煤礦安全、遠(yuǎn)程抄表、智能家居等領(lǐng)域開(kāi)展了研究，從理論和實(shí)踐上獲得了突破，火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)無(wú)線(xiàn)化的時(shí)代即將到來(lái)。二、研究的基本內(nèi)容，擬解決的主要問(wèn)題ZigBee作為一種低功耗、低成本、高可靠性的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，是非常理想的選擇[10-11]。而近年來(lái)各國(guó)學(xué)術(shù)界在無(wú)線(xiàn)傳感器理論研究和實(shí)踐中所積累的理論和經(jīng)驗(yàn)，為我們搭建基于ZigBee的無(wú)線(xiàn)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)提供了重要的技術(shù)支撐。1、本系統(tǒng)是基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線(xiàn)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)[12-15]，系統(tǒng)一改傳統(tǒng)火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)的總線(xiàn)結(jié)構(gòu)，采用ZigBee網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。解決了傳統(tǒng)火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)布線(xiàn)難、后期維護(hù)復(fù)雜、誤報(bào)率高、一些特殊場(chǎng)合不適用等一系列問(wèn)題。2、系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)分為三個(gè)模塊：傳感器模塊、無(wú)線(xiàn)傳輸模塊，上位機(jī)模塊，傳感器模塊用于探測(cè)各個(gè)區(qū)域的溫度、濕度、煙霧情況，通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳輸模塊送到上位機(jī)系統(tǒng)，完成對(duì)環(huán)境中溫度、濕度及煙霧的測(cè)量。3、系統(tǒng)的監(jiān)控。本系統(tǒng)采用相應(yīng)上位機(jī)軟件，用于操作人員進(jìn)行全網(wǎng)監(jiān)控。系統(tǒng)完成對(duì)環(huán)境溫度、濕度及煙霧氣體檢測(cè)，某項(xiàng)值超標(biāo)即出發(fā)報(bào)警，同時(shí)實(shí)時(shí)記錄報(bào)警信息。4、系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)。系統(tǒng)采用CC2530單片機(jī)，作為無(wú)線(xiàn)傳輸模塊，DHT11溫濕度傳感器，QM-2型煙霧傳感器制作傳感器模塊，并設(shè)計(jì)PCB電路板。軟件方面采用TI公司的Z-Stake協(xié)議棧，進(jìn)行C語(yǔ)言編程。三、研究步驟、方法及措施1、對(duì)ZigBee技術(shù)進(jìn)行深入的了解：了解無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，ZigBee協(xié)議棧結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)配置和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。2、確定系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案：系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則，系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)方案，系統(tǒng)的功能。3、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)及分析：本系統(tǒng)采用CC2530芯片，作為無(wú)線(xiàn)傳輸模塊，其中QM-2型煙霧傳感器[16]，DHT11溫度濕度傳感器，作為傳感器模塊。4、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)及分析：CC2530采用IAREmbeddedWorkbench5.4進(jìn)行C語(yǔ)言編程，用protel99se軟件進(jìn)行傳感器模塊PCB板的制作，用Labview軟件進(jìn)行上位機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。四、研究工作進(jìn)度1-4周，查閱ZigBee技術(shù)的相關(guān)書(shū)籍和文獻(xiàn)，選擇所需的芯片型號(hào)和所需的傳感器型號(hào)，確定總體的設(shè)計(jì)方案。5-8周，CC2530單片機(jī)的調(diào)試，實(shí)現(xiàn)CC2530的基本無(wú)線(xiàn)傳輸功能，protel99se軟件的學(xué)習(xí)，簡(jiǎn)單PCB板的的制作。9-12周，進(jìn)行無(wú)線(xiàn)傳輸模塊和傳感器模塊的調(diào)試，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單地溫濕度無(wú)線(xiàn)傳輸。13-16周，學(xué)習(xí)Labview軟件，設(shè)計(jì)人機(jī)界面，實(shí)現(xiàn)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的監(jiān)控。17周，撰寫(xiě)論文，準(zhǔn)備答辯。五、主要參考文獻(xiàn)1施承,宋鐵成.基于Zigbee協(xié)議的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的制作.廣東通信技術(shù),2006,(1):10~122潘倩姿,錢(qián)學(xué)榮.CAN總線(xiàn)協(xié)議的分析及其應(yīng)用技術(shù)的研究.今日科苑,2008,(06):192~193瞿雷.一種新的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)ZigBee.單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2006,(01):12~144趙娜.無(wú)線(xiàn)火災(zāi)報(bào)警控制器的研制,碩士學(xué)位論文.哈爾濱工業(yè)大學(xué),2006,6:3~45張澤.中國(guó)消防產(chǎn)業(yè)發(fā)展調(diào)研報(bào)告(2010年).中國(guó)科學(xué)技術(shù)出社,2011:60~616劉勝福,劉和平.基于ZIGBEE的分布式智能復(fù)合探測(cè)無(wú)線(xiàn)消防報(bào)警系統(tǒng).自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用,2008,27(7):67~707湯文亮,曾祥元,曹義親.基于ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng).實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2010,29(6):49~53.8李卓.藍(lán)牙技術(shù)在火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)中的應(yīng)用探討.消防設(shè)備研究,2005,24(03):64~659徐漢文.近距離無(wú)線(xiàn)技術(shù)的介紹和對(duì)比.數(shù)字社區(qū)&智能家居.2008,1:33~3610SinemCoreliErgen.Zigbee/IEEE802.15.4summary.Sep102004:2~311高守偉,吳燦陽(yáng).ZigBee技術(shù)實(shí)踐教程.北京航空航天大學(xué)出版社,2009.612黃建華.基于ZigBee2006的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).西安電子科技大學(xué),2009,613AndreasVlissidis,StavrosCharakopoulos,EmmamouilMakryqiannakis.ThedevelopmentofaplatformbasedonwirelesssensorsetwoekandZigBeeprotocolfortheeasydetectionoftheforestire.AdvancesinIntelligentandSoftComputing,2010:391~399.14Wangguozhu,ZhangJunquo,LiWenbin,etc.AforestfiremonitoringsystemonGPRSandZigBeewirelesssensornetwork.Proceedingsofthe20105thIEEEConferenceonIndustrialElectronicesandApplicationsJCIEA,2010:1859~1862.15吳鳳泉,李杰.胡德雙.基于ZigBee的樓宇火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì).微計(jì)算機(jī)信息,2009,25(7):42~44.16濟(jì)南聯(lián)誠(chéng)創(chuàng)發(fā)科技有限公司.煙霧傳感器MQ-2規(guī)格書(shū),2011本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中期報(bào)告課題名稱(chēng)：基于ZigBee的災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)年級(jí)專(zhuān)業(yè)：學(xué)生姓名：指導(dǎo)教師：完成日期：一、畢設(shè)進(jìn)展情況照畢業(yè)設(shè)計(jì)進(jìn)度要求及開(kāi)題報(bào)告中的要求，現(xiàn)已將完成及未完成的內(nèi)容做一整體匯報(bào)如下。已完成內(nèi)容：1、傳感器的選擇及相關(guān)電路設(shè)計(jì)溫度傳感器采用達(dá)拉斯公司生產(chǎn)的溫度傳感器DS18B20，DS18B20可使溫度信號(hào)直接轉(zhuǎn)換成串行數(shù)字信號(hào)供微處理器處理，而且微處理器可通過(guò)一根數(shù)據(jù)線(xiàn)對(duì)DS18B20進(jìn)行讀寫(xiě)操作，DS18B20的測(cè)量溫度范圍為-55°C~+125°C，在-10~+85°C范圍內(nèi)精度為±0.5°C，分辨率0.0625，測(cè)量范圍廣，靈敏度高，體積小，外圍電路簡(jiǎn)單，特別適合火災(zāi)溫度檢測(cè)。煙霧傳感器采用MQ-2型煙霧傳感器，MQ-2氣體傳感器所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導(dǎo)率較低的二氧化錫(SnO2)。當(dāng)傳感器所處環(huán)境中存在可燃?xì)怏w時(shí)，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中可燃?xì)怏w濃度的增加而增大。MQ-2型傳感器可檢測(cè)多種可燃性氣體，對(duì)天然氣、液化石油氣等煙霧有很高的靈敏度，尤其對(duì)烷類(lèi)煙霧更為敏感，其檢測(cè)可燃?xì)怏w與煙霧的范圍是100-10000ppm，是一款適合多種應(yīng)用的低成本傳感器。其電路圖如圖1-1。圖1-1MQ-2煙霧傳感器電路圖2、Z-Stack的學(xué)習(xí)Z-Stack是ZigBee協(xié)議的具體實(shí)現(xiàn)形式，通俗點(diǎn)來(lái)理解就是ZigBee協(xié)議和用戶(hù)之間的一個(gè)接口，我們需要通過(guò)協(xié)議棧來(lái)使用這個(gè)協(xié)議，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)。ZigBee的協(xié)議分為兩部分，IEEE802.15.4定義了物理層和介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)層技術(shù)規(guī)范；ZigBee聯(lián)盟定義了網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用程序支持子層、應(yīng)用層技術(shù)規(guī)范。ZigBee協(xié)議棧就是將各個(gè)層定義的協(xié)議都集合在一起，以函數(shù)的形式實(shí)現(xiàn)，并給用戶(hù)提供API（應(yīng)用層），我們可以直接調(diào)用。Z-Stack采用操作系統(tǒng)的思想來(lái)構(gòu)建，采用事件輪循機(jī)制，當(dāng)各層初始化之后，系統(tǒng)進(jìn)入低功耗模式，當(dāng)事件發(fā)生時(shí)，喚醒系統(tǒng)，開(kāi)始進(jìn)入中斷處理事件，結(jié)束后繼續(xù)進(jìn)入低功耗模式。如果同時(shí)有幾個(gè)事件發(fā)生，判斷優(yōu)先級(jí)，逐次處理事件。這種軟件構(gòu)架可以極大地降級(jí)系統(tǒng)的功耗。整個(gè)Z-Stack的主要工作流程，大致分為系統(tǒng)啟動(dòng)，驅(qū)動(dòng)初始化，OSAL初始化和啟動(dòng)，進(jìn)入任務(wù)輪循幾個(gè)階段。OSAL實(shí)現(xiàn)了一個(gè)易用的操作系統(tǒng)平臺(tái)，通過(guò)時(shí)間片輪轉(zhuǎn)函數(shù)實(shí)現(xiàn)任務(wù)調(diào)度，提供多任務(wù)處理機(jī)制。我們可以調(diào)用OSAL提供的相關(guān)API進(jìn)行多任務(wù)編程，將自己的應(yīng)用程序作為一個(gè)獨(dú)立的任務(wù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。圖1-2Z-Stack系統(tǒng)運(yùn)行流程圖3、溫度及煙霧程序的調(diào)試DS18B20溫度傳感器的數(shù)據(jù)線(xiàn)引腳與CC2530開(kāi)發(fā)板的普通數(shù)字I/O口P0_6相連，3.3V電壓供電。煙霧傳感器的數(shù)字接口與CC2530開(kāi)發(fā)板的P2_0相連,5V電壓供電。終端節(jié)點(diǎn)將采集到的溫度煙霧信號(hào)經(jīng)過(guò)CC2530芯片處理無(wú)線(xiàn)傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，并通過(guò)串口調(diào)試助手在PC機(jī)上顯示，此部分程序已經(jīng)調(diào)試完成，能成功顯示終端節(jié)點(diǎn)溫度值和有無(wú)煙霧情況。其工作流程圖如下。圖1-3協(xié)調(diào)器工作軟件流程圖圖1-4終端節(jié)點(diǎn)工作軟件流程圖4、硬件設(shè)計(jì)目前已經(jīng)完成CC2530單片機(jī)和傳感器模塊的原理圖和PCB板的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)軟件采用AltiumDesignersummer09，通過(guò)自己動(dòng)手設(shè)計(jì)，對(duì)CC2530單片機(jī)有了更深入的了解。CC2530采用6mm×6mm的QFN40封裝，該芯片除了包括RF收發(fā)器外，還集成了加強(qiáng)型805lMCU、256KB的Flash內(nèi)存、8KB的RAM。CC2530工作在2.4GHz頻段，采用低電壓(2.0~3.7V)供電，且功耗很低，接收數(shù)據(jù)時(shí)為24mA，發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)為29mA、最大傳送速率為250kb/s。CC2530的外圍元件數(shù)目很少，CC2530無(wú)線(xiàn)單片機(jī)在待機(jī)時(shí)的電流消耗僅0.2uA，在32KHz晶體時(shí)鐘下運(yùn)行時(shí)的電流消耗小于1uA。極高的接收靈敏度和抗干擾性能。未完成內(nèi)容：1、煙霧傳感器軟件調(diào)試煙霧的檢測(cè)電路已完成，但煙霧濃度顯示的程序尚未調(diào)試好，MQ-2煙霧傳感器輸出的模擬電壓值需A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，再通過(guò)電壓、電阻之間的關(guān)系轉(zhuǎn)化成煙霧的濃度，但目前還沒(méi)找到確切的轉(zhuǎn)化關(guān)系，終端節(jié)點(diǎn)采集到此濃度后無(wú)線(xiàn)發(fā)送到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，再通過(guò)串口傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。2、上位機(jī)界面設(shè)計(jì)本系統(tǒng)要通過(guò)上位機(jī)界面，實(shí)現(xiàn)火災(zāi)報(bào)警。當(dāng)溫度和煙霧的值超出所設(shè)定的閾值時(shí)，上位機(jī)提示報(bào)警，當(dāng)出現(xiàn)緊急情況需要樓內(nèi)人員緊急撤離時(shí)，通過(guò)上位機(jī)緊急報(bào)警按鈕向終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送命令，終端節(jié)點(diǎn)指示燈閃爍，提示人員撤離。此過(guò)程主要是通過(guò)LabVIEW設(shè)計(jì)上位機(jī)界面，同時(shí)對(duì)終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行控制，此過(guò)程尚未完成。二、畢設(shè)實(shí)施方案本系統(tǒng)采用樹(shù)形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)由三部分組成，包括ZigBee終端設(shè)備即傳感器節(jié)點(diǎn)、路由器、網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，ZigBee終端設(shè)備負(fù)責(zé)收集探測(cè)到的報(bào)警信息，并將報(bào)警信息以ZigBee無(wú)線(xiàn)通信方式發(fā)送到終端設(shè)備的路由器(即父設(shè)備)，再由路由器轉(zhuǎn)發(fā)到網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器?；赯igBee技術(shù)的智能型火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)提高了管理系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的可靠性，對(duì)每個(gè)終端節(jié)點(diǎn)所監(jiān)控的區(qū)域內(nèi)發(fā)生的火災(zāi)險(xiǎn)情能及時(shí)判斷并通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通知管理人員。圖2-1無(wú)線(xiàn)傳輸網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)由電源模塊，溫度傳感器DS18B20，煙霧傳感器MQ-2，CC2530開(kāi)發(fā)板，報(bào)警按鈕和指示燈組成。實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集，向上發(fā)送至路由器節(jié)點(diǎn)，最終數(shù)據(jù)會(huì)匯聚到協(xié)調(diào)器。DS18B20為單總線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，通過(guò)串行的方式將數(shù)據(jù)傳輸?shù)紺C2530芯片。MQ-2煙霧傳感器的數(shù)字接口與CC2530的普通I/O口相連傳輸數(shù)字信號(hào)。采集的信號(hào)經(jīng)過(guò)MCU處理，進(jìn)行數(shù)據(jù)的整合和封裝，通過(guò)RF射頻前端以電磁波的形式傳輸出去。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)具有處理能力、存儲(chǔ)能力和通信能力。主要功能是對(duì)ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)子節(jié)點(diǎn)進(jìn)行管理，將上位機(jī)監(jiān)控中心下達(dá)的監(jiān)控信息通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到需要測(cè)控的子節(jié)點(diǎn)，同時(shí)接收各個(gè)子節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的狀態(tài)、采集數(shù)據(jù)等信息，并通過(guò)串口上傳至監(jiān)控中心主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和保存。圖2-2終端節(jié)點(diǎn)硬件連接框圖三、遇到的困難和問(wèn)題，及相應(yīng)的解決方案1、單片機(jī)程序編寫(xiě)Z-Stake協(xié)議棧是可以說(shuō)是一個(gè)小型的操作系統(tǒng)，學(xué)起來(lái)相對(duì)困難，除了對(duì)Z-Stake協(xié)議棧理論的學(xué)習(xí)外，主要是對(duì)程序的理解，它分為APP、HAL、MAC、NWK、MT、OSAL、ZMAIN、ZDO、TOOL等幾層，需要對(duì)每層的功能，及如何實(shí)現(xiàn)其功能和調(diào)用進(jìn)行學(xué)習(xí)。通過(guò)查閱相關(guān)書(shū)籍，從網(wǎng)上觀(guān)看相關(guān)視頻、從論壇里學(xué)習(xí)交流，對(duì)Z-Stake有了基本了解，能運(yùn)用其編寫(xiě)相關(guān)程序。2、CC2530開(kāi)發(fā)板的原理圖及PCB的繪制這段時(shí)間主要是自學(xué)AltiumDesigner軟件，通過(guò)查閱CC2530數(shù)據(jù)手冊(cè)，閱讀單片機(jī)相關(guān)知識(shí)，學(xué)習(xí)AltiumDesigner軟件應(yīng)用，完成了原理圖及PCB的設(shè)計(jì)。其中遇到了不少問(wèn)題，但通過(guò)認(rèn)真的閱讀相關(guān)書(shū)籍后，都一一解決，對(duì)點(diǎn)偏激知識(shí)的領(lǐng)悟提高了一個(gè)層次，提高了自己的動(dòng)手能力和自學(xué)能力。四、畢業(yè)時(shí)間進(jìn)度安排5月13日—5月19日，煙霧傳感器、按鈕及指示燈程序的調(diào)試；5月20日—6月9日，學(xué)習(xí)LabVIEW軟件，完成上位機(jī)機(jī)界面的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對(duì)終端節(jié)點(diǎn)的反饋控制及程序調(diào)試；6月10日—6月23日，撰寫(xiě)論文；6月24日—6月30日，完成論文終稿，準(zhǔn)備答辯。五、畢業(yè)論文時(shí)間進(jìn)度安排6月10日—6月14日，完成引言、摘要、第一章；6月15日—6月20日，完成論文剩余部分的撰寫(xiě)工作，完成論文初稿；6月21日—6月23日，按要求對(duì)論文格式修改。六、意見(jiàn)及建議畢業(yè)指導(dǎo)教師能夠?qū)W(xué)生編寫(xiě)論文過(guò)程中遇到的問(wèn)題及時(shí)給與指導(dǎo)和講解，幫助學(xué)生按照進(jìn)度完成目標(biāo)。希望老師能夠按照論文中的問(wèn)題及時(shí)對(duì)學(xué)生進(jìn)行提問(wèn)，幫助形成更好的解決方案，更進(jìn)一步思考。燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）摘要PAGE48PAGE49附錄3中期報(bào)告6月10日—6月14日，完成引言、摘要、第一章；6月15日—6月20日，完成論文剩余部分的撰寫(xiě)工作，完成論文初稿；6月21日—6月23日，按要求對(duì)論文格式修改。

摘要隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，高層建筑、地下建筑以及大型綜合性建筑日益增多,火災(zāi)隱患也隨之增加，火災(zāi)發(fā)生的數(shù)量及其造成的損失都呈逐年上升趨勢(shì)，因此，火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)成為保障人生命財(cái)產(chǎn)安全的重要因素。而目前我國(guó)的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)主要是總線(xiàn)型報(bào)警系統(tǒng)，由于外界環(huán)境因素的影響不可避免的會(huì)存在一定的誤報(bào)率和漏報(bào)率，而且安裝和維修成本很高。伴隨著ZigBee技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，它使無(wú)線(xiàn)型火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)成為了可能，基于網(wǎng)絡(luò)化的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)具有成本低、安裝方便、穩(wěn)定性高的特點(diǎn)。ZigBee具有短時(shí)延和數(shù)據(jù)傳輸可靠的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，它更適合于火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)中。本設(shè)計(jì)以CC2530為核心控制芯片，采用Z-Stack協(xié)議棧作為協(xié)議平臺(tái)，組成一個(gè)小型的ZigBee網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)由一個(gè)協(xié)調(diào)器設(shè)備和一個(gè)終端設(shè)備組成一個(gè)小型網(wǎng)絡(luò)。終端設(shè)備作為傳感器節(jié)點(diǎn)采集溫度、煙霧數(shù)據(jù)，將終端設(shè)備放在室內(nèi)的不同地方，將采集到的數(shù)據(jù)無(wú)線(xiàn)傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，通過(guò)串口將各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的信息傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，上位機(jī)用LabVIEW軟件編寫(xiě)，完成數(shù)據(jù)的顯示和儲(chǔ)存，基本上實(shí)現(xiàn)了家庭火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)所應(yīng)有的功能。關(guān)鍵詞ZigBee；火災(zāi)報(bào)警；CC2530；Z-Stack協(xié)議棧；LabVIEWAbstractWiththedevelopmentofeconomy,high-risebuildings,undergroundstructuresandincreasinglylargecomprehensivebuildings,thefirehazardalsowillincrease,thenumberoffiresandthedamagecausedbyrisingtrendyearbyyear,asaresult,firealarmsystembecometheimportantfactorofpeoplelifeandpropertysecurity.Andfirealarmsysteminourcountryatpresentismainlyformalarmsystem,becauseoftheinfluenceoftheexternalenvironmentfactors,thereareinevitablysomenon-responseratesandtherateoffalsepositives,andinstallationandmaintenancecostisveryhigh.AccompaniedbytheemergenceanddevelopmentofZigBeetechnology,itmakesnolinearfirealarmsystem,firealarmsystembasedonnetworkhascharacteristicsoflowcost,easyinstallation,highstability.ZigBeehastheuniqueadvantagesofshorttimedelayanddatatransmissionisreliable,itismoresuitableforfirealarmsystem.CC2530thisdesignasthecorecontrolchip,usingZ-StackprotocolStackasdealplatform,formingasmallZigBeenetworkandsystemconsistsofacoordinatorandaterminalequipmentofasmallnetwork.Terminalequipmentasthedatacollectiontemperature,smokesensornode,terminalequipmentindifferentpartsoftheinterior,thecollecteddatawirelesstransmissiontothecoordinatornode,throughaserialporttotransmitinformationofeachsensornodetoPC,PCwritteninLabVIEWsoftware,completethedatadisplayandstorage,basicallyrealizedthefunctionoffirealarmsystemofthefamilyshouldhave.KeywordsZigBee;Firealarm;CC2530;Z-StackprotocolStack;LabVIEW目錄目錄摘要 IAbstract II目錄 III第1章緒論 11.1研究背景和意義 11.2火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)發(fā)展過(guò)程 PAGEREF_Toc359264660\h11.3火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀 21.4本文章節(jié)安排 3第2章ZigBee技術(shù)概述 63\h52.1 ZigBee技術(shù)的起源 52.2 ZigBee技術(shù)的特點(diǎn) 52.3 ZigBee協(xié)議規(guī)范 72.4 ZigBee技術(shù)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和設(shè)備類(lèi)型 112.5本章小結(jié) 13第3章總體設(shè)計(jì)方案 14HYPERLINK\l"_Toc359264670"3.1火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的功能 143.2火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案 153.2.1 傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì) 163.2.2 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì) 173.2.3 上位機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 183.3本章小結(jié) 18第4章系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)及分析 194.1煙霧傳感器電路設(shè)計(jì) 194.2溫度傳感器電路設(shè)計(jì) 214.3 CC2530最簡(jiǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 224.3.1 CPU和內(nèi)存 244.3.2 外設(shè)，時(shí)鐘和電源管理相關(guān)模塊 244.3.3 無(wú)線(xiàn)設(shè)備 PAGEREF_Toc359264682\h244.3.4 CC2530最簡(jiǎn)系統(tǒng) 254.4電源供電電路 264.5串口通信電路 264.6本章小結(jié) 27第5章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)及分析 285.1 Z-Stack協(xié)議棧介紹 28HYPERLINK\l"_Toc359264689"5.2 IAR軟件操作 305.3協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì) 325.4傳感器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì) 345.5 DS18B20軟件設(shè)計(jì) 355.6串口軟件設(shè)計(jì) 365.7本章小結(jié) 37第6章上位機(jī)軟件設(shè)計(jì) 386.1 LabVIEW概述 386.2 LabVIEW程序設(shè)計(jì) 386.2.1 數(shù)據(jù)采集及報(bào)警 PAGEREF_Toc359264698\h396.2.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和回放 406.2.3 緊急疏散按鈕設(shè)計(jì) 416.3本章小結(jié) 41結(jié)論 42參考文獻(xiàn) 43致謝 45附錄1開(kāi)題報(bào)告附錄2文獻(xiàn)綜述附錄3中期報(bào)告附錄4外文翻譯附錄5外文文獻(xiàn)第1章緒論緒論研究背景和意義火災(zāi)是指在時(shí)間和空間上失去控制的燃燒所造成的災(zāi)害。在各種各樣的災(zāi)害中，火災(zāi)已成為我國(guó)常發(fā)性、破壞性和影響力最強(qiáng)的災(zāi)害之一，據(jù)權(quán)威的統(tǒng)計(jì)部門(mén)統(tǒng)計(jì)，中國(guó)因火災(zāi)造成的經(jīng)濟(jì)損失，在20世紀(jì)60年代年均值近1.4億元，70年代年均值為2.4億元，80年代年均值近3.2億元。90年代后，隨著經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，火災(zāi)造成的損失也迅速上升，已達(dá)到年損失近10.2億元。21世紀(jì)，隨著高層建筑、地下建筑以及大型綜合性建筑日益增多，火災(zāi)隱患也隨之增加，火災(zāi)發(fā)生的數(shù)量及其造成的損失更是驚人，前5年的年均火災(zāi)損失達(dá)15.4億元，是20世紀(jì)80年代年均損失的4.8倍。2011年全國(guó)發(fā)生火災(zāi)13.2萬(wàn)起(不含森林、草原、礦井、軍隊(duì)等)，直接經(jīng)濟(jì)損失17.7億元，2012年因火災(zāi)造成的經(jīng)濟(jì)損失18.8億元[1-2]。因此，火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)成為保護(hù)人的生命和財(cái)產(chǎn)安全的重要措施。所以，在這樣的情況下，有效的火災(zāi)報(bào)警技術(shù)和火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)，使我們可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)火災(zāi)，并采取措施，盡量使損失降到最低。隨著人們需求的提高和現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)、電子技術(shù)、智能化技術(shù)的發(fā)展，其技術(shù)水平也在不斷的提高?；馂?zāi)報(bào)警系統(tǒng)發(fā)展過(guò)程從火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的發(fā)展過(guò)程來(lái)看，大致可以分成三個(gè)階段：多線(xiàn)型火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)，總線(xiàn)型火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)和無(wú)線(xiàn)型火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)[3-4]。多線(xiàn)型報(bào)警系統(tǒng)由于電路復(fù)雜、布線(xiàn)多、可靠性差、誤報(bào)率高，已經(jīng)逐漸被總線(xiàn)型報(bào)警系統(tǒng)取代，這種自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)己采用微處理器控制，其線(xiàn)制一般有四線(xiàn)制、三線(xiàn)制、二線(xiàn)制，探測(cè)器和模塊均采用地址編碼形式，通過(guò)總線(xiàn)與控制器實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳送，它同以前的產(chǎn)品相比有了很大的飛躍，布線(xiàn)工作顯著減少，安裝調(diào)試變得容易，降低了安裝和維修費(fèi)用，因而得到了較普遍的應(yīng)用。目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)大多數(shù)為此類(lèi)產(chǎn)品[5-6]。但隨著社會(huì)的發(fā)展，這一系統(tǒng)已逐漸暴露出它的問(wèn)題。由于采用了有線(xiàn)連接，線(xiàn)路容易老化或遭到腐蝕、磨損，系統(tǒng)耗材多、造價(jià)高、功耗大、擴(kuò)展能力差、設(shè)計(jì)、施工與維護(hù)復(fù)雜。再如在一些工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，一些工業(yè)環(huán)境禁止或限制使用電纜，而在其他一些工業(yè)環(huán)境要求完全把電纜屏蔽起來(lái)以高度防止來(lái)自大多數(shù)工業(yè)設(shè)施中的機(jī)器或其他無(wú)線(xiàn)電控制設(shè)備的干擾，這種傳統(tǒng)的總線(xiàn)型檢測(cè)系統(tǒng)很大程度上影響系統(tǒng)的處理速度和系統(tǒng)的可靠性、靈活性，在火災(zāi)發(fā)生前后不能有效地發(fā)揮其作用。鑒于這種情況，火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)趨于無(wú)線(xiàn)檢測(cè)方式，用分布式的無(wú)線(xiàn)技術(shù)來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的集中的有線(xiàn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)傳感器與數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)之間的直接通訊。無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)和發(fā)展為這一問(wèn)題提供了新的解決途徑。目前，國(guó)內(nèi)有人嘗試用藍(lán)牙和Wi-Fi技術(shù)組建無(wú)線(xiàn)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)，但結(jié)果都不理想。由于火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的性能直接關(guān)系到人類(lèi)的生命和財(cái)產(chǎn)安全，因此對(duì)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)有一些嚴(yán)格的要求[7]。根據(jù)國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，火災(zāi)報(bào)警網(wǎng)絡(luò)應(yīng)具有故障修復(fù)功能以保證網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)行。除了要求系統(tǒng)具有較好的可靠性，穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性外，我們還希望火災(zāi)報(bào)警器的成本較低，方便我們大規(guī)模地在樓宇內(nèi)布置節(jié)點(diǎn)。此外系統(tǒng)應(yīng)做到盡可能的節(jié)能，以便系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，避免頻繁更換電池給用戶(hù)帶來(lái)的麻煩。在選擇組建無(wú)線(xiàn)火災(zāi)報(bào)警網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線(xiàn)技術(shù)時(shí)，必須考慮到火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的這些需求。而藍(lán)牙技術(shù)相對(duì)傳輸距離太短，Wi-Fi技術(shù)消耗的功率很大，都不適用于火災(zāi)報(bào)警。而ZigBee技術(shù)有能力解決現(xiàn)行系統(tǒng)中的這些問(wèn)題：ZigBee具有短時(shí)延，自組網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)自愈能力強(qiáng)，低功耗，低成本等特點(diǎn)，在避免干擾方面ZigBee采用直接序列擴(kuò)頻技術(shù)保證信號(hào)在2.4GHz這個(gè)公共頻段的正確傳輸，具有安全性和可靠性[8]?；馂?zāi)報(bào)警系統(tǒng)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀世界上的一些較發(fā)達(dá)的國(guó)家，像德國(guó)、日本、美國(guó)、加拿大，他們具有非常完善和成熟的消防組織體系，包括火災(zāi)的預(yù)防、報(bào)警以及善后處理等[9]。這些國(guó)家進(jìn)行了非常有益的嘗試，在公共報(bào)警研究工作中引入火災(zāi)的自動(dòng)報(bào)警，然后對(duì)火災(zāi)報(bào)警以及相關(guān)方面的監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行整合，做到了統(tǒng)一管理，這樣給消防部門(mén)開(kāi)展工作帶來(lái)了很大便利，消防工作人員可以快速并十分準(zhǔn)確地判斷火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)，從而可以有效的進(jìn)行火災(zāi)處理工作[10-11]。國(guó)際上許多著名的大學(xué)和公司紛紛從不同的層次、不同的角度對(duì)無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了研究和開(kāi)發(fā)。這些無(wú)線(xiàn)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)一般采用專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)，主要側(cè)重于專(zhuān)業(yè)的火災(zāi)報(bào)警場(chǎng)合或是作為樓宇自控系統(tǒng)的附屬子系統(tǒng)，不符合我國(guó)有關(guān)火災(zāi)報(bào)警必須自成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則，因此國(guó)外目前的無(wú)線(xiàn)火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)在我國(guó)消防領(lǐng)域的應(yīng)用受到了限制。我國(guó)在火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)發(fā)展方面滯后于國(guó)外，早期主要是模仿國(guó)外產(chǎn)品，或是引進(jìn)國(guó)外成熟的生產(chǎn)技術(shù)，沒(méi)有自己的真正意義上的核心技術(shù)。90年代以后，國(guó)外企業(yè)開(kāi)始大量入駐中國(guó)消防市場(chǎng)，中國(guó)的火災(zāi)報(bào)警企業(yè)開(kāi)始大量出現(xiàn)，部分企業(yè)通過(guò)與外商合資或者技術(shù)合作，壯大自己的實(shí)力，后來(lái)逐漸成為中國(guó)市場(chǎng)上有競(jìng)爭(zhēng)力的廠(chǎng)家。在我國(guó)，采用無(wú)線(xiàn)通信方式的火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)也日益受到重視，由于其安裝方便、靈活性好及易于擴(kuò)展等性能，可以適用于很多公共場(chǎng)所，是現(xiàn)代火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警發(fā)展的方向?，F(xiàn)在我國(guó)的報(bào)警系統(tǒng)在借鑒外國(guó)先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，同時(shí)積極利用新技術(shù)及新材料改進(jìn)系統(tǒng)性能，使無(wú)線(xiàn)火災(zāi)報(bào)警器向著低誤報(bào)、高可靠、無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化、多功能化、自動(dòng)化和智能化的方向發(fā)展。隨著ZigBee技術(shù)逐步成熟，國(guó)內(nèi)多家單位已將基于ZigBee的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)、煤礦安全、遠(yuǎn)程抄表、智能家居等領(lǐng)域，從理論和實(shí)踐上獲得了突破，火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)無(wú)線(xiàn)化的時(shí)代即將到來(lái)[12]。本文章節(jié)安排本文首先介紹了火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的研究背景、發(fā)展過(guò)程及國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀。其次，詳細(xì)介紹了本文所采用的ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，并設(shè)計(jì)出一個(gè)完整的系統(tǒng)將該無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于火災(zāi)報(bào)警定位中。對(duì)于該系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)及軟件設(shè)計(jì)本文也做了詳細(xì)的描述。本論文共包含六章，每一章的內(nèi)容安排如下：第1章為緒論，對(duì)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的研究背景和意義、發(fā)展過(guò)程及目前的國(guó)內(nèi)外研究狀態(tài)進(jìn)行了簡(jiǎn)單的描述。此外，也對(duì)ZigBee應(yīng)用于火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)做了簡(jiǎn)單概括。第2章介紹了ZigBee技術(shù)的起源和ZigBee技術(shù)的特點(diǎn)。對(duì)于ZigBee的協(xié)議規(guī)、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和設(shè)備類(lèi)型，本章也有詳細(xì)描述。第3章介紹了本文所設(shè)計(jì)的基于ZigBee的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)思路。對(duì)該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能，及實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)的方案選擇、硬件結(jié)構(gòu)和軟件平臺(tái)的選擇，本章都進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明。第4章為本文所設(shè)計(jì)的火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件部分的介紹。首先，對(duì)該系統(tǒng)所采用的傳感器做了詳細(xì)介紹。然后，對(duì)新一代的SOC芯片CC2530的特點(diǎn)、性能進(jìn)行簡(jiǎn)單描述，對(duì)硬件系統(tǒng)中的供電電路的設(shè)計(jì)、串口通信電路的設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)介紹。第5章為本文所設(shè)計(jì)的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的軟件部分的介紹。本章首先對(duì)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)環(huán)境及軟件做了簡(jiǎn)單介紹。然后分別進(jìn)行了協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)、傳感器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)、DS18b20軟件設(shè)計(jì)及串口的設(shè)計(jì)做了詳細(xì)介紹。第6章為上位機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，通過(guò)LabVIEW軟件設(shè)計(jì)了良好的人機(jī)界面，可以實(shí)現(xiàn)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)的監(jiān)控、儲(chǔ)存及報(bào)警的功能，使本系統(tǒng)更加完善。第7章為工作總結(jié)。在總結(jié)本文所做工作的基礎(chǔ)上，分析了ZigBee技術(shù)在火災(zāi)報(bào)警中一些需要改進(jìn)的地方。第2章ZigBee技術(shù)概述ZigBee技術(shù)概述ZigBee技術(shù)的起源ZigBee技術(shù)是近距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)之一，它們分別是無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)(Wi-Fi)、超寬帶通信(UWB)、近場(chǎng)通信(NFC)、藍(lán)牙(Bluetooth)、紅外線(xiàn)數(shù)據(jù)通信IrDA、ZigBee[13]。目前短距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)已成為無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的一個(gè)重要分支，這是因?yàn)樵诂F(xiàn)實(shí)生活中，存在著許多這樣的應(yīng)用情況，系統(tǒng)所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)通常為小量的突發(fā)信號(hào)，即數(shù)據(jù)特征為數(shù)據(jù)量小，要求進(jìn)行實(shí)時(shí)傳送，如傳統(tǒng)的無(wú)線(xiàn)技術(shù)，雖然滿(mǎn)足上述要求，但是存在著設(shè)備的成本高、體積大和能量消耗大等問(wèn)題，針對(duì)這樣的應(yīng)用場(chǎng)合，人們希望利用具有成本低、體積小、能量消耗小和傳輸速率低的短距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)。ZigBee技術(shù)的命名主要來(lái)自于人們對(duì)蜜蜂采蜜過(guò)程的觀(guān)察，蜜蜂在采蜜的過(guò)程中，跳著優(yōu)美的舞蹈，形成ZigZag的形狀，以此來(lái)相互交流信息，以便獲取共享食物源方向、距離和位置等信息。又因?yàn)槊鄯渥陨眢w積小，所需的能量少，又能傳送所采集的花粉，因此，人們用ZigBee技術(shù)來(lái)代表具有成本低、體積小、能量消耗小和傳輸速率低的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)。ZigBee的中文譯名通常為“智蜂”、“紫風(fēng)”等[14]。ZigBee技術(shù)的特點(diǎn)ZigBee是一種新興的短距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。通俗來(lái)說(shuō)ZigBee技術(shù)就是一種提供控制或傳感器等電子元器件之間無(wú)線(xiàn)連接的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)。其主要特點(diǎn)是低功耗、成本低、低速率、近距離、短時(shí)延、高容量、免執(zhí)照頻段及高安全性[15]。主要用于近距離無(wú)線(xiàn)連接，它依據(jù)IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，在數(shù)千個(gè)微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)通信[16]。1、低功耗ZigBee技術(shù)為低功耗設(shè)備，其發(fā)射輸出為0~3.6dBm，通信距離為10~75m，具體數(shù)值取決于射頻環(huán)境以及特定應(yīng)用條件下的輸出功耗，具有能量檢測(cè)和鏈路質(zhì)量指示能力，根據(jù)這些檢測(cè)結(jié)果，設(shè)備可自動(dòng)調(diào)整設(shè)備的發(fā)射功率，在保證通信鏈路質(zhì)量的條件下，最小地消耗設(shè)備能量。2、低成本ZigBee技術(shù)具有低成本特點(diǎn)，通過(guò)大幅簡(jiǎn)化協(xié)議(不到藍(lán)牙的1/10)，降低了對(duì)通信控制器的要求，按預(yù)測(cè)分析，以8051的8位微控制器測(cè)算，全功能的主節(jié)點(diǎn)需要32kB代碼，子功能節(jié)點(diǎn)少至4kB代碼，而且ZigBee免協(xié)議專(zhuān)利費(fèi)。每塊芯片的價(jià)格大約為2美元。3、低速率在2.4GHz頻段上，分為16個(gè)信道，數(shù)據(jù)傳輸速率為250kps；另外兩個(gè)頻段為915/868MHz，其相應(yīng)的信道個(gè)數(shù)為10個(gè)信道和1個(gè)信道，傳輸速率分別為40kps和20kps，專(zhuān)注于低傳輸應(yīng)用。4、免執(zhí)照頻段根據(jù)IEEE805.15.4標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，ZigBee的工作頻段分為3個(gè)頻段，這三個(gè)工作頻段相距較大，而且在各個(gè)頻段上信道數(shù)目不同，因而，在該項(xiàng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中，各頻段的調(diào)制方式和傳輸速率不同[17]。它們分別為868MHz、915MHz和2.4GHz頻段上，該頻段為全球通用的工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)學(xué)(ISM：Industrial,ScientificandMedical)頻段，該頻段為免付費(fèi)、免申請(qǐng)的無(wú)線(xiàn)電頻段。5、短時(shí)延ZigBee的響應(yīng)速度較快，一般從睡眠轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)只需15ms，節(jié)點(diǎn)連接進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)只需30ms，進(jìn)一步節(jié)省了電能。相比較，藍(lán)牙需要3~10s、Wi-Fi需要3s。6、高容量在組網(wǎng)性能上，ZigBee設(shè)備科構(gòu)造為星型網(wǎng)絡(luò)或者點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)，在每一個(gè)ZigBee組成的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，連接的地址碼分為16bit短地址或者64bit長(zhǎng)地址，可容納的最大設(shè)備個(gè)數(shù)分別為216個(gè)和264個(gè)，具有較大的組網(wǎng)容量。7、可靠性和安全性在無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)上，采用免沖突多載波信道接入(CSMA/CA)方式，有效地避免了無(wú)線(xiàn)電載波之間的沖突，此外，為保證傳輸數(shù)據(jù)的可靠性，建立了完整的應(yīng)答通信協(xié)議。為保證ZigBee設(shè)備之間通信數(shù)據(jù)的安全保密性，ZigBee技術(shù)提供了三級(jí)安全模式，包括無(wú)安全設(shè)定、使用接入控制清單(ACL)防止非法獲取數(shù)據(jù)以及采用了密鑰長(zhǎng)度為128位的加密算法，對(duì)所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息進(jìn)行加密處理，以靈活確定其安全屬性。8、自組織網(wǎng)通信方式(動(dòng)態(tài)路由)，自愈功能強(qiáng)動(dòng)態(tài)路由是指網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)穆窂讲⒉皇穷A(yù)先設(shè)定的，而是傳輸數(shù)據(jù)前，通過(guò)對(duì)網(wǎng)絡(luò)當(dāng)時(shí)可利用的所有路徑進(jìn)行搜索，分析它們的位置關(guān)系以及遠(yuǎn)近，然后選擇其中的一條路徑進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。在我們的網(wǎng)絡(luò)管理軟件中，路徑的選擇使用的是“梯度法”，即先選擇路徑最近的一條通道進(jìn)行傳輸，如傳不通，再使用另外一條稍遠(yuǎn)一點(diǎn)的通路進(jìn)行傳輸，以此類(lèi)推，直到數(shù)據(jù)送達(dá)目的地為止。在實(shí)際工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，預(yù)先確定的傳輸路徑隨時(shí)都可能發(fā)生變化，或者因各種原因路徑被中斷了，或者過(guò)于繁忙不能進(jìn)行及時(shí)傳送。動(dòng)態(tài)路由結(jié)合網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，就可以很好解決這個(gè)問(wèn)題，從而保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸。ZigBee協(xié)議規(guī)范IEEE802.15.4-2003標(biāo)準(zhǔn)定義了兩個(gè)較低層：物理層(physicallayer,PHY)和媒體訪(fǎng)問(wèn)控制子層(mediumaccesscontrolsub-layer,MAC)。ZigBee聯(lián)盟在此基礎(chǔ)上建立了網(wǎng)絡(luò)層(networklayer,NWK)和應(yīng)用層(applicationlayer，APL)構(gòu)架。應(yīng)用層構(gòu)架由應(yīng)用支持子層(APS)、ZigBee設(shè)備對(duì)象(ZDO)和制造商定義的應(yīng)用對(duì)象組成。如圖2-1。ZigBee協(xié)議棧結(jié)構(gòu)由一組被稱(chēng)作層的模塊組成。每一層為上面的層執(zhí)行一組特定的服務(wù)：數(shù)據(jù)實(shí)體提供了數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，管理實(shí)體提供了所有其它的服務(wù)。每個(gè)服務(wù)實(shí)體通過(guò)一個(gè)服務(wù)接入點(diǎn)(SAP)為上層提供一個(gè)接口，每個(gè)SAP支持多種服務(wù)原語(yǔ)來(lái)實(shí)現(xiàn)要求的功能。ZigBee協(xié)議棧是基于標(biāo)準(zhǔn)的開(kāi)放式系統(tǒng)互聯(lián)(OSI)七層模型，但是僅定義了那些相關(guān)實(shí)現(xiàn)預(yù)期市場(chǎng)空間功能的層。ZigBee協(xié)議的體系結(jié)構(gòu)如圖2-2。圖2-1ZigBee協(xié)議棧圖2-2ZigBee協(xié)議的體系結(jié)構(gòu)1、物理層這層是距離硬件最近的層，它直接控制并與無(wú)線(xiàn)收發(fā)器通信。也是物理無(wú)線(xiàn)信道與MAC層之間的接口，主要是在硬件驅(qū)動(dòng)程序的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和物理信道的管理，提供物理層數(shù)據(jù)服務(wù)和物理層管理服務(wù):(1)數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收；(2)物理信道的能量檢測(cè)(ED：EnergyDetection)；(3)射頻收發(fā)器的激活與關(guān)閉；(4)空閑信道評(píng)估(CCA：clearchannelassessment)；(5)鏈路質(zhì)量指示(LQI：linkqualityindication)；(6)物理層屬性參數(shù)的獲取與設(shè)置。2、MAC層MAC層定義了MAC層與網(wǎng)絡(luò)層之間的接口，提供MAC層數(shù)據(jù)服務(wù)和MAC層管理服務(wù)。(1)信道接入方式采用免沖突載波檢測(cè)多路訪(fǎng)問(wèn)(CSMA-CA)機(jī)制；(2)協(xié)調(diào)器對(duì)網(wǎng)絡(luò)的建立與維護(hù)；(3)支持PAN網(wǎng)絡(luò)的關(guān)聯(lián)(association)與取消關(guān)聯(lián)(disassociation)操作；(4)協(xié)調(diào)器產(chǎn)生并發(fā)送信標(biāo)幀，普通設(shè)備根據(jù)信標(biāo)幀與協(xié)調(diào)器同步；(5)在兩個(gè)MAC實(shí)體之間提供可靠數(shù)據(jù)鏈路；(6)與時(shí)分復(fù)用類(lèi)似的處理和維護(hù)保護(hù)時(shí)隙(GTS)機(jī)制；(7)為設(shè)備安全提供支持。3、網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)層定義了網(wǎng)絡(luò)層與應(yīng)用層之間的接口，提供網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)服務(wù)和網(wǎng)絡(luò)層管理服務(wù)。網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的建立和維護(hù)網(wǎng)絡(luò)連接，主要功能包括設(shè)備連接和斷開(kāi)網(wǎng)絡(luò)時(shí)所采用的機(jī)制，在幀信息傳輸過(guò)程中所采用的安全性機(jī)制，設(shè)備的路由發(fā)現(xiàn)、維護(hù)和轉(zhuǎn)交，在創(chuàng)建一個(gè)新網(wǎng)絡(luò)時(shí)為新設(shè)備分配短地址。網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)服務(wù)：(1)產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)協(xié)議數(shù)據(jù)單元；(2)選擇通信路由。網(wǎng)絡(luò)層管理服務(wù)：(1)配置新設(shè)備；(2)開(kāi)始新網(wǎng)絡(luò)；(3)加入和離開(kāi)網(wǎng)絡(luò)；(4)尋址；(5)鄰近設(shè)備發(fā)現(xiàn)；(6)路由發(fā)現(xiàn)；(7)接受控制。4、應(yīng)用層應(yīng)用層定義了應(yīng)用層與網(wǎng)絡(luò)層之間的接口，主要由應(yīng)用支持子層、設(shè)備配置層和用戶(hù)應(yīng)用程序組成，提供應(yīng)用層數(shù)據(jù)服務(wù)和應(yīng)用層管理服務(wù)。應(yīng)用(APL)層是ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中的最高協(xié)議層并且管理應(yīng)用對(duì)象。生產(chǎn)商開(kāi)發(fā)應(yīng)用對(duì)象來(lái)為各種應(yīng)用定制一款設(shè)備，在ZigBee設(shè)備中，應(yīng)用對(duì)象控制和管理協(xié)議層，單個(gè)的設(shè)備中最多可以有240個(gè)應(yīng)用對(duì)象。在開(kāi)發(fā)一個(gè)應(yīng)用時(shí)，ZigBee標(biāo)準(zhǔn)提供了使用應(yīng)用框架的選擇。應(yīng)用框架是一系列關(guān)于特定應(yīng)用消息格式和處理動(dòng)作的協(xié)議。使用應(yīng)用框架可以使不同供應(yīng)商開(kāi)發(fā)的同一款應(yīng)用的產(chǎn)品之間有更好的互操作性。如果兩個(gè)供應(yīng)商使用同樣的應(yīng)用框架來(lái)開(kāi)發(fā)他們的產(chǎn)品，那么其中一個(gè)供應(yīng)商生產(chǎn)的產(chǎn)品將與另一個(gè)緊密聯(lián)系，就好像是同一個(gè)生產(chǎn)商生產(chǎn)的一樣。(1)產(chǎn)生應(yīng)用數(shù)據(jù)單元；(2)綁定及綁定服務(wù)；(3)AIB管理；(4)安全管理。5、協(xié)議棧各層幀結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系在ZigBee協(xié)議棧中，所有的通信數(shù)據(jù)都是利用幀的格式來(lái)組織的，協(xié)議棧的每一層都有特定的幀結(jié)構(gòu)。當(dāng)應(yīng)用程序需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，它將通過(guò)APS數(shù)據(jù)實(shí)體發(fā)送數(shù)據(jù)請(qǐng)求到APS。隨后在它下面的每一層都會(huì)為數(shù)據(jù)附加相應(yīng)的幀頭和幀尾，組成要發(fā)送的幀信息，其幀結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系如圖2-3。圖2-3各層幀結(jié)構(gòu)的構(gòu)成ZigBee技術(shù)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和設(shè)備類(lèi)型利用ZigBee技術(shù)組成的無(wú)線(xiàn)個(gè)人區(qū)域網(wǎng)是一種低速率的無(wú)線(xiàn)個(gè)人區(qū)域網(wǎng)(LRWPAN)，這種低速率的個(gè)人區(qū)域網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉，具有優(yōu)先的功率和靈活的吞吐量[18]。在IEEE802.15.4網(wǎng)絡(luò)中，根據(jù)設(shè)備所具有的通信能力，可以分為全功能設(shè)備(FFD)和精簡(jiǎn)功能設(shè)備(RFD)，F(xiàn)FD之間以及FFD和RFD之間都可以相互通信；但RFD只能與FFD通信，而不能與其他RFD通信。RFD主要用于簡(jiǎn)單的控制應(yīng)用，傳輸數(shù)據(jù)量少，對(duì)傳輸資源和通信資源占用不多，可以采用相對(duì)廉價(jià)的實(shí)現(xiàn)方案，在網(wǎng)絡(luò)通信中一般作為通信終端[19]。FFD則需要功能相對(duì)較強(qiáng)的MCU，一般在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中擁有網(wǎng)絡(luò)控制和管理的功能。根據(jù)設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中承擔(dān)的任務(wù)的不同，IEEE802.15.4網(wǎng)絡(luò)設(shè)備可分為PAN協(xié)調(diào)器、協(xié)調(diào)器和一般設(shè)備。PAN協(xié)調(diào)器是FFD設(shè)備，它是網(wǎng)絡(luò)的中心節(jié)點(diǎn)，一個(gè)IEEE802.15.4網(wǎng)絡(luò)中只有一個(gè)PAN協(xié)調(diào)器。PAN網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者除了直接參與應(yīng)用以外，還要負(fù)責(zé)其他網(wǎng)絡(luò)成員的身份管理、鏈路狀態(tài)信息的管理以及分組轉(zhuǎn)發(fā)等功能。協(xié)調(diào)器是FFD設(shè)備，他通過(guò)發(fā)送信標(biāo)提供同步服務(wù)，PAN協(xié)調(diào)器是一種特殊的協(xié)調(diào)器。一般設(shè)備可以是FFD也可以是RFD，根據(jù)自身的通信需求來(lái)定。圖2-4是IEEE802.15.4網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)例子，給出了網(wǎng)絡(luò)中各種設(shè)備的類(lèi)型以及它們?cè)诰W(wǎng)絡(luò)中所處的地位。圖2-4IEEE802.15.4網(wǎng)絡(luò)組件和拓?fù)潢P(guān)系ZigBee聯(lián)盟把IEEE802.15.4中定義的PAN協(xié)調(diào)器、協(xié)調(diào)器和一般設(shè)備分別稱(chēng)為：網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器、網(wǎng)絡(luò)路由器和網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備。其中網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器主要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的建立，以及網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)配置；路由主要負(fù)責(zé)找尋、建立以及修復(fù)網(wǎng)絡(luò)報(bào)文的路由信息，并負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)絡(luò)報(bào)文；網(wǎng)絡(luò)終端有加入、退出網(wǎng)絡(luò)的功能，并可以接受和發(fā)送報(bào)文，但終端設(shè)備不允許路由轉(zhuǎn)發(fā)報(bào)文。通常協(xié)調(diào)器和路由節(jié)點(diǎn)一般由FFD功能設(shè)備構(gòu)成，終端設(shè)備由RFD設(shè)備組成。ZigBee網(wǎng)絡(luò)根據(jù)應(yīng)用的需要可以組成星形網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)和簇狀網(wǎng)絡(luò)3種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖2-5所示[20]。在星形結(jié)構(gòu)中，所有的設(shè)備都與中心設(shè)備—PAN網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者通信，實(shí)際上在這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中路由器是沒(méi)有路由作用。在這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者一般使用電力系統(tǒng)供電，而其他設(shè)備采用電池供電。星形網(wǎng)絡(luò)適合家庭自動(dòng)化、個(gè)人計(jì)算機(jī)外設(shè)以及個(gè)人健康護(hù)理等小范圍的室內(nèi)應(yīng)用；與星形網(wǎng)絡(luò)不同，網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)(Mesh)只要彼此在對(duì)方的無(wú)線(xiàn)輻射范圍內(nèi)，任何兩個(gè)FFD設(shè)備之間都能直接通信，在Mesh中每一個(gè)FFD設(shè)備都可以認(rèn)為是網(wǎng)絡(luò)路由器，都可以實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)報(bào)文的路由轉(zhuǎn)發(fā)功能，Mec