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1、河南科技学院2015-2016学年第二学期期终考试无线传感器网络题目： 基于ZigBee的无线楼宇火灾监测网络设计 专 业 班 级： 信工（信息） 成 员： 教 师： 完 成 时 间： 2016-7-1 目录目录11.需求分析22. 总体设计32.2烟雾传感器62.3温度传感器62.4 光传感器73主要软件设计73.1 Z-Stack协议栈介绍83.2 系统软件设计83.3 监测子程序94 总结165参考文献171. 需求分析随着高层建筑的不断增多，火灾隐患也在增加。火灾作为危害人类生存的大敌，的重视，一旦发生火灾，人的生命和财产将会遭受重大损失。于是人们开始寻求一种早期发现火灾的方法，以便控
2、制火情，减少损失，保障生命和财产安全。火灾自动报警器就是为了满足这一需求而研制出来的，其功能和结构也随着人们需求的不断提高而逐渐完善。在我国，火灾自动报警设备的研究、生产和应用起步较晚，20世纪五六十年代基本是空白，70年代开始创建并逐步有所发展，进入80年代以来，特别是最近几年，火灾自动报警设备的生产和应用有了较大发展，生产厂家、产品种类和产量以及应用单位都不断有所增加。现有的火灾报警系统，多采用有线技术进行火灾传感器网络的组建。目前基于有线技术的火灾报警系统已趋于成熟。然而有线通信方式扩展性能差，布线繁琐，影响关观，而且由于采用硬线连接，线路容易老化或遭到腐蚀、鼠咬、磨损，因此有线报警系统
3、故障发生率和误报率较高。采用无线传输方式构建的无线火灾报警网络则可以避免这些问题。无线报警系统是近几年来在国内外发展起来的新型火灾报警系统，与传统的火灾报警系统相比有它独特的优势并孕育着巨大的市场潜力。相对于有线方式而言，无线的方式比较灵活，不需布线，网络的基础设施不再需要掩埋在地下或隐藏在墙里。此外新节点加入和退出网络都非常方便，避免了重新布线的麻烦，这有利于网络的扩充，而不需要大规模的重新布局与规划。由此可见，无线网络可以很好地适应移动或变化的需要，可以认为无线网络是火灾报警网络的发展趋势。随着近年来微电子机械系统、无线通信、数字电子等技术的发展，对于无线火灾自动报警系统的研究已在国内外发
4、展起来，并走向了实用化.随着近年来人类在微电子机械系统、无线通信、数字电子方面取得的巨大成就，使得发展低成本、低功耗、小体积、短距离通信的多功能传感器成为可能。ZigBee技术的出现就解决了这些问题。将无线ZigBee传感器网络和人工智能结合，可以大大提高火灾报警系统的可靠性。正是由于ZigBee技术其有功耗极低、系统简单、组网方式灵活、成本低、等待时间短等性能，相对于其他无线网络技术，它更适合于组建大范围的无线火灾探测器网络。 本文基于ZigBee实现了一种采用无线通信方式的火灾定位报警系统，具备无线通信灵活，无需繁琐布线，低功耗等优势，并能对网络中的移动节点进行精确定位。在该系统中所有火灾
5、探测器节点组成一个基于ZigBee的无线传感器网络，以无线的方式相互通信，将网络中的火灾数据实时的传给网络中央协调器，由协调器交火灾控制器处理。2. 总体设计系统完成的最主要的任务是对环境中温度、烟雾和光的监控。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
6、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，提示楼宇内的人员紧急撤离。总布局图如图2-1所示。楼宇火灾监控网络灾情传感模块手动控制模块火灾报警控制模块温度传感器光传感器烟雾传感器各种手动按钮监控显示系统显示灾情报警灯提示火灾定位图2-1 监控网络总布局图一个完整的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， 本设计幕本原理如下：:PC机有接受协调器数据和发送指令的功能。而协调器是整个网络的核心，用来启动网络，当整个网络被启动后，退化为普通跻由器。终端节点(即传感器)
7、检测到各个位置的温度，应用路由器的接力作用，将数据发送给计算机，PC机实现可视化、形象化人机界而，方便了用户的操作和观察。分布式监测系统如图2-2所示图2-2 分布式监测系统 CC2530是TI公司开发的符合ZigBee标准的2.4 GHz射频芯片.集成了所有ZigBee技术的优点.:1j快速应用到ZigBee产品。CC2530内部集成了33个I6bit限置寄存器， 15个命令选通寄存器。128字节的发送和接收缓冲卜.以及速度高达10Mbits/s的SPI接口等。它是一专门针对无线传感器网络设计的射频通信芯片，能够很好的满足无线传感器网络的需求。CC2530采用小型48脚QLP封装。有很多引脚
8、是为了便于与后续产品兼容而设计的。该系统通过按键设置工作地点的报警阀仇范田，利用ZigBee短距离无线通信技术引入到单片机系统中.采用信息传愉的方案进行了数据传愉送入单片机进行存储和处理。分析后，将值送到显示电路进行显示。如图2-3 CC2530应用电路，CC2530只需要很少的外部元器件，CC2530内部使用1.8V工作电压，因而功耗很低，适合于电池供电的设备;外部数字I/O接口使用3. 3V电压，这样:可以保持和3. 3V逻辑期间的兼容性。图2-3 CC2530应用电路图 2.1系统硬件电路设计 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CC2530、电源和天线，也是ZigB
9、ee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。无线楼宇火灾监测网络其关键部位在于传感器的分布，传感器模块主要有3个传感器组成，其硬件结构框架如图2-4所示：CC2530无线收发微控制器模块，该模块负责采集传感器信号，并传至PC机进行分析处理触发火灾控制模块，做出相应的提示。温度传感器CC2530无线收发控制器模块 光传感器烟雾传感器图2-4 关键硬件结构与框架2.2烟雾传感器MQ-2气体传感器所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡(SnO2)。当传感器所处环境中存在
10、可燃气体时，传感器的电导率随空气中可燃气体浓度的增加而增大。使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号。MQ-2气体传感器对液化气、丙烷、氢气的灵敏度高，对天然气和其它可燃蒸汽的检测也很理想。这种传感器可检测多种可燃性气体，是一款适合多种应用的低成本传感器主要特点及应用：简单的驱动电路即可家庭用气体泄漏报警器工业用可燃气体报警器便携式气体检测器其应用电路如图2-5所示图2-5 微控制器模块电路2.3温度传感器 DHT11数字温湿度传感器是一款含有己校准数字信号输出的温湿度复合传感器.它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性
11、.传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接.因此该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点.每个DHT11传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准.校准系数以程序的形式储存在OTP内存中，传感器内部在检测信号的处理过程中要调用这些校准系数.单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷.超小的体积、极低的功耗，信号传输距离可达20米以上，使其成为各类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选则.产品为4针单排引脚封装.连接方便，在传感器上，DHT11与CC2530的P0-7端口相连，其应用电路如图2-6所示图2-6 DHT11应用电路图2.4 光传感器
12、在一块光电导体两端加上电极，贴在硬质玻璃、云母、高频瓷或其它绝缘材料基板上，两端接有电极引线，封装在带有窗口的金属或塑料外壳内。光敏面作成蛇形，电极作成梳状，这样即可以保证有较大的受光表面，也可以减小电极之间距离，从而减小极间电子渡越时间，提高灵敏度。利用烟雾对光线的散射作用，调解其灵敏度使其及时反馈信息，如图2-7所示图2-7 光敏电阻3主要软件设计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
13、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。3.1 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，我们需要通过协议栈来使用这个协议，进而实现数据的无线收发。ZigBee的协议分为两部分，IEEE802.15.4定义了物理层和介质访问层技术规范;ZigBee联盟定义了网络层和应用层技术规范。Z-Stack协议栈就是将各个层定义的协议都集合在一起，以函数的形式实现，并给用户提供API(应用层)，我们可以调用OSAL提供的相关API进行多任务编程，将自己的应用程序作为一个独立的任务来实现。整个Z-S
14、tack采用分层的软件结构，硬件抽象层(HAL)提供各种硬件模块的驱动，.包括定时器Timer，通用I/O口GPIO,通用异步收发传输器UART,模数转换ADC的应用程序接口API，提供各种服务的扩展集。Z-Stack采用操作系统的思想来构建，通过时间片轮转函数实现任务调度，提供多任务处理机制，实现了一个易用的操作系统平台。但是与标准的操作系统还是有很大区别的，只是实现了类似操作系统的某些功能，但并不能称之为真正意义上的操作系统。在Zmain.c中定义了整个软件的main函数，他有两个工作:一是系统的初始化，即通过启动代码来初始化硬件系统和软件构架的各个模块;二是开始执行操作系统实体，流程图如
15、图5-10 系统的初始化，系统的初始化包括硬件的初始化和软件架构的各个模块初始化，然后启动代码，为操作系统的运行做好准备工作，其中主要包括:关闭所有中断，系统时钟初始化，检测芯片电压是否正常，I/O、LED、Timer等初始化，各个硬件模块初始化，FLASH存储器初始化，MAC层初始化，确定IEEE 64位地址，非易失变量初始化，操作系统初始化，使能全部中断。3.2 系统软件设计主程序流程图如图3-1所示初始化读取值将读取值发送到ZigBee并分析报告开始开始图3-1 主程序流程图3.3 监测子程序void dsl_reset(void)dsl=1;_nop_():dsl=0; TempDel
16、ay(80);_nop_O:dsl=1; TempDelay(5);_nop_();_nop_();_nop_(); if(dsl=0) flag=1;else flag=O: TempDelay(20):_nop_() _nop_(); dsl=1; /*/bit dsl_read_bit(void) /读一位 bit dat; dsl=0 _nop_=(); dsl=1; _nop_=(); _nop_=(); dal=dsl;/15us内有效 TempDelay(10); return(dat);uchar dsl_read_byte(void)/读一字节 uchar value,i,j
17、; value=0 for(i=0;i8;i+) j=dsl_read_bit(); value=(j1); return(value);void dsl_write_ byte(uchar dat) uchar i; hit onebit; for(i=1;i1;if(onebit) dsl=0; _nop_(); _nop_(); dsl=1; TempDelay(5);else /写0 dsl=9; TempDelay(8); dsl=1; _nop_(); _nop_(); void tem_change1()( dsl resetO; delay(1); dsl_ write_byt
18、e(Oxcc); dsl_ write_byte(Ox44);uint get_temperature1() float wendu; uchar a, b; dsl_reset(); delay(1); dsl_ write_byte(Oxcc); dsl_write byte(Oxbe);a=dsl_read_byte();b=dsl_reade_byte();if(b15) temp1=b; temp1=8; temp1=-temp1|a; temp1=-temp1+1; wendu=temp1*0.0625; temp1=wcndu*10+0.5;else temp1=b; temp1
19、=8; temp1=temp1|a; temp1=temp1+1; wendu=temp1*0.0625; temp1=wcndu*10+0.5;return temp1; void main() TMOD=0x21; THO=0x3c; TLO=Oxb0; TRO=1; Ero=1; SM0=0; SM1=1; REN=1; TI=0;RI=0;PCON=0;TH1=Oxf5:TL1=0Xf5;ET1=9;ES=1;TR1=1;EA=I:whilE(1) TI=0; SBUF=a; while(!TI); TI=0; delay(50); SBUF=a; while!TI); TI=0 de
20、lay(50);3.4zigbee总线通信程序void init()/初始化SCL=1delay();SDA=1;delay(); void start()/启动信号SDA=1;delay();SCL=1;delay(); SDA=0; delay();void stop() SDA=0; delay(); SCL=1; delay(); SDA=1; delay();void respons() uchar i=0;SCL=1; delay(); while(SDA=1)&(i255) i+; SCL=O; delay():void writebyte(uchar date)/写一个字节 u
21、char i, temp; temp=date; for(i=O;i8; i+) temp=templ ; SCL=0 delay(); SDA=CY; delay(); SCL=1; delay(); SCL=O; delay(); SDA=1; delay();任一地址写入数据格式:uchar readbyte()/读一个字节uchar i, j, k;SCL=0:delay();SDA=1;for(i=O: i8: i+) SCL= 1; delay(); if(SDA=1) j=1; else j=0k=(k1)ij;SCL=0;delay()delay();return k;Void
22、 write_add(uchar address,uchar info)/指定地址写一个字节数据start();writebyte(Oxa0):respons();writebyte(address);responsO;writebyte(info);responsO;stop();ucharrcad_add(uchar address)/指定地址读一个字节数据uchar dd:start():writebyte(Oxa0);responsO()writebyte(address);respons();start():writebyte(Oxal );respons();dd=rcadbyte
23、();stop();return dd;4 总结这个无线楼宇火灾监控网络采用了基于ZigBee无线传感器网络技术和信息融合技术，研究了ZigBee技术特点、协议规范、帧结构、拓扑结构、设备类型.并分析了ZigBee技术在火火报警信息传愉系统中的应用.以处理器为核心的电路板硬件设计，采用基于ZigBee标准的无线射频芯片CC2530.构建了一个无线火灾探测系统。主要功能是控制协调器节点完成数据接收与发送，控制传感器节点进行数据采集，接受收主机控制信号。完成数据接受和发送.结果表明.该火灾报警系统成本低，工作稳定。相对传统的有线火灾报警系统来说.此无线火灾报警系统摆脱了传统系统由于采用硬线连接，线
24、路容易老化或遭到腐蚀、鼠咬、磨损.故障发生率、误警率较高等缺点。但该系统由于采用无线传愉技术.通信中存在信息传愉安全以及节点的处理能力和通信能力相对较弱等缺点.在未来中对该系统将会做进一步改进。通过本次课题设计，使我进一步学习了关于ZigBee的相关知识，对物联网领域有了进一步的了解，为以后的学习打下了坚实的基础。5参考文献1姜仲，刘丹，ZigBee技术与实训教程基于cc2530的无线传感网络技术D清华大学出版社,2010年1月1日 2谢希仁.计算机网络（第五版）M.北京：电子工业出版社.2011. 3丽群，基于 ZIGBEE 的无线照明系统的研究与设计D，上海：上海交通大学，2008 年 1 月4刘辉，ZIGBEE 无线传感器网络的设计与应用D，苏州大学，2007 年 4 月5王龙军，ZIGBEE线传感器网络的设计与应用D，江苏：南京航空航天大学，2007 年 1 月6李贺然，滕志军ZigBee在通信电缆温度监测中的应用D信息技术，2011年
