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1、基于无线传感器网络的学生宿舍火灾监测报警系统研究 以民院为例,指导老师:黄勇组员：杨一杰 王 涛 陈飞虎,目录,研究背景 由于建筑物内人口密度的增加，煤气天然气、各种家用电器设备和公用电器设备使用中出现的可燃气体泄露、电气设备过载、过热、短路、保护老化等不安全因素，都存在火灾隐患。火灾自动探测报警系统作为早期探测火灾、将火灾遏制在萌芽状态的重要设备，是实现消防结合，预防为主的消防策略的重要手段。,研究意义鉴于现在市面上的智能火灾报警系统的缺陷，本设计采用TI公司的ZigBee协议栈，而ZigBee技术是一种低功耗、成本低、时延短、网络容量大、可靠、安全的无线通信技术。本设计不仅可以取代有线传输
2、方式进行数据传输和组网，降低整个报警系统的复杂度，并且很大程度上提高了系统的可靠性和稳定性，实现了火灾预警和报警的快速反应和动作；并在现今要求的节能的观念潮流上发挥着很大的魅力，低耗电待机模式下,2节5 号干电池可支持1个节点工作624个月,甚至更长，相比于蓝牙能工作数周、WiFi可工作数小时；安装火灾报警的节点无线穿墙布线，降低了施工成本，特别是适用于古建筑、旧楼加装智能消防系统，便于火灾报警系统的推广和普及。,第二章 技术背景介绍,2.1 无线传感器网络的选择,第二章 技术背景介绍,2.2 ZigBee技术 ZigBee就是标准的代名词。在标准的网络中，根据设备所具有的通信能力，可以分为全
3、功能设备（FFD）和精简功能设备（RFD）。FFD之间及FFD与RFD之间可以实现相互通信；但是RFD只能与FFD通信，而不能与其他RFD进行通信。FFD在网络中可以实现对网络的控制和管理工作;RFD主要负责简单的节点控制，传输的数据量很少，对传输资源和通信容量占用较少，在网络结构中通常行使通信终端的作用。,第二章 技术背景介绍,ZigBee标准定义了三种网络设备：ZigBee网络协调器（ZigBee Coordinator）、ZigBee网络路由器（ZigBee Router）、ZigBee网络终端设备（ZigBee End Device）。其中网络协调器主要负责ZigBee网络的建立工作，
4、及网络想相关配置；路由器主要负责寻找、建立以及修复网络报文的路由信息，并负责转发网络报文；网络终端设备具有加入、退出网络的功能，并可以接收和发送网络报文，但是终端设备不允许路由转发报文。通常协调器和路由节点是由FFD来充当，终端设备则由RFD组成。,第二章 技术背景介绍,第二章 技术背景介绍,ZigBee协议的体系结构,第二章 技术背景介绍,ZigBee协议结构物理层定义了物理无线信道和与MAC(媒体介质访问层)之间的接口，提供物理层数据服务和物理层管理服务。MAC层提供两种服务：MAC层数据服务和MAC层管理服务。前者是为了MAC协议数据在物理层数据服务中正确无误的传输，而后者进行MAC层的
5、管理工作，并且兼顾维护MAC层固有的信息数据库。网络层负责网络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采用的机制，以及在帧信息传输过程中所采用的安全性机制；此外，还包括设备的路由发现和路由维护和转交。ZigBee应用层框架包括应用支持子层（APS）、ZigBee设备对象（ZDO）和制造商所定义的应用对象。,第二章 技术背景介绍,HOLTEK HT66F50单片机 HT66F50单片机是一款A/D 型具有8 位高性能精简指令集的Flash 单片机。包含了一个RAM 数据存储器和一个可用于存储序号、校准数据等非易失性数据的EEPROM 存储器。还带有多个定时器模块，定时器模块
6、分成精简型、标准型和增强型，可提供定时功能、脉冲计数功能及PWM 输出功能。一个多通道可设置的10/12位A/D转换器和双比较器功能。内置完整的SPI 和IIC硬件模块，为设计者与外部硬件通信的接口设计提供了方便。内部看门狗定时器、低电压复位检测功能和空闲模式等内部特性使这款单片机功能更加完善。还提供了丰富的内置振荡器功能选项，无需外围元器件。其在不同工作模式之间动态切换的优越能力，给设计者提供了一个优化单片机操作和减少功耗的重要手段。本设计运用了HT66F50单片机的片内晶振模块、内部电压比较器模块（以此触发中断）、标准型定时器模块、看门狗定时器模块双向I/O。,第二章 技术背景介绍,MQ-
7、2型烟雾传感器工作原理 其属于二氧化锡半导体气敏材料，当MQ-2处于200300温度时，二氧化锡吸附空气中的氧，在其表面形成氧的负离子吸附层，这样造成电子密度减少，从而提高了其电阻值；遇到可燃气体时原来吸附的氧被可燃气体所消耗，以正离子态的可燃烟雾吸附在半导体表面，氧被结合放出电子，烟雾以正离子态吸附也会放出电子，这样使半导体带电子密度升高，从而使其电阻值减小，这样就可以通过检测电阻转换成的电压信号来感知环境信息。当环境中的可燃气体浓度下降后二氧化锡半导体又会恢复到常态，电阻值升高到初始值。,第二章 技术背景介绍,温度传感器DS18B20的工作原理 全数字温度转换及输出，通过查询内部相应寄存器
8、得出。单总线数据控制通信。最高分辨率12位，精度可达0.5。检测温度范围-55+125（-67257）。内置EEPROM，限温报警功能。,第二章 技术背景介绍,电源模块，信息显示，功能按键的方案设计 主节点电源采用两节5号电池供电，由于ZigBee协议芯片CC2430需要3.3V的数字供电和1.8V的模拟供电，因此使用REG1117，他是一块1.6V输出的稳压芯片，通过该芯片将3.3V的电压稳定在1.8V为CC2430提供1.8V的模拟电源，3.3V由AMS1117进行稳压得到；终端节点由于烟雾传感器采用5V供电加热需求，故在主节点的基础上还要提供5V电压，故采用LM7805稳压芯片方案。显示
9、采用3.3伏供电的12864LCD显示屏，按键使用普通I/O控制的扫描式按键方案。,第三章 基于ZigBee的智能火灾报警系统设计,系统概要设计,电源模块（硬件）：,第三章 基于ZigBee的智能火灾报警系统设计,第三章 基于ZigBee的智能火灾报警系统设计,温度检测模块与烟雾检测模块（硬件）,第三章 基于ZigBee的智能火灾报警系统设计,HT66F50单片机模块（硬件）：,第三章 基于ZigBee的智能火灾报警系统设计,ZigBee模块（硬件）,第三章 基于ZigBee的智能火灾报警系统设计,软件方面设计（软件）,第三章 基于ZigBee的智能火灾报警系统设计,烟雾检测模块程序设计,第三
10、章 基于ZigBee的智能火灾报警系统设计,主控遥控器软件设计,第三章 基于ZigBee的智能火灾报警系统设计,ZigBee模块程序设计 Z-Stack中带有一个基于优先级的轮转查询操作系统OSAL(Operating System Abstraction Layer)，OSAL采用以实现多任务为核心的系统资源管理机制。每一个任务的核心是一个事件处理函数，事件处理函数根据消息ID来选择合适的入口函数处理该任务本身或其他组件产生的事件。osal_init_system()初始化操作系统的任务，其中的osalInitTasks()函数是负责协议栈和用户任务的初始化工作，所有任务的初始化工作都在这个
11、函数里完成，并自动的给每个初始化的任务分配一个任务编号,第三章 基于ZigBee的智能火灾报警系统设计,ZigBee模块程序设计Z-Stack由main()函数开始执行，main()函数只做两件事：一件是系统模块的初始化，另一件是启动执行轮询式操作系统。,第三章 基于ZigBee的智能火灾报警系统设计,用户的任务处理函数编写仅涉及到应用层的App.c、App.h和OSAL_App.c函数，这大大方便了应用工程师的开发工作，节省了开发周期和经费。Zigbee模块设计最终目标是协调器设备开机便开始进行组建网络，路由设备开机并加入网络，然后进行等待数据的到来，如果有数据来则把接收到的数据发送给相应网
12、络的节点。协议栈自带的Demo工程GeneralApp，相应的网络配置比较完善，因此可以利用其作为模板直接调试并完成对该设计功能的任务。工程的应用层文件GeneralApp.c中的void GenericApp_Init(byte task_id)为用户配置初始化函数，此函数主要进行任务节点的属性配置，在AF层注册该端口描述符，注册用户事件，即把相关的event和相关的task进行了关联，当发生这些event时，会由和相应task关联的事件处理。在void GenericApp_Init(byte task_id)函数中我们主要修改数据包发送形式，以及添加初始化UART的函数。在zigbee协
13、议中数据包有三种传送方式：单点传送（unicast），多点传送（multicast）和广播传送（broadcast）。本设计采用广播传送模式，数据的头俩字节定义为各节点的64位IEEE地址的最后俩个字节，所有的节点将收到协调器发出的数据，在通过比较自己的IEEE地址最后俩字节和收到数据的头俩字节判断数据是否是发给自己的；由于协调器的地址固定式0 x0000，因此路由设备将很容易发送数据到协调器，将GenericApp_DstAddr.addrMode设置成(afAddrMode_t)AddrNotPresent。然后在函数的最后加入UART初始化函数。,第三章 基于ZigBee的智能火灾报警系
14、统设计,用户任务处理GenericApp_ProcessEvent（）任务处理函数：该函数是Z-Stack给用户运行用户自己设计的任务的函数，在这里我们分系统事件和用户事件进行管理，系统是涉及到协议栈的操作，协议栈内的任务有ZDO反馈消息、AF数据确认、AF信息输入、ZDO状态改变，用户事件为ZigBee组网成功的标志 GenericApp_MessageMSGCB(afIncomingMSGPacket_t*pkt)是处理设备从协议底层来其他节点设备数据的函数。通过宏定义来区分函数内部的流程，从而调用不同的函数处理处于无线网络不同功能的节点的相应函数。,第三章 基于ZigBee的智能火灾报警系统设计,第三章 基于ZigBee的智能火灾报警系统设计,串口回调函数：ZigBee模块的串口接收到数据后，操作系统的轮询函数里的Hal_ProcessPoll()查询到串口有数据，则会操作系统会调用串口回调函数进行把接收到的数据从DMA（存储器直接存取机制）区取出通过协议的底层无线发送出去给相应的同一网络设备。为了将数据发送到一个基于ZigBee网络设备，应用程序一般采用AF_DataRequest（）函数。,第四章 系统调试及测试,
