基于ZigBee的高校宿舍防火防盜監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張 慧，王建華

（江蘇科技大學(xué) 電子信息學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003）

目前，大多高校宿舍存在的主要問題有：1）火災(zāi)隱患；2）偷盜失竊問題。突出問題是火災(zāi)隱患問題，而火災(zāi)隱患具體體現(xiàn)在學(xué)生違章使用“熱得快”、電飯煲等大功率用電器，宿舍內(nèi)私拉電線以及吸煙等。為了減少事故的發(fā)生，必須對(duì)危險(xiǎn)源和隱患進(jìn)行監(jiān)測(cè)預(yù)警，防患于未然。

傳統(tǒng)的防火防盜監(jiān)控系統(tǒng)大多為有線方式，由于有線網(wǎng)絡(luò)固有的布線麻煩、可擴(kuò)展性差等缺點(diǎn)，無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已成為必然趨勢(shì)。ZigBee技術(shù)的出現(xiàn)彌補(bǔ)了低成本、低功耗和低速率無線通信市場(chǎng)的空缺，在智能家居和商業(yè)樓宇自動(dòng)化方面[1]，得到了廣泛的應(yīng)用。系統(tǒng)運(yùn)用ZigBee技術(shù)，構(gòu)成樹狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可以一改傳統(tǒng)有線監(jiān)控系統(tǒng)的弊端，降低系統(tǒng)誤報(bào)漏報(bào)率。設(shè)備可與多個(gè)RFD設(shè)備或多個(gè)其它FFD設(shè)備通信，而一個(gè)簡(jiǎn)化功能設(shè)備只能與一個(gè)FFD通信。ZigBee以一個(gè)個(gè)獨(dú)立工作的節(jié)點(diǎn)為依托，通過無線通信組成星狀、樹狀或網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)[2]，如圖1所示。本系統(tǒng)采用樹狀網(wǎng)結(jié)構(gòu)，只有一個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，若干路由器和若干終端設(shè)備組成。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中根據(jù)設(shè)備功能完整性可分為全功能（Full Function Device，F(xiàn)FD） 和簡(jiǎn)化功能 （Reduced Function Device，RFD）設(shè)備，其中全功能設(shè)備可作為協(xié)調(diào)器、路由器和終端設(shè)備，而簡(jiǎn)化功能設(shè)備只能用于終端設(shè)備。一個(gè)全功能

圖1 ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Network topology of ZigBee

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

該系統(tǒng)工作工程：終端節(jié)點(diǎn)選用TI公司生產(chǎn)的CC2530[3]，選DS18B20為溫度傳感器、MQ-2為煙霧傳感器、HC-SR501為人體紅外傳感器對(duì)宿舍的環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[4-5]，傳感器采集到的數(shù)據(jù)通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)從終端節(jié)點(diǎn)經(jīng)過路由器傳到控制中心室的協(xié)調(diào)器，管理中心為PC機(jī)，協(xié)調(diào)器通過RS232串口與PC機(jī)通信，該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Structure diagram of system

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

終端節(jié)點(diǎn)硬件電路主要為：處理器CC2530模塊、傳感器電路、天線模塊、電磁閥、電源模塊、LED指示模塊、時(shí)鐘模塊。其硬件結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 終端節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.3 The terminal node hardware structure diagram

路由器硬件包括處理器CC2530模塊、時(shí)鐘模塊、天線模塊、電源模塊、LED指示模塊。

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)由電源模塊、電源轉(zhuǎn)換模塊、按鍵模塊、串口模塊、LED指示燈、處理器CC2530模塊、時(shí)鐘模塊、天線模塊、蜂鳴器等9部分組成。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 IAR Embedded Workbench與Z-Stack

ZigBee協(xié)議棧的代碼編譯是在IAR集成開發(fā)環(huán)境中進(jìn)行的，IAR Embedded Workbench（簡(jiǎn)稱 EW）的 C/C++交叉編譯器和調(diào)試器是當(dāng)今世界最完整的和最容易使用的專業(yè)嵌入式應(yīng)用開發(fā)工具[6]，它和各種仿真器、調(diào)試器緊密結(jié)合，使用戶在開發(fā)和調(diào)試過程中，僅使用一種開發(fā)環(huán)境界面[7]，就可以完成多種微控制器的開發(fā)工作。

Z-Stack（又稱作ZigBee 2007協(xié)議棧）是TI公司推出的基于CC2530的ZigBee協(xié)議棧[8]，該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用協(xié)議棧版本為ZStack-2.3.0-1.4.0。在Z-Stack協(xié)議棧中，只需在應(yīng)用層根據(jù)不同功能的需要編寫實(shí)驗(yàn)程序，然后在Workspace下面的下拉列表框中分別選擇 CoordinatorEB、RouterEB和EnddeviceEB節(jié)點(diǎn)類型進(jìn)行程序的編譯、調(diào)試和下載，使不同節(jié)點(diǎn)間實(shí)現(xiàn)無線通信。Z-Stack中提供的數(shù)據(jù)發(fā)送函數(shù)如下：

AfStatus_t AF_DataRequest（ afAddrType_t*dstAddr，

endPointDesc_t*srcEP，

uint16 cID，

uint16 len，

uint8*buf，

uint8*transID，

uint8 options，

uint8 radius）

用戶調(diào)用該函數(shù)即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線發(fā)送。協(xié)調(diào)器對(duì)接收到的信息進(jìn)行判斷，如果是收到了無線數(shù)據(jù)，則調(diào)用SAMPLEAPP_MessageMSGCB（MSGpke）函數(shù)對(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理；如果是接收到了串口發(fā)來的數(shù)據(jù)，則調(diào)用SampleApp_SerialCMD（（mtOSALSerialData_t*）MSGpkt）函數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的相應(yīng)處理。

3.2 VB與Access數(shù)據(jù)庫

運(yùn)用VB與Access數(shù)據(jù)庫技術(shù)相結(jié)合開發(fā)了該系統(tǒng)的監(jiān)控界面，實(shí)現(xiàn)了對(duì)傳感器數(shù)據(jù)的保存、處理和顯示，只要監(jiān)控區(qū)域中節(jié)點(diǎn)測(cè)量到溫度超過預(yù)先設(shè)定的溫度門限值，或檢測(cè)到煙霧為1，或紅外為1，監(jiān)控界面就將所有報(bào)警節(jié)點(diǎn)的宿舍信息、觸發(fā)報(bào)警原因連同接收的數(shù)據(jù)一并顯示在界面上，提示操作人員是哪個(gè)宿舍的節(jié)點(diǎn)，哪一項(xiàng)指標(biāo)出現(xiàn)異常。同時(shí)界面也設(shè)計(jì)了報(bào)警查詢記錄，根據(jù)管理人員選定的日期和宿舍號(hào)進(jìn)行條件查詢，便于后期查看。宿舍101紅外異常的監(jiān)控界面如圖4所示。

圖4 宿舍101紅外異常的監(jiān)控界面Fig.4 Infrared anomaly monitoring interface of dormitory 101

4 結(jié) 論

基于ZigBee的高校宿舍防火防盜監(jiān)控系統(tǒng)，具有網(wǎng)絡(luò)自組織，無需布線、縮短工期、維護(hù)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，克服了傳統(tǒng)有線系統(tǒng)的故障發(fā)生率高、誤報(bào)漏報(bào)率高等缺點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)的可靠測(cè)量、數(shù)據(jù)的傳輸和發(fā)生火災(zāi)時(shí)的噴水控制，技術(shù)性能指標(biāo)良好。

[1]王小強(qiáng)，歐陽俊，黃寧淋.ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2013.

[2]李文仲，段朝玉.ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)入門與實(shí)戰(zhàn)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007.

[3]TexasInstruments.CC2530Datasheet[EB/OL].2009[2010-05-03].http://www.ti.com.cn/Product/cn/cc2530#technicaldocuments.

[4]王艷春.基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的智能防火報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].赤峰學(xué)院學(xué)報(bào)，2013，29（5）：84-86.WANG Yan-chun.Design an intelligent fire alarm system based on wireless sensor network[J].Journal of Chifeng Institute，2013，29（5）：84-86.

[5]鄒志勇，周曼.基于ZigBee技術(shù)的學(xué)生宿舍監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化與儀表，2012（10）：25-28.ZOU Zhi-yong，ZHOU Man.Design students’ dormitory monitoring systembased on ZigBee technology[J].Automation and instrumentation，2012（10）：25-28.

[6]付娜.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的宿舍環(huán)境數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[D].成都：西南交通大學(xué)，2010.

[7]尉志武.基于ZigBee的家庭火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì) [D].太原：太原理工大學(xué)，2012.

[8]Z-Stack Developer’s Guide[EB/OL].http://olmicrowaves.com/menucontents/designsupport/zigbee/Z-Stack% 20Developer’s%20Guide%20_F8W-2006-0022_.pdf.