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      基于ZigBee的無線火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)

      2014-05-14 02:17:12任麗棉
      唐山學(xué)院學(xué)報(bào) 2014年3期
      關(guān)鍵詞:上位報(bào)警終端

      任麗棉

      (唐山學(xué)院 信息工程系,河北 唐山063000)

      隨著科技進(jìn)步和生活水平的提高,人們越來越注意自身和財(cái)產(chǎn)安全的防護(hù)?;馂?zāi)是危害人類生存的大敵,一直受到人們的重視。現(xiàn)在常使用的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng),大多數(shù)采用的是有線技術(shù)形成的火災(zāi)傳感器網(wǎng)絡(luò),這種基于明線的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)技術(shù)已經(jīng)趨于成熟,但是此報(bào)警系統(tǒng)其通信方式的擴(kuò)展性能較差,而且布線十分繁瑣,因?yàn)槊骶€連接既不美觀,線路又容易老化,易被腐蝕、磨損或者遭到老鼠啃咬等損壞,因此明線報(bào)警系統(tǒng)故障發(fā)生率和誤報(bào)警率很高[1-2]。為了避免類似的問題,可以采用無線傳輸方式構(gòu)建無線火災(zāi)報(bào)警網(wǎng)絡(luò)。本設(shè)計(jì)將ZigBee技術(shù)應(yīng)用到火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)中,從基于系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求、工作原理著手[3-4],給出系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。

      1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

      本次設(shè)計(jì)主要目的是實(shí)現(xiàn)一個(gè)基于ZigBee技術(shù)的無線火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng),該系統(tǒng)具有如下功能:

      (1)傳感器節(jié)點(diǎn)的自動(dòng)組網(wǎng)與信息登記。傳感器所在節(jié)點(diǎn)即終端節(jié)點(diǎn)在進(jìn)入到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的組網(wǎng)范圍內(nèi)時(shí)能夠加入到協(xié)調(diào)器網(wǎng)絡(luò),在人機(jī)友好交互界面上,能夠?qū)崟r(shí)顯示該終端節(jié)點(diǎn)所處的位置以及該位置的溫度。

      (2)人機(jī)友好交互界面。為了能更方便地操控該系統(tǒng),需設(shè)計(jì)交互界面。交互界面中包含以下內(nèi)容:每個(gè)節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)的溫度監(jiān)控,以方便看到所有節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)溫度;每個(gè)節(jié)點(diǎn)的位置登記,在發(fā)生火災(zāi)時(shí)能夠迅速確定火災(zāi)位置;報(bào)警顯示,當(dāng)溫度大于警戒值時(shí),能夠提醒操控者發(fā)生了火災(zāi)。

      (3)火災(zāi)報(bào)警及控制。在無線火災(zāi)覆蓋網(wǎng)絡(luò)中發(fā)生災(zāi)情時(shí),無線火災(zāi)網(wǎng)絡(luò)的傳感器節(jié)點(diǎn)能夠迅速地將火災(zāi)報(bào)警信號傳送給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn),而協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)將信息傳送到上位機(jī),并在上位機(jī)友好界面上實(shí)時(shí)顯示,提醒操控者進(jìn)行必要的控制。

      要實(shí)現(xiàn)以上功能,系統(tǒng)需包含中心協(xié)調(diào)器、終端傳感器節(jié)點(diǎn),以及上位機(jī)控制界面。終端傳感器節(jié)點(diǎn)采用火災(zāi)報(bào)警最常用的溫感傳感器,因?yàn)闇馗袀鞲衅骶哂行阅芊€(wěn)定、采集實(shí)時(shí)的特點(diǎn);中心協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)整個(gè)無線火災(zāi)報(bào)警網(wǎng)絡(luò)的控制,即負(fù)責(zé)與各個(gè)終端節(jié)點(diǎn)的通信,采集終端節(jié)點(diǎn)的信息,并發(fā)送給上位機(jī);上位機(jī)對接收的信息進(jìn)行加工處理,從而實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

      圖1 系統(tǒng)總體框圖

      2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

      各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)包括,無線收發(fā)模塊通過無線組網(wǎng)方式實(shí)現(xiàn)各傳感器節(jié)點(diǎn)的連接,傳感器模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,以及微處理器模塊進(jìn)行整個(gè)信息的綜合和處理。本設(shè)計(jì)的微處理器模塊采用CC2430芯片,傳感器模塊則使用溫濕度傳感器SHT10,并使用多功能仿真器進(jìn)行控制程序的下載,以及使用UART串行接口進(jìn)行協(xié)調(diào)器與上位機(jī)間的通信。

      協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)由無線收發(fā)模塊、CC2430芯片以及串行接口組成,主要功能是組網(wǎng),并且能夠接收所有節(jié)點(diǎn)的溫度信息,隨后將接收到的溫度值上傳至上位機(jī)進(jìn)行處理。硬件框圖如圖2所示。

      圖2 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器硬件框圖

      傳感器終端節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)采集各個(gè)節(jié)點(diǎn)的溫度,并將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地傳送給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。該節(jié)點(diǎn)主要由收發(fā)模塊、CC2430主控芯片以及SHT10溫濕度傳感器組成,硬件框圖如圖3所示。

      圖3 傳感器終端節(jié)點(diǎn)硬件框圖

      3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

      上位機(jī)操控界面實(shí)現(xiàn)對各個(gè)節(jié)點(diǎn)所采集溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)控、發(fā)生火災(zāi)時(shí)發(fā)出警報(bào)以及撲滅火災(zāi)時(shí)能夠解除警報(bào)等功能。

      控制程序是在IAR Embedded Workbench開發(fā)環(huán)境中編寫的,使用燒寫軟件Smartrf flash programmer進(jìn)行仿真和下載,程序分為協(xié)調(diào)器程序和終端節(jié)點(diǎn)程序。

      3.1 人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)

      上位機(jī)操控界面是基于Lab VIEW 8.6編寫的[5],如圖4所示。在發(fā)生火災(zāi)時(shí),傳感器節(jié)點(diǎn)溫度升高,達(dá)到警報(bào)溫度,報(bào)警燈變亮,與此同時(shí)“發(fā)生火災(zāi)的地址”欄會(huì)顯示出發(fā)生火災(zāi)的位置(本設(shè)計(jì)以房間號為例),以此提醒人們要采取必要措施去撲滅火災(zāi)。當(dāng)火災(zāi)撲滅時(shí),按下“解除警報(bào)”,則警報(bào)解除。

      圖4 上位機(jī)操控界面

      3.2 終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

      終端節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)的功能是進(jìn)行節(jié)點(diǎn)所在位置的實(shí)時(shí)溫度采集,并將采集到的溫度通過無線發(fā)送模塊實(shí)時(shí)地發(fā)送到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)上,以便傳到上位機(jī)進(jìn)行處理。因此在本系統(tǒng)中,終端節(jié)點(diǎn)由CC2430芯片集成塊和SHT10溫濕度傳感器集成塊組成。CC2430通過二排線數(shù)字串行接口和SHT10傳感器進(jìn)行通信。終端節(jié)點(diǎn)被打開時(shí),首先進(jìn)行初始化,然后嘗試加入網(wǎng)絡(luò),當(dāng)收到外部中斷即接收到采集的溫度時(shí)會(huì)給SHT10發(fā)送查詢指令,等待SHT10數(shù)據(jù)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換,而后進(jìn)行并行數(shù)據(jù)發(fā)送,當(dāng)發(fā)送完畢后繼續(xù)進(jìn)入休眠狀態(tài),同時(shí)等待外部中斷,有請求時(shí)會(huì)再次被激活。

      3.3 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

      網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的核心,主要功能是控制指令的發(fā)送和執(zhí)行,信息的接收、匯總、處理以及網(wǎng)絡(luò)的建立。當(dāng)協(xié)調(diào)器完成初始化后,首先掃描選擇一個(gè)空閑信道,并設(shè)定一個(gè)隨機(jī)的PAN標(biāo)識符,然后對外發(fā)布廣播幀,同時(shí)接收其他子節(jié)點(diǎn)的加入,從而建立起一個(gè)新網(wǎng)絡(luò)。在無線網(wǎng)絡(luò)建成后,就可以開始進(jìn)行各種操作指令的執(zhí)行和數(shù)據(jù)的收發(fā)工作。

      3.3.1 建立網(wǎng)絡(luò)

      網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器通過aplForm Network()函數(shù)建立網(wǎng)絡(luò),在完成組網(wǎng)后進(jìn)入有限狀態(tài)機(jī),同時(shí)通過調(diào)用apsFSM()函數(shù)運(yùn)行協(xié)議棧。當(dāng)協(xié)調(diào)器在完成函數(shù)apl Form Network()的調(diào)用后,可以通過調(diào)用aplGetStatus()函數(shù)來確認(rèn)當(dāng)前的調(diào)用能不能完美實(shí)現(xiàn),如果調(diào)用成功,則返回顯示字符串LRWPAN_STATUS_SUCCESS;如果操作不當(dāng)導(dǎo)致調(diào)用失敗,就會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤代碼,所有的錯(cuò)誤代碼都可以在stack/src/lrwpan_common_types.h文件中找到。主要程序代碼如下:

      main(){

      halInit(); //初始化 HAL層

      evbInit(); //初始化評估板

      aplInit(); //初始化協(xié)議棧中的其他部分

      ENABLE_GLOBAL_INTERRURT(); //開啟所有中斷的使能端

      aplForm Network(); //組建網(wǎng)絡(luò)

      while(apsBusy()){apsFSM();}//等待,網(wǎng)絡(luò)建立后apsBusy()返回false

      while(1){apsFSM();} //有限狀態(tài)機(jī)運(yùn)行堆棧

      3.3.2 傳送數(shù)據(jù)

      當(dāng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器收到數(shù)據(jù)包后,首先進(jìn)行分析處理,然后通過串行接口傳送給上位機(jī)。其部分程序代碼如下:

      LRWPAN _STATUS_ENUM usrRxPacketCallback(void){

      byte*tem;

      byte payload_up[25];

      byte len,i;

      if(aplGetRx DstEp()== 203){//check dst endpoint

      tem =aplGetRx MsgData();

      len=aplGetRx Msg Len();

      if(tem[0]==0xff)

      conPrintDec(tem[1]);

      return(LRWPAN_STATUS_SUCCESS);

      4 結(jié)論

      本系統(tǒng)將ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)和Lab VIEW結(jié)合,實(shí)現(xiàn)了無線火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)成本低、功耗小,省去了布線的困擾,而且具有很強(qiáng)的可擴(kuò)展性,適用于如高校宿舍、商場等多種場所的火災(zāi)防控?;馂?zāi)發(fā)生時(shí),由于系統(tǒng)能夠發(fā)出警報(bào),提供發(fā)生火災(zāi)的準(zhǔn)確地點(diǎn),因此,有助于及時(shí)發(fā)現(xiàn)火災(zāi),使相關(guān)人員及時(shí)準(zhǔn)確地趕到火災(zāi)現(xiàn)場進(jìn)行滅火。

      [1] 劉長安.火災(zāi)報(bào)警通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].沈陽:東北大學(xué),2007.

      [2] 張翔.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)研究[J].防災(zāi)科技學(xué)院學(xué)報(bào),2011,13(1):51-54.

      [3] 董朋濤.基于ZigBee的無線網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)及可靠性研究[D].武漢:華中師范大學(xué),2013.

      [4] 李明亮,蒙洋,康輝英.例說ZigBee[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2013:15-20.

      [5] 章佳榮,王璨,趙國宇.精通Lab VIEW虛擬儀器程序設(shè)計(jì)與案例實(shí)現(xiàn)[M].北京:人民郵電出版社,2013:18-35.

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