基于Zig Bee的遠(yuǎn)程火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)研究

唐小虎　李慶達(dá)　張巧靈

摘要：針對(duì)傳統(tǒng)火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)準(zhǔn)確性差、靈活度低和遠(yuǎn)程傳輸?shù)葐栴}，文章設(shè)計(jì)了一種基于ZigBee傳感器網(wǎng)絡(luò)的火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)，通過多個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)采集煙霧、溫度和CO氣體數(shù)據(jù)并發(fā)送給協(xié)調(diào)器。處理控制中心以STM32F103為核心負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)接收處理，將數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)傳輸至yeelink網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，便于隨時(shí)查看監(jiān)測和長期數(shù)據(jù)分析。

關(guān)鍵詞：ZigBee；D-S融合；遠(yuǎn)程監(jiān)測

火災(zāi)監(jiān)測是人們長期以來都在研究的重大課題，它關(guān)乎著人民生命財(cái)產(chǎn)安全?；馂?zāi)發(fā)生的不同階段會(huì)產(chǎn)生不同的特征信號(hào)，因此文章設(shè)計(jì)了一種多傳感器檢測綜合判斷的遠(yuǎn)程火災(zāi)監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，測試結(jié)果表明本系統(tǒng)可靠性高，可行性強(qiáng)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體如圖1所示，主要包括數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)、處理控制中心、yeelink網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)3部分。數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器組成ZigBee星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)將各傳感器數(shù)據(jù)上傳到處理控制中心，處理控制中心通過前端的協(xié)調(diào)器將數(shù)據(jù)接收同時(shí)通過串口與STM32進(jìn)行傳輸通信，STM32運(yùn)行μc/os-ii實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，一方面通過數(shù)據(jù)融合處理判斷是否發(fā)生火災(zāi)，另一方面結(jié)合LWIP協(xié)議和ENC28J60組成以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)接網(wǎng)線到路由器將數(shù)據(jù)上傳至yeelink網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 處理控制中心設(shè)計(jì)

在保證運(yùn)行速度和移植可行性的前提下，設(shè)計(jì)選用STM32F103R8作為處理控制中心主控芯片，它是意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的32位嵌入式微控制器，具有豐富的外圍設(shè)備接口，內(nèi)置512KB閃存和64KB的SRAM，最大運(yùn)行速度72MHz，能夠滿足在運(yùn)行μc/oslii和1wip協(xié)議棧的情況下進(jìn)行外圍設(shè)備通信和多任務(wù)處理要求。ZigBee協(xié)調(diào)器和GSM短信模塊通過串口與主控芯片通信，ENC28J60網(wǎng)絡(luò)模塊通過SPI與主控芯片通信。

2.1.1 ZigBee模塊

zigBee模塊采用TI公司的CC2530芯片，該芯片是2.4GHz IEEE 802.15.4和ZigBee應(yīng)用的片上系統(tǒng)解決方案，集成了2.4G射頻收發(fā)器和51控制器，8KB RAM和256KB ROM。由于協(xié)調(diào)器與數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)完成的功能要求不同，故硬件設(shè)計(jì)各有不同。

2.1.2 ENC28J60模塊

本設(shè)計(jì)采用軟件協(xié)議棧的方式實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)接入。ENC28J60網(wǎng)絡(luò)芯片結(jié)構(gòu)簡單，內(nèi)置MAC+PHY，提供了物理層和MAC層的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，通過與RJ45網(wǎng)口相連進(jìn)而連接以太網(wǎng)。

2.2 數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

在火災(zāi)發(fā)生的過程中，其周圍煙霧、溫度和CO等特征數(shù)值會(huì)發(fā)生變化，設(shè)計(jì)選用煙霧傳感器MQ-2、溫度傳感器DSl8820和CO氣體傳感器MQ-7進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。煙霧傳感器MO-2與CC2530的P0.4口連接，DSl8820與P0.6口連接，MQ-7與P0.1口連接。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括數(shù)據(jù)采集處理、Yeelink云平臺(tái)搭建兩個(gè)部分。

3.1 數(shù)據(jù)采集處理

節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集分別由煙霧傳感器MQ-2，溫度傳感器DS18820和CO氣體傳感器MQ-7完成。在ZigBee協(xié)議棧體系中，由于系統(tǒng)采用了輪詢?nèi)蝿?wù)調(diào)度隊(duì)列的方式進(jìn)行任務(wù)調(diào)度管理。圖2為采集節(jié)點(diǎn)程序流程。ZigBee協(xié)調(diào)器接收到節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)后與STM32進(jìn)行串口通信，STM32處理后將數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)發(fā)送到y(tǒng)eelink平臺(tái)處理控制中心程序流程如圖3所示。

3.2 Internet網(wǎng)絡(luò)通信及云平臺(tái)搭建

yeelink平臺(tái)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)功能既降低了本次設(shè)計(jì)的成本，又縮短了開發(fā)周期。通過注冊(cè)Yeelink平臺(tái)賬號(hào)，創(chuàng)建設(shè)備，申請(qǐng)API key，在源程序中對(duì)傳感器個(gè)數(shù)和對(duì)應(yīng)的ID進(jìn)行配置實(shí)現(xiàn)STM32與yeelink的數(shù)據(jù)對(duì)接與傳遞。

4 系統(tǒng)測試

將ZigBee數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)放置于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，測試中采集節(jié)點(diǎn)數(shù)為2，每個(gè)采集節(jié)點(diǎn)均可獲得溫度、煙霧、CO氣體的具體數(shù)值，因此Yeelink平臺(tái)注冊(cè)傳感器設(shè)備個(gè)數(shù)為6。圖4給出了自2015年5月21日起兩周內(nèi)測試過程中節(jié)點(diǎn)1的溫度變化情況。