基于ZigBee技术的仓储火灾报警系统设计

发布时间：2009-11-06 来源:www.cechina.cn

        1 引言
        在现代物流仓储管理系统中，火灾探测报警系统是其重要的子系统之一。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，这类方案的特点是扩展性能差，布线繁琐, 线路容易老化或遭到腐蚀，在火灾现场中极易被破坏。
        无线传感器网络( WSN, wireless sensor networks)是由大量体积较小、能源受限，具有一定计算、存储和无线通讯能力的传感器节点组成的网络，其综合了传感器、嵌入式、无线网络、分布式信息处理等技术。 ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据传输速率、低成本的双向无线通信技术，主要适合于自动控制和远程控制等领域，可以嵌入各种设备中。
        随着 WSN技术的发展，将无线 ZigBee技术和传感器技术相结合，组建一个无线火灾探测网络，可以大大提高火灾报警系统的可靠性，降低成本。
        2 ZigBee技术简介
        ZigBee[1]是于 2004年底通过的一组基于 IEEE802.15.4无线标准研制开发的有关组网、安全和应用软件方面的技术标准。它采用 DSSS(Direct Sequence Spread Spectrum，直接序列扩频)技术，主要工作在无需注册的 2.4GHzISM频段，可以提供 16个信道和 250Kb/s的传输速率，在低成本、低功耗、低速率的场合有广泛的应用。
        2.1协议栈模型 ZigBee协议栈由应用层、网络层、介质存取层和物理层组成，其结构如图 1所示。IEEE 802.15.4标准制定物理层和介质存取层协议，与底层硬件相关；对于网络层之上的标准以及高层应用、测试和市场推广方面的工作则由 ZigBee联盟负责。

        2.2网络拓扑结构
        在 ZigBee网络支持三种不同的网络拓扑结构：星形 (Star)、树形(Cluster Tree)和网状 (Mesh)网络。其中最简单的是星型结构，如图 2(a)所示，它由一个协调器和多个终端节点构成，协调器作为整个网络的中心，终端节点分布在其覆盖范围之内。星型网络构造简单，一般用于设备数量较小、物理范围较小的场合。网状网络如图 2(c)所示，其中的每个节点都可以作为协调器或者是路由器，具有很高的可靠性。而树型网络则集合了星型结构和网状结构的优点，具有较高的可靠性和较低的功耗，如图 2(b)所示。

        2.3网络节点
        ZigBee网络按照节点类型 [2]来分，支持 3种节点：主节点、路由节点以及终端节点，在逻辑功能上分别对应网络协调器(PAN Coordinator)、路由节点(Router)和终端设备(End Device)。
        ZigBee协议根据设备所具有的通信能力，可以将节点从器件上分成两类：
        1)全功能设备(FFD,Full Function Device)，可作为网络协调器，管理和构建网络，拥有足够的存储空间来存放路由信息并且处理能力也相应增强；
        2)简化功能设备(RFD,Reduce Function Device)，只支持星型结构，不能成为协调器，内存较小，功耗低，实现简单。
        主节点是网络的核心，负责建立一个网络并下发地址，由一个 FFD构成。路由节点也是一个 FFD，搜索网络并加入，给加入路由的终端节点分配地址。路由节点仅是网络中的一个无线收发器，负责转发通信和维护网内路径。终端节点是网络中最简单的节点，可以是一个 FFD或者 RFD。以下讨论的是终端接点。
        3 系统硬件设计
        整个火灾报警系统包括有线和无线网络两部分。通过有线传感器网络实现数据的聚集传输，通过无线传感器网络实现采样数据的传输。该系统由多个终端节点 (无线传感器)与汇集节点(网关节点)决定检测区域的范围，各终端节点监测数据通过自组织的多跳路由网络传送至网关节点并将接收的数据进行初步处理，然后通过串行通信接口 (有线网络)传送至监测预警终端服务器，由它来对接收到的数据进行分析和报警处理。
        3.1系统终端节点结构
        传感器网络节点通常是一个微型的嵌入式系统，是网络的基本单元，负责采集数据以及与其它节点和网关通信。节点的稳定运行是整个网络可靠性的基本保证，所以在设计时力求简单可靠。
        系统终端节点由数据采集单元、数据处理单元、数据传输单元、电源管理单元四部分功能模块组成，如图 3所示。

        3.2数据采集单元数据采集单元负责采集监视区域的信息并完成数据转换，主要包括烟雾、温度、 CO传感器[3]。
        烟雾传感器利用 OP231、OP801SL红外对管，按照最佳角度安装在迷宫型内壁为黑色粗糙面的集烟盒内，利用了烟雾微粒对光的散射作用，在一定的烟雾浓度范围内，散射光的强度与烟雾的浓度成比例，这种漫散射的光使光电三极管的阻抗发生变化，从而实现了将烟雾信号转变为电信号的功能。
        温度传感器采用瑞士 SENSIRION公司生产的 SHT71温湿度一体传感器。该传感器具有体积小、低功耗的特点，采用两线制的串行接口与内部的电压调整，提供全量程标定的数字输出，使外围系统集成变得快速而简单。相对湿度（ RH）测量范围是 0~100%，分辨率为0.03%，最高精度为± 3.5%；温度测量范围是 -40~120℃，分辨率为 0.01℃，响应时间小于15s。
        CO探测选取 TGS2442传感器，其特点是低功耗、对 CO的灵敏度高、长寿命、低成本，对湿度的依赖性低,工作于极短的脉冲加热方式(在 1s工作周期内 ,仅 14 ms加热)。
        3.3数据处理和传输单元
        在选择处理器时应该既要考虑系统对处理能力的需要，又要考虑功耗问题。从处理器的角度看，无线传感器网络节点基本可以分为两类：一类采用以 ARM处理器为代表的高端处理器，另一类节点采用低端微控制器，如 ATMEL公司的 AVR系列单片机、MICROCHIP公司的 PIC单片机和 TI公司的 MSP430等超低功耗系列处理器等。而目前市场上常见的支持 ZigBee协议的芯片制造商有 Chipcon公司和 Freescale半导体公司。这些方案都是处理器芯片加无线射频模块的方案，电路设计麻烦。
        CC2430芯片[4]是 Chipcon公司(2006年被德州仪器 (TI)收购)的全球首款支持 IEEE802.15.4协议并集成增强型 8051内核的芯片。它延用了以往 CC2420芯片的架构，在单个芯片上整合了 ZigBee射频(RF)前端、内存和微控制器。它使用 1个 8位 MCU（增强型 8051），具有 128KB可编程闪存和 8KB的 RAM，还包含 8路 12位模拟数字转换器 (ADC)、几个定时器（ Timer）、AES128协同处理器、看门狗定时器（ Watchdog Timer）、32kHz晶振的休眠模式定时器、上电复位电路(Power on Reset)、掉电检测电路(Brown Out Detection)，以及 21个可编程 I/O引脚。芯片采用 0.18μmCMOS工艺生产，工作时的电流损耗为 27mA。在接收和发射模式下，电流损耗分别低于 27mA或 25mA。CC2430的休眠模式和转换到主动模式的超短时间的特性，特别适合那些要求电池寿命非常长的应用。
        相对于其它处理器芯片加无线射频模块的方案，采用 CC2430为核心构造无线传感器网络节点的方案只需要在 CC2430芯片外接少量晶振、电容、电阻等无源器件，不仅能够满足整个系统的数据采集、无线通信等功能的需求，而且具有功耗低，电路简单，节点体积小以及成本低廉等优势，电路图如图 4所示。由于考虑到节点体积的限制，都采用了 0402的封装，大大简化了电路的设计。

        该模块中的难点在于天线部分的设计。我们使用了单极不平衡天线，占用的体积比较小。按照数据手册的建议，CC2430射频接口最优的阻抗为 115+j180Ω。为提高天线的性能，天线部分增加了巴伦（平衡 /不平衡转换器，在天线系统中起到阻抗变换的作用）电路，该电路由 C341、L341、L321、L331和 PCB中的细长导线组成。天线部分的匹配阻抗为 50Ω。另外，在部分每个电源引脚和地线之间，并联了电容用于电源的滤波，以增强系统的抗干扰性。
        按下 S1键时， RESET_N引脚上得到低电压，即进入复位。由于 CC2430的射频模块只能工作在 32M的晶振频率下，因此 CC2430外接了 32M的石英晶振振荡电路。
        3.4电源管理单元
        无线传感器网络节点一般采用电池供电。电池种类很多，且无线传感器网络节点的电池一般不易更换，所以系统采用单片 3.6V锂电池来给 CC2430供电。另外还采用 Sipex公司的 DC/DC升压稳压器芯片 SP6641B把输入电压升到 5V，为各传感器提供 5V电源。 SP6641B的输入电压为 0.9—4.5V,输出电压为 5V，输出电流 500MA。高效开关模式电源方案能够提供更长的电池寿命、更少的热量和更小的尺寸。
        4 节点软件设计
        4.1协议层设计
        ZigBee的数据传输方式有帧模式与流模式两种。帧模式是通过片上 RAM来缓存处理的，而流模式则是通过数据寄存器来进行单个字节处理的。系统设计采用可变帧长的帧格式
        [5]。一个完整的满足 lEEE 802. 15. 4规范的协议帧至少要包含 9个字节的数据。同步头包括 4个字节的帧前导字节 (Preamble)和 1个字节的帧开始标志 SFD (Start of Frame Delimiter)、 1个字节的帧长度标志 FLI( Frarne Length lndicator)、1—125个字节的数据净荷 (Payload Data)和 2个字节的帧校验 (FCS)组成的，具体格式如下：

        4.2数据采集程序设计
        数据采集端系统的软件包括初始化程序、发射程序和接收程序。初始化程序主要是对单片机、射频芯片等进行处理；发射程序将建立的数据包通过射频发生模块输出；接收程序完成数据、命令的接收并进行处理。数据采集端软件流程如图 5所示。

        开始
        上电后，系统首先完成初始化工作，包括 I/O接口和外设的初始化，定义系统的时钟信号、工作频率以及网络层、MAC层的参数等。接下来进行信号的采集、处理、数据的收发等处理。
        5 结束语
        基于 ZigBee技术的仓储火灾报警系统利用无线传感器网络提高了数据传输的抗干扰性，同时也减少了现场布线带来的各种问题，具有节点多、组网灵活、成本低廉和低功耗的特点，在实验条件下取得了较好的运行效果。近年来随着微型制造技术、无线通信技术的发展，特别是低成本低功耗的 ZigBee技术，将进一步扩大无线传感器网络的应用范围。
        本文作者创新点：使用 Chipcon公司最新的 ZigBee 芯片 CC2430为 RF收发器来实现了无线通信，介绍了 ZigBee 节点的硬件及 ZigBee通信协议和协议栈，完成了软硬件一体化设计，实现了系统的低功耗、低成本和低复杂度的设计要求。
        参考文献：
        [1] ZigBee Aliance. ZigBee Specification，http://www.zigbee. org.
        [2]魏书芳, 孙同景, 孙波等 ZigBee无线传感器网络在煤矿中的应用 .微计算机信息，2007， 11-2：65-67
        [3]张伯虎，陈建莉.基于人工智能技术和 ZigBee火灾探测系统的设计.消防科学与技术，2008（1）：49-51.
        [4] The datasheet of CC2430, http://www.ti.com,2007
        [5]杨文铂,尤一鸣. 基于 MC13192的 Zigbee无线数传模块设计．单片机与嵌入式系统应用， 2008（1）：46-49.