单位文秘网 2021-10-16 08:13:29 点击: 次
摘要:文章针对当今社会各楼宇内存在的重大火灾隐患,提出一种消防报警系统。该系统以基于ZigBee技术的无线传感器网络为基础设计系统的整体模型。各传感器对监测到的环境数据进行分析处理,通过无线传输将各信息传送给网关节点,网关节点再将信息传送给PC机(服务器)。PC机对整个网络系统进行控制,对所有数据进行综合处理,并将信息反馈给消防人员。
关键词:ZigBee;无线传感器网络;消防报警;节点
中图分类号:TP277文献标识码:A文章编号:1006-8937(2010)06-0103-02
消防问题关系社会安定和公众安全。由于家用电器、煤气等电气设备在使用中可能出现电气设备过载、可燃气体泄露、短路等火灾隐患,对人民的生命和财产造成很大的威胁和损失。于是建立一个火灾自动探测报警系统非常必要。以网络技术为核心的信息技术为消防救灾系统的建立提供了很大的平台和技术支持。通过采用嵌入在传感器中的无线模块,构建一个全无线的传感器网络,非常适用于楼宇及建筑物内的火警监测和救助人员的位置追踪。
1无线传感器网络
①无线传感器网络介绍。无线传感器网络(WSN)将嵌入式计算技术、传感器技术、分布式信息处理技术、无线通讯技术等相融合,采用各类微型传感器对目标信息进行实时监测,通过嵌入式计算对信息进行处理,并由无线通信网络进行信息传送。用于消防系统无线传感器网络中的传感器将被监控场所的火灾信息(如烟雾、温度、火焰光、可燃气等)转换成电信号。以电信号的形式送往报警控制器,通过控制器判断、处理和运算,确认火灾后,将输出信号传输给网关,网关对这些数据做出响应,并将数据传送给数据库服务器,最后数据通过终端界面传送给消防人员。无线传感器网络用于消防报警系统的示意图如图1所示。
②ZigBee技术。ZigBee协议作为一种复杂度低、传输距离近、数据速率低、功耗低、成本不高的无线网络技术,适用于无线传感器网络、远程控制、自动控制等领域。在无线传感器网络中,可以实现一点对多点以及两点间的对等通信,并且各节点只需要很少的能量。同时任意多个传感器之间可相互实现协调数据通信。在火灾自动报警系统中采用Zigbee技术,可以取代有线传输方式进行组网和通信,从而降低了系统的复杂度。此外,也使系统的稳定性和可靠性得到提高,对火灾预警和警报实现快速反应。
系统主要包括ZigBee节点和ZigBee基站节点。整体系统结构如图2所示。其中ZigBee基站节点主要用于组合从各传感器节点得到的数据并负责与外界的通信。
2无线消防报警系统的设计
2.1无线传感器网络的节点体系结构
无线传感器网络节点(除网关节点外的所有节点)一般由传感器数据采集、数据处理、能量供应、无线数据通信等部分组成。其中数据采集单元通常由数字传感器或模拟传感器加A/D转换器组成,主要负责监测信息采集和数据的转换,将数据转换为适当的报警动作指标来发出相应的动作。而数据处理单元主要由存储器和微控制器组成,用来控制所有节点的操作和数据存储。能量单元由微型电池组成,为系统提供所需能量。无线数据通信单元是由无线收发器等组成的,负责与其他传感器节点进行无线通信、交换控制信息和收发采集数据。
2.2硬件结构设计
根据系统实际要求,系统硬件结构可以采用独立MCU与RF器件的硬件架构。系统主要包括:MCU模块、传感器模块、无线数据收发模块、串口通信模块以及电源模块。其硬件结构如图3所示。
①MCU模块。MCU是整个传感器网络的核心部分。它一方面接收来自各传感器的测量数据,按要求对数据进行分析,计算和处理,并交给通信模块发送;另一方面读取通信模块送入的数据信息,对硬件平台中其他模块的操作进行控制。
基础的简化功能设备(RFD)通常由一个8位的MCU控制。全功能设备(FFD)可由8位、16位或低端的32位MCU控制。MCU与无线数据收发模块通过SPI接口进行异步串行通信。于是考虑采用Microchip公司的PIC18LF2620微控制器。
②无线数据传输模块。ZigBee使用的频段为2.4GHz。结合本系统自身特点,可以考虑采用无线收发芯片CC2430。CC2430适用于各种ZigBee或类似ZigBee的无线网络节点,包括协调器、路由器和终端节点,并且在单个芯片上整合了ZigBee射频(RF)收发器、内存和微控制器。在休眠模式时,整个芯片的流耗小于0.9μA,集成了定时器等大量的片上资源。
CC2430的外围电路主要包括晶振时钟电路、微控制器接口电路、射频输入/输出匹配电路等。电路示意图如图4所示。
CC2430内部使用1.8 V工作电压,外部数字I/O接口电压为3.3 V,使其和3.3 V逻辑器件保持兼容。并且在片上集成了一个自流稳压器,把3.3 V电压转成1.8 V电压。这样不需要额外的电压转换电路就能正常工作。
采用差分方式对CC2430的射频信号进行传输,最佳差分负载为115+j180?萃,阻抗匹配电路由此进行调整。而天线在无线信道中的接口作用在于它具有能量转换的功能,把发射设备产生的已调高频电流能量转换为电磁波能量,把电磁波能量再转换为高频电流能量。
③串口通信模块。串口通信模块主要负责PC机与传感器网络节点之间的通信。在网络中只有网关节点(Sink节点)中含有串口通信模块。Sink节点是无线传感器网络与有线设备连接中转站,主要向下级节点发送查询命令,同时接收下层节点的请求和数据,将采集到的信息通过串口送到PC机进行处理,具有数据融合、请求仲裁和路由选择功能。
④传感器模块及电源模块。根据实际需要选择不同的传感器对各火灾信息(如烟雾、温度、火焰光、可燃气等)进行滥测。同时选择恰当的电源对系统进行供电。
2.3软件设计
ZigBee协议是一组基于IEEE 802.15.4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。基于ZigBee的消防报警系统的软件开发平台可以采用TinyOS操作系统。TinyOS操作系统是专为嵌入式无线传感网络而设计的。
其软件设计与实现内容如下:
①上位机数据和调试程序,组建无线传感器网络,查看网络的运行情况,并做出相应处理。上位PC机作为控制中心必须具备网络唤醒、数据处理、路由维护功能, C + +Builder、Delphi和微软的Visual Basic都是可选的快速开发工具。②数据通信方式。MCU与各传感器、RF器件之间以SPI总线接口进行同步串行通信。各节点之间依靠射频传输数据。MCU与PC机之间进行异步串行通信。不管哪种无线传感器网络均需一个或者多个ZigBee基站节点通过RS232或者USB口与上位机相连,从而实现传感器网络和外网通信。这些节点作为上位机和传感器网络数据通信的外设,实现传感器网络协议和串口协议之间的转换,不提供数据采集功能。③通过传感采集,实现节点对周围环境的监控,并得到传感数据。④ZigBee路由算法采用AODV。AODV路由协议是一种按需路由算法, 只保持需要的路由, 不需要节点维持通信过程中未达目的节点的路由。它能在网络中的各移动节点之间动态地、自启动地建立逐跳路由。当链路断开时, AODV会通知受影响的节点,使这些节点能被确认为无效路由。
3结语
基于ZigBee的无线传感器网络具有低功耗、低成本、体积小的显著优点,可在特殊环境下实现监测区域内信号的采集、传输及处理。文章通过对无线传感器网络进行分析,提出采用基于ZigBee协议的无线传感器网络设计一个消防报警系统。并对该系统进行了整体规划,给出了系统总体的软硬件设计方案。从理论上分析,该方案有效可行。
参考文献:
[1] 张任,王坚锋,严海.基于ZigBee的无线传感器网络节点设 计[J].机电工程,2008,(8)
[2] 吴呈瑜,孙运强.基于ZigBee技术的短距离无线数据传输 系统[J].仪表技术与传感器,2008,(5).
[3] 昂志敏,金海红,范之国,等.基于ZigBee的无线传感器网络 节点的设计与通信实现[J]现代电子技术,2007,(10).
(责任编辑:单位文秘网) )地址:https://www.kgf8887.com/show-130-96448-1.html
上一篇:基于《计算机通信网》教学设计一例
下一篇:浅谈翻车机自动化系统的优化与创新
版权声明:
本站由单位文秘网原创策划制作,欢迎订阅或转载,但请注明出处。违者必究。单位文秘网独家运营 版权所有 未经许可不得转载使用