周恩學(xué)　陳雨晴　高　哲　閆　明

(遼寧大學(xué)輕型產(chǎn)業(yè)學(xué)院，遼寧 沈陽　110036)

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ZigBee技術(shù)在煤氣泄漏與火災(zāi)報警系統(tǒng)中的應(yīng)用

周恩學(xué)陳雨晴高哲閆明

(遼寧大學(xué)輕型產(chǎn)業(yè)學(xué)院，遼寧 沈陽110036)

由于大型工廠或社區(qū)面積大，在發(fā)生火災(zāi)與煤氣泄漏時無法實現(xiàn)實時網(wǎng)絡(luò)化管理。為此，采用ZigBee技術(shù)與氣體煙霧傳感器、CO傳感器相結(jié)合的方法，設(shè)計了一種網(wǎng)絡(luò)化無線通信報警系統(tǒng)。利用IAR集成開發(fā)環(huán)境編譯器編寫無線通信報警系統(tǒng)中協(xié)調(diào)器節(jié)點、路由器節(jié)點和終端設(shè)備節(jié)點的程序，組成實時監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。試驗結(jié)果驗證了該系統(tǒng)可以將監(jiān)測獲得的數(shù)據(jù)無線傳輸至監(jiān)控中心，分析后決定是否報警并準(zhǔn)確定位響應(yīng)，從而提高了反應(yīng)機(jī)動性、減少了人力資源浪費。

煤氣泄漏火災(zāi)報警系統(tǒng)ZigBee無線通信實時監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)化管理傳感器防災(zāi)減災(zāi)

Disaster prevention and mitigation

0　引言

目前，我國通用的煤氣泄漏與火災(zāi)監(jiān)控報警設(shè)備[1-2]存在成本高、分布過于分散、可靠性低、響應(yīng)信息孤立等缺點，不能達(dá)到快速準(zhǔn)確定位、實時監(jiān)控的目的，已然無法滿足對大型建筑實時監(jiān)控的要求。因此，實現(xiàn)監(jiān)控設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化、實時定位智能化是適應(yīng)大型建筑實時智能網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控要求的關(guān)鍵。

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)[3]的發(fā)展，以ZigBee技術(shù)[4]為代表的無線低速網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，越來越凸顯出其廣闊的市場前景。ZigBee技術(shù)是一種近距離、低功耗、低速率、低成本的無線通信技術(shù)，兼具經(jīng)濟(jì)、可靠、易部署的優(yōu)勢，已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、環(huán)境控制、智能家居、醫(yī)療護(hù)理、安全預(yù)警、目標(biāo)追蹤等領(lǐng)域[5-7]，給人們的生產(chǎn)生活帶來了極大的便利。

本文將ZigBee技術(shù)與PC機(jī)構(gòu)成的監(jiān)控平臺相結(jié)合，設(shè)計了一種網(wǎng)絡(luò)化分布終端監(jiān)控節(jié)點、信息無線傳輸、管理結(jié)構(gòu)化的煤氣泄漏與火災(zāi)監(jiān)控報警系統(tǒng)。通過搭建由終端監(jiān)測節(jié)點、路由器節(jié)點、協(xié)調(diào)器節(jié)點組成的分層次、網(wǎng)絡(luò)化的實時數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)采集平臺，將傳感器分布于整個監(jiān)測區(qū)域，并通過ZigBee協(xié)議棧，使監(jiān)測數(shù)據(jù)無線傳輸至協(xié)調(diào)器。協(xié)調(diào)器對數(shù)據(jù)包進(jìn)行處理，并決定是否響應(yīng)報警；監(jiān)控平臺中心實時獲取信息，以實現(xiàn)實時監(jiān)控定位和網(wǎng)絡(luò)化管理，從而迅速響應(yīng)突發(fā)情況，減少了人員與財產(chǎn)的損失。

1　ZigBee技術(shù)相關(guān)基礎(chǔ)知識

1.1ZigBee技術(shù)

ZigBee技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本、高可靠的雙向無線通信技術(shù)。其采用IEEE 802.15.4作為通信標(biāo)準(zhǔn)、工作在免注冊的無線電(industrial scientific medical，ISM)頻段，具有星狀、樹狀、網(wǎng)狀等多種網(wǎng)絡(luò)拓樸結(jié)構(gòu)。

ZigBee定義了3種類型的設(shè)備：協(xié)調(diào)器、路由器和終端設(shè)備。其中：協(xié)調(diào)器是整個網(wǎng)絡(luò)的中心，主要負(fù)責(zé)建立、維持和管理網(wǎng)絡(luò)，分配網(wǎng)絡(luò)地址和接收數(shù)據(jù)等；路由器除了收發(fā)數(shù)據(jù)以外，還具有控制功能，發(fā)現(xiàn)、允許其他節(jié)點[8]通過它接入網(wǎng)絡(luò)；終端設(shè)備具備收發(fā)數(shù)據(jù)或控制功能。ZigBee網(wǎng)絡(luò)具有自調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)、自我修復(fù)的功能，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的某些節(jié)點退出網(wǎng)絡(luò)時，無線網(wǎng)絡(luò)可以自動調(diào)整網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，確保其他節(jié)點的正常通信[9]。

1.2CC2530射頻芯片

CC2530是用于2.4 GHz、IEEE 802.15.4和ZigBee技術(shù)應(yīng)用的片上系統(tǒng)(system on a chip，SOC)解決方案。其共有4種不同的內(nèi)置閃存版本分別具有 32 KB、64 KB、128 KB、256 KB的內(nèi)置閃存。其中，CC2530F256結(jié)合了德州儀器(TI)業(yè)界領(lǐng)先的ZigBee協(xié)議棧Z-Stack[10]，提供了強(qiáng)大、完整的ZigBee解決方案。它具有低功耗、高靈敏度、速率可調(diào)、可從休眠模式快速蘇醒等諸多優(yōu)點，能夠以非常低的材料總成本建立強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點[11]。

1.3ZigBee協(xié)議棧

ZigBee協(xié)議分為兩部分，一是IEEE 802.15.4定義的物理層和介質(zhì)訪問控制層(medium access control layer，MAC)；二是ZigBee聯(lián)盟定義的網(wǎng)絡(luò)層、安全層和應(yīng)用層技術(shù)規(guī)范。ZigBee協(xié)議棧將各個層定義的協(xié)議都集合到一起，以函數(shù)的形式實現(xiàn)，并具有應(yīng)用程序編程接口(application programming interface，API)可供用戶調(diào)用。各層之間通過服務(wù)接入點(service access point，SAP)進(jìn)行通信。物理層與MAC層構(gòu)成ZigBee協(xié)議底層的基礎(chǔ)，主要負(fù)責(zé)選擇信道和合法的個域網(wǎng)地址(persongal area network ID，PANID)。網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的建立和維護(hù)網(wǎng)絡(luò)連接。ZigBee應(yīng)用層由應(yīng)用支持子層(application support sub layer，APS)、ZigBee設(shè)備對象和ZigBee應(yīng)用框架(application framework，AF)等組成。其中，APS通過應(yīng)用支持子層數(shù)據(jù)服務(wù)訪問接口(APSDE-SAP)，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收[12]。

2　報警系統(tǒng)的設(shè)計

本系統(tǒng)采用TI公司開發(fā)的ZigBee協(xié)議棧Z-Stack。所需軟件開發(fā)環(huán)境有：嵌入式IAR集成開發(fā)環(huán)境(IAR embeded workbench,IAR EW)、協(xié)議棧分析儀Packet Sniffer、燒寫工具Flash Programer等。IAR是一款完整、穩(wěn)定且易于使用的專業(yè)嵌入式應(yīng)用開發(fā)工具，包括嵌入式C/C++編譯器、匯編器、連接定位器等。在進(jìn)行ZigBee無線通信技術(shù)開發(fā)之前，需先在PC機(jī)上安裝Z-Stack協(xié)議棧安裝包。

2.1系統(tǒng)總體組成

本系統(tǒng)主要由終端監(jiān)測節(jié)點、路由節(jié)點、協(xié)調(diào)器、監(jiān)控中心等組成。在啟動煤氣泄漏與火災(zāi)實時監(jiān)測過程中，利用ZigBee技術(shù)的自組網(wǎng)功能，將整個監(jiān)測環(huán)境內(nèi)的各種節(jié)點連接成無線網(wǎng)狀監(jiān)測系統(tǒng)。由協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)建立網(wǎng)絡(luò)及網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)配置，其他節(jié)點通過發(fā)送請求加入網(wǎng)絡(luò)，獲得互不重復(fù)的PANID。監(jiān)控節(jié)點上連接的煙霧氣體傳感器MQ-2、CO傳感器MQ-7等傳感器進(jìn)行實時環(huán)境監(jiān)測，并將是否有煤氣泄漏或者火災(zāi)發(fā)生的實時信號參數(shù)，通過路由器節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)或直接送至協(xié)調(diào)器。協(xié)調(diào)器對收到的數(shù)據(jù)作出處理，由連接的報警器發(fā)出報警，并將數(shù)據(jù)上傳到PC機(jī)構(gòu)成的監(jiān)控平臺進(jìn)行定位分析提醒。

2.2報警系統(tǒng)的ZigBee節(jié)點硬件設(shè)計

系統(tǒng)中使用的ZigBee節(jié)點具有類似的基本結(jié)構(gòu)，包含電源模塊、CC2530無線通信模塊、底板微處理器及傳感器等各種外部設(shè)備。協(xié)調(diào)器主要用于組建網(wǎng)狀的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)的收發(fā)處理。同時，外部通用輸入/輸出口(general purpose input/output，GPIO)P0.5連接著由繼電器與蜂鳴器組成的報警裝置，如圖1所示。

圖1　協(xié)調(diào)器節(jié)點硬件圖Fig.1　Hardware diagram of coordinator node

系統(tǒng)通過USB數(shù)據(jù)線，將數(shù)據(jù)上傳至由PC機(jī)構(gòu)成的實時監(jiān)控平臺，進(jìn)行分析定位響應(yīng)。在路由器或終端設(shè)備節(jié)點中，外圍連接GPIO口P0.6連接煙霧氣體傳感器MQ-2，P0.4連接CO傳感器MQ-7，如圖2所示。當(dāng)發(fā)生煤氣泄漏或火災(zāi)時，由于空氣中的可燃?xì)怏w、CO等有害氣體濃度高于傳感器的設(shè)定值，使傳感器的電導(dǎo)率隨之增大，傳感器模塊的數(shù)字接口輸出低電平0，終端設(shè)備P0.6、P0.4分別輸入低電平0；再經(jīng)過底板微處理器完成對數(shù)據(jù)的打包處理后，將其通過CC2530射頻芯片發(fā)送出去。

圖2　路由器或終端設(shè)備節(jié)點硬件圖Fig.2　Hardware diagram of router or end device

2.3ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建

本系統(tǒng)中，ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)采用網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。協(xié)調(diào)器組網(wǎng)流程如圖3所示。

圖3　協(xié)調(diào)器組網(wǎng)流程圖Fig.3　Flowchart of coordinator networking

協(xié)調(diào)器上電后，按照預(yù)先指定的信道和PADID建立無線網(wǎng)絡(luò)。然后，終端監(jiān)測節(jié)點設(shè)備與路由器節(jié)點設(shè)備通過檢測發(fā)現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)，提出申請加入該無線網(wǎng)絡(luò)，并獲得唯一的地址編號，從而建立起一個網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

路由器或終端設(shè)備流程圖如圖4所示。

圖4　路由器或終端設(shè)備流程圖Fig.4　Flowchart of router or terminal device

ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)建立后，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的各個終端監(jiān)測節(jié)點把采集到的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)打包，并不間斷地重復(fù)通過鄰近的路由器轉(zhuǎn)發(fā)或者直接發(fā)送給協(xié)調(diào)器。同時，協(xié)調(diào)器還通過USB數(shù)據(jù)線與PC機(jī)構(gòu)成的實時監(jiān)控平臺連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳分析與定位功能。

3　報警系統(tǒng)試驗結(jié)果與分析

3.1試驗前期準(zhǔn)備

本試驗中，采用1個協(xié)調(diào)器節(jié)點、2個路由器節(jié)點和3終端傳感器節(jié)點共同組成網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。在對每個節(jié)點進(jìn)行功能測試后，啟動IAR軟件,編寫程序并將其編譯成可執(zhí)行文件，通過仿真器將程序燒錄至每一個節(jié)點。將協(xié)調(diào)器和PC機(jī)通過USB數(shù)據(jù)線連接起來，打開協(xié)調(diào)器的電源開關(guān)。按照協(xié)調(diào)器、路由器節(jié)點、終端監(jiān)測傳感器節(jié)點的上電順序，依次給網(wǎng)絡(luò)節(jié)點上電。通過觀察協(xié)調(diào)器設(shè)備上的D3指示燈的狀態(tài)來判斷組網(wǎng)是否成功，協(xié)調(diào)器的D3指示燈熄滅，說明組網(wǎng)成功；路由器和終端設(shè)備上的D3指示燈熄滅，說明入網(wǎng)成功。當(dāng)開發(fā)板上RX、TX指示燈開始閃爍時，表示數(shù)據(jù)成功傳輸，可開展試驗測試。通過觀察協(xié)調(diào)器上的D1、D2指示燈狀態(tài)和繼電器指示燈狀態(tài)、終端設(shè)備上D1、D2指示燈狀態(tài)及外接的MQ-2傳感器的DO輸出指示燈狀態(tài)和MQ-7傳感器的報警指示燈狀態(tài)，可以檢驗本系統(tǒng)的可靠性與通信質(zhì)量。

3.2試驗結(jié)果與分析

當(dāng)所監(jiān)測的環(huán)境處于正常狀態(tài)時，外接的MQ-2傳感器的DO輸出指示燈和MQ-7傳感器的報警指示燈均為熄滅狀態(tài)，終端監(jiān)測設(shè)備外圍連接的GPIO口P0.6與P0.4輸入高電平，終端監(jiān)測設(shè)備上的D1、D2指示燈為長亮狀態(tài)。終端監(jiān)測設(shè)備將監(jiān)測數(shù)據(jù)打包后發(fā)出。實時監(jiān)測的數(shù)據(jù)包通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸至協(xié)調(diào)器設(shè)備，協(xié)調(diào)器設(shè)備處理分析后作出不反應(yīng)判斷，協(xié)調(diào)器設(shè)備上的D1、D2燈長滅，繼電器指示燈長滅，繼電器不閉合，蜂鳴器不報警。

當(dāng)所監(jiān)測的環(huán)境出現(xiàn)異常且氣體濃度達(dá)到傳感器設(shè)定的檢測值時，MQ-2傳感器的DO輸出指示燈和MQ-7傳感器的報警指示燈變?yōu)殚L亮狀態(tài)，終端監(jiān)測設(shè)備外圍連接的GPIO口P0.6與P0.4輸入低電平，終端監(jiān)測設(shè)備上的D1、D2燈變?yōu)橄鐮顟B(tài)，終端監(jiān)測設(shè)備將監(jiān)測數(shù)據(jù)打包后發(fā)出。實時監(jiān)測的數(shù)據(jù)包通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸至協(xié)調(diào)器設(shè)備，協(xié)調(diào)器設(shè)備處理分析后作出反應(yīng)判斷，協(xié)調(diào)器設(shè)備上的D1、D2燈與繼電器指示燈均變?yōu)殚L亮狀態(tài)，繼電器閉合，蜂鳴器進(jìn)行報警，提示監(jiān)控室值班人員有突發(fā)狀況出現(xiàn)。經(jīng)過多次試驗，終端監(jiān)測設(shè)備可獲取監(jiān)測環(huán)境信息，并通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸至協(xié)調(diào)器設(shè)備，記錄協(xié)調(diào)器設(shè)備成功分析并判斷是否報警的次數(shù)。試驗結(jié)果證明了本系統(tǒng)具有很強(qiáng)的穩(wěn)定性和很好的通信質(zhì)量。

4　結(jié)束語

本文提出了基于ZigBee技術(shù)與傳感器的網(wǎng)絡(luò)化無線通信報警系統(tǒng)。利用ZigBee技術(shù)，可將網(wǎng)絡(luò)化傳輸傳感器實時監(jiān)測的環(huán)境信息至監(jiān)控中心，達(dá)到了實時監(jiān)控與數(shù)據(jù)分析快速報警定位的目的。該系統(tǒng)能網(wǎng)絡(luò)化地實時監(jiān)控管理煤氣泄漏與火災(zāi)等突發(fā)情況，并快速、有效地作出應(yīng)對，具有良好的應(yīng)用前景。

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Application of ZigBee Technology in Gas Leakage and Fire Alarm System

Because of the arear of factories and communities are large,the real-time networking management can't be redised when suffered by fire disaster and gas leakage a wireless network communication alarm system is designed using the method of combining ZigBee technology and gas-smoke sensor,CO sensor.The IAR integrated development environment complier is used to program the coordinator node,router node and terminal node of wireless communication alarm system,and to compose the real-time monitoring network.The experimental results verify that the system can wirelessly transfer the detected data to the monitoring center,and then analyze and determine whether alarm and response for accurate positioning or not,thus the response mobility has been improved,and the waste of human resource has been reduced.

Gas leakageFire Alarm systemZigBeeWireless communicationReal time monitoringNetwork managementSensor

周恩學(xué)(1992—)，男，現(xiàn)為遼寧大學(xué)電氣工程及其自動化專業(yè)在讀本科生；主要從事物聯(lián)網(wǎng)通信方向的研究。

TH3;TP277

ADOI:10.16086/j.cnki.issn 1000-0380.201610020

國家自然科學(xué)基金資助項目(編號：61304094)；

遼寧省教育廳科學(xué)研究基金資助項目(編號：L2015194)；

大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃基金資助項目(編號：X201410140103)。

修改稿收到日期：2016-02-04。