孫婷婷++燕居懷

摘 要：為有效解決現(xiàn)有船舶機(jī)艙消防系統(tǒng)布線復(fù)雜、成本高、維護(hù)困難等問(wèn)題，文中在研究ZigBee技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過(guò)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)和船舶局域網(wǎng)，構(gòu)建了一個(gè)完整的機(jī)艙消防監(jiān)測(cè)與報(bào)警系統(tǒng)。設(shè)計(jì)了協(xié)調(diào)器、終端節(jié)點(diǎn)等硬件電路，采用CC2530核心板，借助IAR集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)艙火災(zāi)發(fā)生率高的設(shè)備和區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測(cè)和報(bào)警，試驗(yàn)證明，該系統(tǒng)可在船舶消防監(jiān)控等方面進(jìn)行推廣。

關(guān)鍵詞：船舶消防監(jiān)測(cè)與報(bào)警；ZigBee技術(shù)；CC2530核心板；IAR

中圖分類號(hào)：TP39；TN915.02 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2017）07-00-03

0 引 言

船舶火災(zāi)在世界上被公認(rèn)為是最難撲救的火災(zāi)之一，它是船舶海灘中較常見(jiàn)且危險(xiǎn)性較大的一種事故。機(jī)艙作為船舶的動(dòng)力源，相當(dāng)于船舶的心臟。機(jī)艙內(nèi)裝有大量運(yùn)轉(zhuǎn)的機(jī)器和電氣設(shè)備，有大量油料及其他可燃物，如若不慎很容易導(dǎo)致火災(zāi)。機(jī)艙內(nèi)一旦著火，由于通道狹窄，設(shè)備管路眾多，極易失去控制而造成重大損失。目前船舶的各種監(jiān)控模式基本為有線式集中監(jiān)控，隨著使用年限的增加，線路極易受到腐蝕、磨損等，且線路維修、更換不易。因此采用基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建船舶機(jī)艙消防系統(tǒng)，對(duì)火災(zāi)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，具有成本低、功耗低、自組網(wǎng)等特點(diǎn)，符合無(wú)線火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的要求，能解決有線制火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)存在的問(wèn)題。

1 ZigBee技術(shù)概述及特點(diǎn)

1.1 ZigBee技術(shù)概述

ZigBee技術(shù)以IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，是一種短距離、低功耗的無(wú)線通信技術(shù)。主要適用于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可嵌入各種設(shè)備。

1.2 ZigBee技術(shù)主要特點(diǎn)

（1）低功耗：這是 ZigBee技術(shù)的一個(gè)顯著特點(diǎn)。由于工作周期較短、收發(fā)信息功耗較低且采用了休眠模式，可以確保兩節(jié)五號(hào)電池工作長(zhǎng)達(dá)六個(gè)月到兩年的時(shí)間。

（2）低成本：協(xié)議簡(jiǎn)單且所需存儲(chǔ)空間小，極大地降低了ZigBee的成本，每塊芯片價(jià)格僅2～5美元，且ZigBee協(xié)議免專利費(fèi)。

（3）時(shí)延短：通信時(shí)延和從休眠狀態(tài)激活的時(shí)延都非常短。設(shè)備搜索時(shí)延為30 ms，休眠激活時(shí)延為15 ms，活動(dòng)設(shè)備信道接入時(shí)延為15 ms。

（4）數(shù)據(jù)傳輸速率低：傳輸速率范圍為10～250 kb/s，主要用于低傳輸。

（5）數(shù)據(jù)傳輸可靠性高：采用碰撞避免機(jī)制，為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時(shí)隙，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)的競(jìng)爭(zhēng)和沖突。MAC層采用完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制，發(fā)送的每個(gè)數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認(rèn)信息。

（6）網(wǎng)絡(luò)容量大：網(wǎng)絡(luò)包含星狀、樹(shù)狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。一個(gè)ZigBee設(shè)備可與其他254個(gè)設(shè)備相連，一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)最多可容納一個(gè)主設(shè)備和65 536個(gè)從設(shè)備，一個(gè)區(qū)域至少可同時(shí)存在100個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)。在有節(jié)點(diǎn)加入和撤出時(shí)，網(wǎng)絡(luò)具有自動(dòng)修復(fù)功能。

根據(jù)ZigBee技術(shù)的顯著特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)該技術(shù)適用于組建成本低、功耗低、可靠性高的船舶消防系統(tǒng)。

2 基于ZigBee技術(shù)的船舶消防監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的依靠ZigBee技術(shù)對(duì)機(jī)艙重要設(shè)備如主機(jī)、輔機(jī)、主機(jī)燃油系統(tǒng)、輔機(jī)燃油系統(tǒng)、電氣設(shè)備等火災(zāi)發(fā)生率高的設(shè)備和區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測(cè)和報(bào)警。系統(tǒng)分為終端無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)、ZigBee協(xié)調(diào)器、上位機(jī)，整個(gè)系統(tǒng)通過(guò)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)和船舶局域網(wǎng)連在一起，構(gòu)建了一個(gè)完整的機(jī)艙消防監(jiān)測(cè)與報(bào)警系統(tǒng)。圖1所示為船舶機(jī)艙消防系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)。

ZigBee無(wú)線數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)分布在主機(jī)、輔機(jī)等系統(tǒng)中，主要完成終端的機(jī)艙環(huán)境數(shù)據(jù)采集并通過(guò)ZigBee技術(shù)與上位機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸組建網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，利用ZigBee的溫度傳感器、煙霧傳感器采集機(jī)艙環(huán)境的數(shù)據(jù)信息。分布在機(jī)艙內(nèi)的各終端節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)上傳至協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，以便進(jìn)行再次傳輸。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器作為整個(gè)系統(tǒng)的中間環(huán)節(jié)，可以完成ZigBee網(wǎng)絡(luò)的組建，完成ZigBee網(wǎng)絡(luò)和船舶局域網(wǎng)之間的相互連通工作，同時(shí)還可將上位機(jī)的命令傳輸給現(xiàn)場(chǎng)的傳感器節(jié)點(diǎn)，并將機(jī)艙分布的傳感器節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)中。

集控室中的上位機(jī)是船員操作機(jī)艙消防監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的重要平臺(tái)，可對(duì)機(jī)艙中運(yùn)轉(zhuǎn)裝置的消防狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和報(bào)警，將現(xiàn)場(chǎng)溫度傳感器和煙霧傳感器采集到的設(shè)備參數(shù)通過(guò)文本、曲線等形式顯示出來(lái)，存儲(chǔ)采集到的數(shù)據(jù)，方便查詢。

3 基于ZigBee技術(shù)的消防監(jiān)測(cè)與報(bào)警系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

要進(jìn)行ZigBee技術(shù)的船舶機(jī)艙消防系統(tǒng)設(shè)計(jì)離不開(kāi)硬件的支持，硬件設(shè)備主要包含ZigBee協(xié)調(diào)器、路由器和終端節(jié)點(diǎn)。這些設(shè)備選擇CC2530-EB核心板，主要包括CC2530單片機(jī)、天線接口、晶振及I/O擴(kuò)展接口，CC2530-EB的核心板是一款完全兼容8051內(nèi)核，同時(shí)支持IEEE 802.15.4協(xié)議的無(wú)線射頻單片機(jī)，使用單周期訪問(wèn)特殊功能寄存器SFR、數(shù)據(jù)DATA和主SRAM。當(dāng)CC2530處于空閑模式時(shí)，任何中斷可以把CC2530恢復(fù)到主動(dòng)模式。Flash容量為128 KB，以保證程序代碼和常量等數(shù)據(jù)在設(shè)備重啟后可用。

3.1 ZigBee協(xié)調(diào)器

ZigBee協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)建立機(jī)艙網(wǎng)絡(luò)及完成網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)配置，是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的核心。系統(tǒng)上電后，協(xié)調(diào)器會(huì)自動(dòng)選擇一個(gè)信道與一個(gè)網(wǎng)絡(luò)號(hào)，建立網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)建立后，該設(shè)備就相當(dāng)于一個(gè)路由器。協(xié)調(diào)器的節(jié)點(diǎn)主要由CC2530芯片、電源模塊、射頻天線模塊、晶振電路、串口模塊組成，串口模塊主要用于實(shí)現(xiàn)CMOS/TTL電平到RS 232電平的轉(zhuǎn)換。由于終端傳感器節(jié)點(diǎn)位于機(jī)艙的復(fù)雜環(huán)境中，要求能量消耗低，因此在設(shè)計(jì)電源電路時(shí)用5 V電源通過(guò)DC-DC變換器得到3.3 V工作電壓，也可采用2節(jié)5號(hào)電池供電的方案。RF模塊主要用于無(wú)線數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。晶振模塊采用兩種不同頻率的晶振，分別用于無(wú)線收發(fā)數(shù)據(jù)和休眠狀態(tài)。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)如圖2所示。

3.2 路由器和終端節(jié)點(diǎn)

路由器的主要功能包括允許終端節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)包的路由選擇。該模塊同協(xié)調(diào)器模塊組成相似，只是路由節(jié)點(diǎn)沒(méi)有串口模塊。在船舶機(jī)艙消防系統(tǒng)中，終端節(jié)點(diǎn)分布數(shù)量最多。終端節(jié)點(diǎn)模塊包含CC2530處理器模塊、電源模塊、射頻天線模塊、晶振電路模塊及傳感器單元等模塊。它們分散在船舶機(jī)艙內(nèi)被監(jiān)控設(shè)備附近，主要對(duì)機(jī)艙內(nèi)高溫設(shè)備、重要電氣設(shè)備、燃油等部分的溫度和煙霧濃度進(jìn)行信息采集，并將采集到的數(shù)據(jù)利用相應(yīng)算法進(jìn)行計(jì)算，完成機(jī)艙環(huán)境火災(zāi)的預(yù)先判定。若有可能發(fā)生火災(zāi)則將信息通過(guò)協(xié)調(diào)器發(fā)送至上位機(jī)，由上位機(jī)響應(yīng)報(bào)警。終端溫度、煙霧探測(cè)器是整個(gè)終端節(jié)點(diǎn)的基礎(chǔ)部分，其性能好壞對(duì)之后的船舶火災(zāi)判斷具有直接影響。

3.2.1 溫度傳感器模塊

本系統(tǒng)的終端傳感器DS18B20能夠?qū)y(cè)量到的溫度數(shù)據(jù)經(jīng)內(nèi)部轉(zhuǎn)換且無(wú)需外部模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換就可直接輸出二進(jìn)制的溫度數(shù)據(jù)，只需一條線便可實(shí)現(xiàn)與CC2530芯片之間的連接，轉(zhuǎn)換速度很快，能夠在1 s內(nèi)完成溫度轉(zhuǎn)換。

3.2.2 煙霧傳感器模塊

本系統(tǒng)采用MQ-2氣體傳感器，當(dāng)傳感器所處環(huán)境存在可燃性氣體時(shí)，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中可燃?xì)怏w濃度的增加而增大，使用簡(jiǎn)單的電路即可將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為與該氣體相對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)。MQ-2傳感器電路圖如圖3所示。

4 基于ZigBee的消防監(jiān)測(cè)與報(bào)警系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的各種操作都需要利用Z-Stack協(xié)議棧，軟件開(kāi)發(fā)時(shí)，協(xié)議棧就是一個(gè)函數(shù)庫(kù)，相當(dāng)于用戶和協(xié)議的接口，通過(guò)函數(shù)庫(kù)里的函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)或控制命令的無(wú)線傳輸，開(kāi)發(fā)該協(xié)議棧時(shí)，使用IAR公司提供的IAR for MCS.518.10.3版本作為軟件的開(kāi)發(fā)環(huán)境。

中心協(xié)調(diào)器創(chuàng)建ZigBee網(wǎng)絡(luò)，等待其他節(jié)點(diǎn)加入。對(duì)于節(jié)點(diǎn)而言，能夠接收上位機(jī)的控制命令，并將檢測(cè)到的環(huán)境及采集的數(shù)據(jù)通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)反饋至上位機(jī)。若需要加入某一個(gè)網(wǎng)絡(luò)則需要確定周圍是否存在ZigBee網(wǎng)絡(luò)。若存在，則向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送分配地址的請(qǐng)求，協(xié)調(diào)器收到后，可以為該節(jié)點(diǎn)設(shè)置地址，并發(fā)送確認(rèn)信息給該節(jié)點(diǎn)，完成加入網(wǎng)絡(luò)的過(guò)程。若不存在網(wǎng)絡(luò)，則該節(jié)點(diǎn)設(shè)定一個(gè)協(xié)調(diào)器，查找是否有入網(wǎng)的請(qǐng)求信息。若有，則繼續(xù)進(jìn)行，并記錄該節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息。若沒(méi)有則返回協(xié)調(diào)器的設(shè)定狀態(tài)。使用ZigBee協(xié)議棧開(kāi)發(fā)時(shí)，將傳感器檢測(cè)函數(shù)放在協(xié)議棧App目錄下。傳感器測(cè)量模塊包含Sensor.h和Sensor.c兩個(gè)工程文件。在發(fā)送傳感器數(shù)據(jù)時(shí)，先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行均值濾波，在一個(gè)采樣周期內(nèi)，對(duì)AD通道內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行10次采樣。將10個(gè)數(shù)據(jù)中的最大值與最小值去掉，對(duì)剩余數(shù)據(jù)進(jìn)行均值濾波，可有效提高數(shù)據(jù)采集的可靠性。網(wǎng)絡(luò)組建流程如圖4所示，終端節(jié)點(diǎn)實(shí)物連接圖如圖5所示。

圖4 ZigBee網(wǎng)絡(luò)組建流程

圖5 終端節(jié)點(diǎn)實(shí)物連接圖

傳感器采集數(shù)據(jù)關(guān)鍵程序如下：

Void GenericApp_Send_DATA_Message（void）

{myApp_ReadTempLevel（）；//

myApp_ReadFogLevel（）；//

SendData[0]=T；

SendData[1]=Data_temp[0]；

SendData[2]=Data_temp[1]；

SendData[3]=Data_temp[2]；

SendData[4]= F；

SendData[5]=Data_fog[0]；

SendData[6]=Data_fog[1]；

SendData[7]=Data_fog[2]；

AF_DataRequest（&GenericApp_DstAddr，&GenericApp_epDesc， GenericApp_DEVICE2_CLUSTERID，12，SendData，&GenericApp_TransID，AF_DISCV_ROUTE，AF_DEFAULT_RADIUS）；

}

5 結(jié) 語(yǔ)

本文根據(jù)船舶機(jī)艙內(nèi)部的復(fù)雜情況，將CC2530芯片作為核心，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于ZigBee組網(wǎng)的船舶消防系統(tǒng)。能夠有效解決現(xiàn)有有線網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展性差、布線難等問(wèn)題，可基本滿足中小型船舶機(jī)艙的消防要求。

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