基于ZigBee的船艇消防安全監(jiān)測系統(tǒng)研究

摘 要:基于ZigBee技術(shù)的船艇消防安全監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，在成本低、易于實(shí)現(xiàn)的前提下實(shí)現(xiàn)對船艇各個(gè)艙室內(nèi)部的消防安全監(jiān)測。將ZigBee這種低功耗、高可靠性、可擴(kuò)展性強(qiáng)的無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于消防安全監(jiān)測，避免了各種現(xiàn)場布線，加強(qiáng)了系統(tǒng)的靈活性和可靠性，提高了船艇消防安全的監(jiān)測能力。

關(guān)鍵詞:ZigBee; 傳感器; 船艇; 消防安全

中圖分類號:TN915 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號:1004-373X(2010)11-0129-02

Study of ZigBee-based Safety Monitoring System for Ship Fire

ZHENG Shuai， ZHOU You-ling

(Hainan University， Haikou 570228， China)

Abstract: The wired monitoring mode is commonly used in the traditional ship compastment fire monitoring systems， whose disadvantages are high cost， complex wiring， poor scalability and hard to maintain. The disign scheme of the ship fire safety monitoring system based on ZigBee technology can achieve the fire monitoring inside the ship compartments under the precondition of low cost and easy implementation. If the ZigBee based wireless network with low-power comsumption， high reliability and scalability is applied in fire monitoring， a variety of on-site wiring can be avoided， the system′s flexibility and reliability enhanced， and the of ability ship fire monitoring improved.

Keywords: ZigBee; sensor; ship; fire safety

0 引 言

我國是一個(gè)海洋大國，海洋面積為陸地面積的三分之一，各類船艇在國防、國民經(jīng)濟(jì)和海洋開發(fā)等方面都占有十分重要的地位。船艇的基本部分為船體，其內(nèi)部有工作艙、生活艙、貯藏艙、儀器設(shè)備艙等各種用途的艙室[1]。由于船艇艙室多為狹小的半封閉式空間，艙內(nèi)消防安全監(jiān)測尤為重要。

傳統(tǒng)的船艇艙室消防安全監(jiān)測系統(tǒng)一般采用有線監(jiān)控的方式，火災(zāi)探測器直接通過硬線與控制器連接。有線監(jiān)測系統(tǒng)造價(jià)高、布線復(fù)雜、擴(kuò)展性差、設(shè)備后期維修困難[2]。目前，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)在各種環(huán)境條件的監(jiān)控系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用，船艇艙室的監(jiān)測系統(tǒng)使用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，不會(huì)出現(xiàn)傳統(tǒng)布線方法帶來的種種不便。由于消防安全為長期的連續(xù)監(jiān)測，使用ZigBee這種安裝簡單、能量消耗小的短距離無線通信技術(shù)十分適合。本文提出了一種基于ZigBee技術(shù)的船艇消防安全監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，在成本低、易于實(shí)現(xiàn)的前提下實(shí)現(xiàn)對船艇各個(gè)艙室內(nèi)部的消防安全監(jiān)測。

1 ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

1.1 ZigBee技術(shù)簡介

ZigBee是一種低復(fù)雜度、低成本、低功耗、低速率的短距離雙向無線通信新技術(shù)，是建立在IEEE 802.15.4定義的可靠的物理層(PHY)和媒體訪問層(MAC)之上的標(biāo)準(zhǔn)[3]。IEEE 802.15.4定義了兩類設(shè)備類型:精簡功能設(shè)備(RFD)和全功能設(shè)備(FFD) [4]。在ZigBee系統(tǒng)中，這兩類設(shè)備指的是物理設(shè)備類型。在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，一個(gè)節(jié)點(diǎn)可以有三種角色:ZigBee協(xié)調(diào)器、ZigBee路由器和ZigBee終端設(shè)備[5]。ZigBee技術(shù)可實(shí)現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有三種:星形、樹形、網(wǎng)狀，如圖1所示[6]。

圖1 ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1.2 ZigBee技術(shù)特點(diǎn)

相對于傳統(tǒng)的無線電、微波、藍(lán)牙、射頻等各種無線通信方式，ZigBee技術(shù)是最低功耗和最低成本的技術(shù)[7]。ZigBee技術(shù)主要有以下特點(diǎn):

(1) 功耗低，在低功耗模式下，2節(jié)普通5號電池使用時(shí)間為6~24個(gè)月。

(2) 設(shè)備成本低，協(xié)議簡單，協(xié)議免專利費(fèi)，搭建平臺(tái)的成本較低，適合廣泛使用。

(3) 網(wǎng)絡(luò)容量大，可容納最多65 000個(gè)設(shè)備。

(4) 網(wǎng)絡(luò)的自組織、自愈能力強(qiáng)，通信可靠[8]。

2 船艇艙室消防安全監(jiān)測系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

船艇消防安全監(jiān)測系統(tǒng)探測火災(zāi)發(fā)生的原理是檢測火災(zāi)發(fā)生前后的煙濃度、溫度和光這三個(gè)物理參數(shù)的變化，利用分布在艙室待測區(qū)域內(nèi)的傳感器節(jié)點(diǎn)采集這些環(huán)境參數(shù)[8]。

船艇消防安全監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)由硬件電路設(shè)計(jì)和系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)兩部分組成。使用ZigBee技術(shù)通過控制器和若干個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，搭建一個(gè)無線通信網(wǎng)絡(luò)。多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)置于船艇各艙室內(nèi)，通過傳感器采集煙濃度、濕度、光強(qiáng)數(shù)據(jù)，將采集結(jié)果通過無線通信的方式發(fā)送到路由器節(jié)點(diǎn)，然后路由器節(jié)點(diǎn)再將數(shù)據(jù)以無線通信的方式發(fā)送到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)將收集的多個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理后，顯示在LCD顯示屏上，同時(shí)也可通過串口將采集信息傳輸至PC機(jī)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

2.2 功能模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)選用的ZigBee設(shè)備為基于Jennic公司的JN5139 ZigBee解決方案，它提供了完整的ZigBee協(xié)議棧、軟件編輯、編譯/鏈接、調(diào)試、下載等工具。JN5139芯片是英國Jennic公司推出的高性能、低功耗的一系列無線芯片，該系列芯片天線的靈敏度高、功耗低、通訊距離遠(yuǎn)，為ZigBee技術(shù)提供了良好的解決方案[9]。系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)框圖如圖3所示。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器模塊設(shè)備板載UART接口用于和嵌入式主板或PC連接，可進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸及軟件下載或調(diào)試。作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者，負(fù)責(zé)管理整個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的組建和維護(hù)。傳感器節(jié)點(diǎn)/路由模塊設(shè)備采用2節(jié)5號電池供電，提供模擬傳感器和數(shù)字傳感器擴(kuò)展接口，用于連接煙濃度、溫度、光強(qiáng)度傳感器。作為路由節(jié)點(diǎn)或終端節(jié)點(diǎn)，其自身可采集數(shù)據(jù)，并可轉(zhuǎn)發(fā)其他節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包。

圖3 系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)的硬件框圖

2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件平臺(tái)同樣使用Jennic公司所提供的代碼編輯和編譯環(huán)境Jennic CodeBlocks。CodeBlocks是一款開源的C/C++開發(fā)工具，Jennic基于這個(gè)工具對其進(jìn)行擴(kuò)展形成了自己的開發(fā)平臺(tái)。Jennic Flash Programmer程序用來將CodeBlocks中編譯好的代碼下載到控制器板或傳感器板中[10]。

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)在初始化過程中找到合適的信道，建立一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，循環(huán)檢測傳感器節(jié)點(diǎn)的綁定請求。當(dāng)傳感器節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)后，便可進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。傳感器節(jié)點(diǎn)的軟件流程圖如圖4所示。該程序的主要作用就是將傳感器節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)建立的無線網(wǎng)絡(luò)，實(shí)時(shí)讀取傳感器測得的環(huán)-境參數(shù)數(shù)據(jù)，并周期性地將這些數(shù)據(jù)發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。

圖4 傳感器節(jié)點(diǎn)信息采集流程圖

3 結(jié) 語

提出了一種以JN5139模塊為核心，基于ZigBee的船艇消防安全監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法。將ZigBee這種低功耗、高可靠性、可擴(kuò)展性強(qiáng)的無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用在消防安全監(jiān)測，避免了各種現(xiàn)場布線，加強(qiáng)了系統(tǒng)的靈活性和可靠性，提高了船艇消防安全監(jiān)測能力，更好地避免船艇火災(zāi)的發(fā)生。

參考文獻(xiàn)

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