基于ZigBee和以太網的學生宿舍火災報警系統設計

卞勇

摘 要： 利用傳感器技術對環境中的煙霧、一氧化碳、溫度等常見的環境量進行檢測并采集，通過Zigbee和以太網將采集到的數據傳遞至網關節點，經過處理后通過串口通信模塊傳至系統處理器。實驗證明，該系統的數據傳遞和處理質量可靠，能滿足學生宿舍火災自動報警的各種要求。

關鍵詞： 火災自動報警； ZigBee； 網關節點

中圖分類號： TU 892 文獻標志碼： A 文章編號： 1671-2153（2016）02-0092-03

0 引 言

目前，Zigbee技術在火災自動報警系統中的運用是選用Zigbee網絡使用星形拓撲結構并運用Zigbee協調器形成網絡。Zigbee終端把采集的學生宿舍環境量發給Zigbee協調器， Zigbee協調器再通過串口把數據轉發給處理器，處理器軟件收到數據后，將數據和正常數值進行對比，如發現有異常，立即發出警報。

1 傳統火災報警系統中存在的弊端

在火災自動報警系統中， 由于大部分Zigbee網絡選用的是星形拓撲結構， Zigbee無線網絡不可能無限大，在網絡中的子節點個數最多為255個節點。節點太多時， Zigbee協調器就會面臨嚴峻的考驗。協調器要處理的請求數增加， 由于協調器的能力有限，這樣勢必會增加延遲處理節點的概率，不能有效地對現場環境進行實時的控制。在Zigbee的網絡中， Zigbee節點和節點之間的通信距離有限，芯片CC2430在不加天線的情況下，發送距離為10 m；Zigbee節點與節點之間的無線信號對穿透障礙物有極大的衰減。

2 自動報警系統中組網模式改進設計

2.1 Zigbee網絡和以太網異質網絡設計

針對Zigbee組網在火災自動報警系統應用中存在的問題，本文提出了Zigbee加以太網的組網結構（圖1）。對外遵循傳統的火災自動報警系統設計，通過Web服務器與外部Internet進行網絡通信，內部是Zigbee和以太網組成的異質網。

Zigbee和以太網的異質網由兩個部分組成：傳統以太網和Zigbee網絡組網。以太網以有線的形式存在，容易穿透障礙物，Zigbee無線網解決空曠地帶網絡傳輸，這樣就很容易解決Zigbee網絡中存在的不足，取長補短。

2.2 異質網單個節點設計

ZigBee和以太網的異質網從物理上劃分為很多的單個網絡節點，每個節由1個單獨的ZigBee網絡和以太網模塊組成， 各個節點之間通過交換器相互連接在一起。在每個網絡節點中，把ZigBee網絡的協調器和以太網模塊設計在一個PCB板子上，并將這個PCB板設為基站，其中協調器和以太網模塊通過串口相互連接，節點下面ZigBee的終端通過無線跟協調器相互連接（如圖2所示）。

3 火災自動報警系統硬件設計

該系統主要是通過溫度、煙霧、CO傳感器將環境量傳至Zigbee協調器，經Zigbee協調器通過串口將數據傳給以太網節點（LM3S9B92），再經過交換機等網絡設備最終傳給處理器，處理器會對數據進行處理，判斷是否要發給GSM模塊進行發送或者報警，另外還要處理來自監控中心的指令和保安的查詢指令等，并且要控制其他硬件平臺。系統的硬件結構如圖3所示。

3.1 處理器模塊

根據比較和設計的需求，該系統使用TI的MSP430，這款處理器處理能力強，保證了其編出高效的源程序；運算速度快，能實現數字信號處理的FFT算法等；功耗低，在RAM保護模式下可達到0.1μA。

3.2 Zigbee模塊

本系統使用CC2430 為ZigBee 模塊的核心芯片，它是基于2.4G IEEE 802.15.4 的芯片，可以以較低的成本建立強大的網絡節點，擁有領先的射頻收發器功能，有較高的靈敏度和抗干擾能力，適用于ZigBee系統設計、家居自動化、工業控制、低功耗傳感器網絡（WSN）等多個領域。

3.3 傳感器模塊

溫度傳感器選用TI 公司推出的具備SMBus/ 雙線串行接口的低功耗數字溫度傳感器TMP102，該器件采用SOT563 封裝，包含引線的高度僅為0.6 mm。無需其他外部元件，TMP102 便可以讀取分辨率為0.0625 ℃的溫度；煙霧傳感器選用離子式煙霧傳感器，它在內外電離室里面有放射源镅241，電離產生的正、負離子，在電場的作用下各自向正負電極移動；CO 傳感器選用MQ-7 一氧化碳氣體傳感器作為CO檢測元件，這種氣體傳感器對CO 響應的選擇性好，并具有很高的靈敏度、可靠的穩定性和長期的使用壽命，可檢測多種含CO 的氣體。

3.4 以太網節點

以太網節點選用TI公司的LM3S9B92， LM3S9B92中集成了以太網控制器，它的外設有無線收發模塊、液晶顯示屏模塊、EEPROM、RTC實時時鐘芯片以及電源、看門狗、JTAG調試接口等外圍電路。Zigbee網絡與以太網網絡的連接是通過Zigbee的協調器串口和LM3S9B92的串口相連接，如圖2所示。

3.5 GSM模塊

GSM模塊是一個支持中文短信息的工業級模塊，該模塊性能穩定、價格低廉，可傳輸語音和數據信號，作為TC35i的核心基帶處理器主要處理GSM終端內的語音和數據信號，并涵蓋了蜂窩射頻設備中的所有模擬和數字功能。本系統中MSP430 處理器通過自帶UART 模塊實現與GSM 模塊（TC35i 模塊） 的串行通信。

4 火災自動報警系統軟件流程設計

監控系統的工作流程是由集成傳感器采集數據，將數據上傳至Zigbee協調器，經過串口RS232傳至以太網節點，經過交換機最終上傳到處理器，處理器對數據進行分析比較，如果采集的數據超過設定值，單片機將驅動發光報警，并將信號通過GSM發給當值保安。系統主程序流程如圖4所示。

5 結束語

本文設計一種基于ZigBee和以太網技術的學生宿舍火災自動報警系統。系統使用Zigbee無線技術加以太網有線傳輸實現火災傳感器信號的傳輸，有效地克服了Zigbee技術上傳輸距離短、穿透衰減大等缺點，采用的CC2430 和MSP430 功耗低，能夠滿足分布式消防系統的實用要求，市場化成本低，有效的減少了火災對學生生命財產的危害的可能性，提高了消防系統的智能化水平。

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（責任編輯：徐興華）