基于ZigBee技術的船舶機艙消防監測與報警系統設計

孫婷婷++燕居懷

摘 要：為有效解決現有船舶機艙消防系統布線復雜、成本高、維護困難等問題，文中在研究ZigBee技術的基礎上，通過無線傳感器網絡和船舶局域網，構建了一個完整的機艙消防監測與報警系統。設計了協調器、終端節點等硬件電路，采用CC2530核心板，借助IAR集成開發環境，實現對機艙火災發生率高的設備和區域進行監測和報警，試驗證明，該系統可在船舶消防監控等方面進行推廣。

關鍵詞：船舶消防監測與報警；ZigBee技術；CC2530核心板；IAR

中圖分類號：TP39；TN915.02 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）07-00-03

0 引 言

船舶火災在世界上被公認為是最難撲救的火災之一，它是船舶海灘中較常見且危險性較大的一種事故。機艙作為船舶的動力源，相當于船舶的心臟。機艙內裝有大量運轉的機器和電氣設備，有大量油料及其他可燃物，如若不慎很容易導致火災。機艙內一旦著火，由于通道狹窄，設備管路眾多，極易失去控制而造成重大損失。目前船舶的各種監控模式基本為有線式集中監控，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技術的無線傳感網絡構建船舶機艙消防系統，對火災進行實時監控，具有成本低、功耗低、自組網等特點，符合無線火災報警系統的要求，能解決有線制火災報警系統存在的問題。

1 ZigBee技術概述及特點

1.1 ZigBee技術概述

ZigBee技術以IEEE802.15.4標準為基礎，是一種短距離、低功耗的無線通信技術。主要適用于自動控制和遠程控制領域，可嵌入各種設備。

1.2 ZigBee技術主要特點

（1）低功耗：這是 ZigBee技術的一個顯著特點。由于工作周期較短、收發信息功耗較低且采用了休眠模式，可以確保兩節五號電池工作長達六個月到兩年的時間。

（2）低成本：協議簡單且所需存儲空間小，極大地降低了ZigBee的成本，每塊芯片價格僅2～5美元，且ZigBee協議免專利費。

（3）時延短：通信時延和從休眠狀態激活的時延都非常短。設備搜索時延為30 ms，休眠激活時延為15 ms，活動設備信道接入時延為15 ms。

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

（5）數據傳輸可靠性高：采用碰撞避免機制，為需要固定帶寬的通信業務預留了專用時隙，避免了發送數據時的競爭和沖突。MAC層采用完全確認的數據傳輸機制，發送的每個數據包都必須等待接收方的確認信息。

（6）網絡容量大：網絡包含星狀、樹狀和網狀網絡結構。一個ZigBee設備可與其他254個設備相連，一個ZigBee網絡最多可容納一個主設備和65 536個從設備，一個區域至少可同時存在100個ZigBee網絡。在有節點加入和撤出時，網絡具有自動修復功能。

根據ZigBee技術的顯著特點，發現該技術適用于組建成本低、功耗低、可靠性高的船舶消防系統。

2 基于ZigBee技術的船舶消防監測系統架構

本文設計的依靠ZigBee技術對機艙重要設備如主機、輔機、主機燃油系統、輔機燃油系統、電氣設備等火災發生率高的設備和區域進行監測和報警。系統分為終端無線傳感器節點、ZigBee協調器、上位機，整個系統通過無線傳感器網絡和船舶局域網連在一起，構建了一個完整的機艙消防監測與報警系統。圖1所示為船舶機艙消防系統的整體結構。

ZigBee無線數據采集網絡分布在主機、輔機等系統中，主要完成終端的機艙環境數據采集并通過ZigBee技術與上位機的數據傳輸組建網狀結構的網絡拓撲結構，利用ZigBee的溫度傳感器、煙霧傳感器采集機艙環境的數據信息。分布在機艙內的各終端節點采集到的數據上傳至協調器節點，以便進行再次傳輸。

ZigBee網絡協調器作為整個系統的中間環節，可以完成ZigBee網絡的組建，完成ZigBee網絡和船舶局域網之間的相互連通工作，同時還可將上位機的命令傳輸給現場的傳感器節點，并將機艙分布的傳感器節點采集的數據傳輸到上位機中。

集控室中的上位機是船員操作機艙消防監測系統的重要平臺，可對機艙中運轉裝置的消防狀況進行實時監控和報警，將現場溫度傳感器和煙霧傳感器采集到的設備參數通過文本、曲線等形式顯示出來，存儲采集到的數據，方便查詢。

3 基于ZigBee技術的消防監測與報警系統硬件設計

要進行ZigBee技術的船舶機艙消防系統設計離不開硬件的支持，硬件設備主要包含ZigBee協調器、路由器和終端節點。這些設備選擇CC2530-EB核心板，主要包括CC2530單片機、天線接口、晶振及I/O擴展接口，CC2530-EB的核心板是一款完全兼容8051內核，同時支持IEEE 802.15.4協議的無線射頻單片機，使用單周期訪問特殊功能寄存器SFR、數據DATA和主SRAM。當CC2530處于空閑模式時，任何中斷可以把CC2530恢復到主動模式。Flash容量為128 KB，以保證程序代碼和常量等數據在設備重啟后可用。

3.1 ZigBee協調器

ZigBee協調器負責建立機艙網絡及完成網絡的相關配置，是整個網絡的核心。系統上電后，協調器會自動選擇一個信道與一個網絡號，建立網絡。網絡建立后，該設備就相當于一個路由器。協調器的節點主要由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現CMOS/TTL電平到RS 232電平的轉換。由于終端傳感器節點位于機艙的復雜環境中，要求能量消耗低，因此在設計電源電路時用5 V電源通過DC-DC變換器得到3.3 V工作電壓，也可采用2節5號電池供電的方案。RF模塊主要用于無線數據的發送和接收。晶振模塊采用兩種不同頻率的晶振，分別用于無線收發數據和休眠狀態。協調器節點設計如圖2所示。

3.2 路由器和終端節點

路由器的主要功能包括允許終端節點加入網絡，負責數據包的路由選擇。該模塊同協調器模塊組成相似，只是路由節點沒有串口模塊。在船舶機艙消防系統中，終端節點分布數量最多。終端節點模塊包含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。它們分散在船舶機艙內被監控設備附近，主要對機艙內高溫設備、重要電氣設備、燃油等部分的溫度和煙霧濃度進行信息采集，并將采集到的數據利用相應算法進行計算，完成機艙環境火災的預先判定。若有可能發生火災則將信息通過協調器發送至上位機，由上位機響應報警。終端溫度、煙霧探測器是整個終端節點的基礎部分，其性能好壞對之后的船舶火災判斷具有直接影響。

3.2.1 溫度傳感器模塊

本系統的終端傳感器DS18B20能夠將測量到的溫度數據經內部轉換且無需外部模擬數字轉換器轉換就可直接輸出二進制的溫度數據，只需一條線便可實現與CC2530芯片之間的連接，轉換速度很快，能夠在1 s內完成溫度轉換。

3.2.2 煙霧傳感器模塊

本系統采用MQ-2氣體傳感器，當傳感器所處環境存在可燃性氣體時，傳感器的電導率隨空氣中可燃氣體濃度的增加而增大，使用簡單的電路即可將電導率的變化轉換為與該氣體相對應的輸出信號。MQ-2傳感器電路圖如圖3所示。

4 基于ZigBee的消防監測與報警系統的軟件設計

ZigBee無線傳感器網絡中的各種操作都需要利用Z-Stack協議棧，軟件開發時，協議棧就是一個函數庫，相當于用戶和協議的接口，通過函數庫里的函數來實現數據或控制命令的無線傳輸，開發該協議棧時，使用IAR公司提供的IAR for MCS.518.10.3版本作為軟件的開發環境。

中心協調器創建ZigBee網絡，等待其他節點加入。對于節點而言，能夠接收上位機的控制命令，并將檢測到的環境及采集的數據通過ZigBee網絡反饋至上位機。若需要加入某一個網絡則需要確定周圍是否存在ZigBee網絡。若存在，則向網絡發送分配地址的請求，協調器收到后，可以為該節點設置地址，并發送確認信息給該節點，完成加入網絡的過程。若不存在網絡，則該節點設定一個協調器，查找是否有入網的請求信息。若有，則繼續進行，并記錄該節點的數據信息。若沒有則返回協調器的設定狀態。使用ZigBee協議棧開發時，將傳感器檢測函數放在協議棧App目錄下。傳感器測量模塊包含Sensor.h和Sensor.c兩個工程文件。在發送傳感器數據時，先對數據進行均值濾波，在一個采樣周期內，對AD通道內的數據進行10次采樣。將10個數據中的最大值與最小值去掉，對剩余數據進行均值濾波，可有效提高數據采集的可靠性。網絡組建流程如圖4所示，終端節點實物連接圖如圖5所示。

圖4 ZigBee網絡組建流程

圖5 終端節點實物連接圖

傳感器采集數據關鍵程序如下：

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 語

本文根據船舶機艙內部的復雜情況，將CC2530芯片作為核心，設計了一個基于ZigBee組網的船舶消防系統。能夠有效解決現有有線網絡擴展性差、布線難等問題，可基本滿足中小型船舶機艙的消防要求。

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