ZigBee技术在楼宇火灾报警中的应用研究

王之渊 官洪运

摘 要：火灾作为最常见、最普遍地威胁公众安全和社会发展的主要灾害之一。现有的火灾报警系统大多采用有线方式连接，施工和运行维护成本高，容易出现误报、漏报的情况。在充分研究ZigBee所具有低功耗、低成本、时延短、网络容量大、安全可靠等特点的基础上，基于CC2530芯片将各个ZigBee路由节点采用Mesh组网，与传统的单跳网络相比，无线Mesh网络技术具有诸多无可比拟的优势。将ZigBee技术与Mesh网络结合后，极大提高网络的稳定性，能够满足火灾现场紧急报警的需求。

关键词：火灾报警 ZigBee技术 Mesh网络

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2013）007-028-02

1 引言

现如今，火灾是最常见和最普遍存在的威胁百姓生命安全与财产安全的灾害。造成火灾的危险性因素有很多，因此消防工作的重要性也逐渐凸显出来，主要而言表现在两个方面：一方面在于预防，即在火灾发生之前，就采取各种有效的预防措施；另一方面在于应对，当火灾已经不可避免或已经发生之时，如何采取及时有效的消防措施。在第二个方面的研究与探索中，自动报警系统已经被广泛的应用了。然而目前的许多报警系统采用的是有线连接的方式，在险情发生时，常常可能出现误报漏报的情况。为了避免这些情况的发生，火灾无线自动报警工程应用技术正在加速的发展，但目前的发展速度还比较缓慢。本文使用TI公司的CC2530芯片作为ZigBee节点的硬件平台，将ZigBee设备与烟雾报警器相连接，ZigBee终端节点随着烟雾报警器的触发发出报警信号，通过ZigBee网络最终将报警信号发送至协调器节点，实现远程报警。ZigBee路由设备间通过Mesh网络组网，能极大的提升网络的灵活性、自愈性，同时ZigBee设备低成本、低功耗的特点也能很好的满足火灾预警系统的需求。

2 ZigBee技术

ZigBee 是一个基于IEEE802.15.4 标准的新兴无线技术协议。国内，ZigBee 工作在全球通用的2.4GHz 的公用频带，传输速率为250Kb/s。ZigBee网络是一个由最多可达到65000个无线模块组成的一个无线数传网络平台，在整个网络范围内，它们之间可以进行相互通信。每个ZigBee设备可以自己组建网络，ZigBee的网络连接具有灵活性，设备启动时会自动搜索范围内的信号，并与信号强度最高的信号相连。ZigBee技术具有省电、可靠、时延短、网络容量大、安全、高保密性等特点。

3 CC2530芯片

本文采用CC2530芯片作为系统的硬件平台。CC2530是用于2.4GHz IEEE802.15.4、ZigBee和RF4CE应用的一个真正的片上系统解决方案。CC2530的主要特点：（1）提供101db的链路质量；（2）接收器灵敏并且抗干扰性好；（3）多种闪存尺寸；（4）低功耗的5种供电模式；（5）一套广泛的外设集。

4 系统设计

当烟雾报警器发出报警时，将触发终端节点发出报警信号并将自己节点的地址向上层路由节点发送，路由收到报警信号后将其转发至相邻的路由节点或直接发送至协调器节点，在协调器节点上通过串口发送至监控中心。ZigBee无线传感器网络中包含一个协调器节点、多个路由器节点和更多个与烟雾报警器相连的终端节点，系统结构设计如图1。协调器负责整个系统无线通信部分网络的建立和管理，允许终端节点加入或者离开网络；由多个路由器节点来覆盖整个区域。

图1 系统结构图

5 系统软件设计

5.1 网络的组建

一个比较完整的ZigBee网络由一个协调器节点、多个路由器节点和多个终端节点组成。在一个ZigBee网络中，只有协调器节点可以建立网络，它是网络上的第一个设备，协调器首先选择一个信道和网络标识，然后开始组建网络。

设备加入网络的方式采用关联加入。关联加入由子节点发起，搜索潜在的父节点，在搜索到可加入父节点，并得到父节点响应时，子节点就能加入网络。

5.2 协调器节点软件设计

在协调器节点启动以后，首先设置通信信道和PanID，其他节点如果要加入该网络必须将自己的通信信道和PanID设置与协调器相同，才可以被允许加入网络。在协调器节点收到路由节点发来的数据后，读取数据帧中的地址信号与报警信号，并通过串口发送给上位机。因此，协调器节点主要负责维护网络信息库，并处理收到的数据。

5.3 终端节点软件设计

终端节点在完成网络初始化后开始搜索可用路由节点，发现附近存在有可用的路由节点时，网络层向路由节点发送加入网络的请求，成功加入网络后程序循环查询报是否有报警信号，并实时将节点信息发送给路由器节点。在无火情的时候，终端节点每睡眠5分钟唤醒一次将本节点地址和正常的信息发送给路由节点。若有火灾情况发生，则向路由节点报告火情和起火地址。终端节点的软件流程图如图2所示。

图2 终端节点软件设计流程图

5.4 路由节点软件设计

ZigBee路由之间Mesh组网采用AODV路由算法，AODV路由算法是一种按需路由协议，根据节点的需求发起路由发现过程，网络拓扑结构和路由表内容也是按需建立的，路由表中不需保存完整的路由信息。AODV路由算法按需发送路由信息，节省了一定的网络资源。链路成本与路径里的每个链路成本都有关，对每个链路成本值求和，就是这个路径上总的链路成本即这条路径上的通信代价。

假设一条路径P长为L，经过一组有序设备[D1，D2，...，DL]，每个链路表示为[Di，Di+1]，C{[Di，Di+1]}表示这条链路上的链路成本，也即通信代价，假定每条链路的链路成本都是个固定值，则整个路径的通信代价的表达式如下：

路由节点首先启动加入网络，加入网络后路由节点监听无线接收通道，当有节点向其发送连接请求时，路由检点首先检测该节点是相邻路由节点还是终端节点，如果该节点是相邻路由节点时，则直接与之进行数据交换；如果该节点是终端节点，则先查看路由表，与终端节点进行匹配，在与匹配成功后执行通信过程。如果没有故障节点和火灾则向协调器节点发送正常信息若收到由传感器节点发送的火灾信息则协调器节点发送火灾警报。路由节点的软件流程图如图3。

图3 路由节点软件设计流程图

6 实验结果

ZigBee设备组网在物联网试验箱中进行，为了方便调试，在节点通信调试过程中带了显示屏以显示调试结果。图4为模拟火灾发生时节点通信实验的实验结果，第一个显示屏是子节点发送数据的显示；第二个显示屏是协调器节点收到数据后显示收到发送数据的设备的地址；第三个显示的路由节点收到数据并转发的实验结果。

图4 子节点、协调器节点、路由节点通信结果

7 结束语

本文基于ZigBee Mesh组网技术，设计了一个自动远程火灾报警系统，对协调器节点、终端节点和路由器节点作了软件设计，最后对系统进行了小规模的组网实验，初步实现了系统功能。

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