Zigbee技术在火灾报警系统中的应用研究

温州市铭达自动化系统有限公司 蒋海潮



Zigbee技术在火灾报警系统中的应用研究

温州市铭达自动化系统有限公司 蒋海潮

【摘要】本文以CC2530为核心控制芯片，以Z-Stack协议栈作为协议平台，搭建了一个由协调器设备和终端设备组成的小型的简易ZigBee网络。将终端设备放置在室内的不同地方，作为传感器节点采集室内温度和烟雾数据，同时将采集到的数据无线传输到协调器节点，通过协调器上的LCD进行数据的实时显示。

【关键词】ZigBee；火灾报警；CC2530；Z-Stack协议栈

0 引言

随着经济的发展，高层建筑以及大型综合性建筑日益增多，火灾隐患也随之增加，火灾发生的数量及其造成的损失都呈逐年上升趋势，火灾报警系统成为保障人生命财产安全的重要因素之一［1］。伴随着ZigBee技术的出现和发展，它使无线火灾报警系统成为了可能，基于无线网络化的火灾报警系统具有成本低、安装方便、稳定性高的特点。

ZigBee是一种基于IEEE 802.15.4无线标准研制开发的有关组网、安全和应用软件方面无线网络技术，具有近距离、低功耗、低速率、双向传输等特点，主要适合于承载数据流量小、数据传输速率低的业务，可嵌入各种设备中，能够实现对工业、家庭以及医学等各种重要场所的监控［2］。ZigBee网络主要由协调器、路由器和终端节点组成，可以实现星型、树型和网状型网络拓扑结构。

1 系统硬件设计

火灾报警由协调器，终端模块（终端节点）组成星型网络通信，在协调上直接利用LCD直接显示。协调器负责组建ZigBee网络，完成终端模块与上位机数据的透明传输；终端模块利用传感器负责采集、存储、上传数据。终端模块中多个传感器节点放置于不同的监测区域，每个传感器节点把数据传给协调器，把数据通过LCD显示给用户或通过串口传给上位机做进一步处理并显示给用户。

1.1 传感器节点和协调器设计

当物体燃烧时，必然会释放出一定的热量来，随着环境的温度也会在一定程度上升高，同时物体在进行初始的燃烧时，可燃气体就会逐渐的放出来，例如，一氧化碳、氢气和甲烷等。在本设计火灾报警中选用温度传感器DS18B20和烟雾传感器MQ-2来进行终端节点数据的采集。传感器节点由主控芯片CC2530，温度传感器DS18B20，烟雾传感器MQ-2，电源模块和其他外部设备组成，如图1所示，协调器节点主要由主控芯片CC2530，LCD液晶显示，报警指示灯合和其他设备组成，如图2所示。

图1 传感器节点设计

图2 协调器节点设计

1.2 烟雾传感器电路设计

烟雾传感器采用MQ-2型烟雾传感器具体电路图如图3所示：图4-3中VCC为5V电压，用来驱动MQ-2烟雾传感器，它的4和6引脚作为电压输出端，R1作为限流电阻，R2作为分压电阻，R6为滑动变阻器，通过它可以调节MQ-2烟雾传感器的灵敏度，LED为发光二极管起到指示作用，R6的输出端接LM393比较器的+引脚，MQ-2烟雾传感器的输出端接—引脚。如果+引脚的电压大于—引脚电压，则输出引脚输出高电平；反之，输出引脚输出低电平，LED指示灯会发光。在MQ-2烟雾传感器进入正常工作状态后，通过调节R6滑动变阻器，使LED发光二极管先亮然后再灭，就会达到一个相对灵敏的状态［3］。

图3 烟雾传感器电路图

1.3 温度传感器电路设计

温度传感器我们选择DALLAS（达拉斯）公司生产的单总线数字式的DS18B20。主要是因为它精度高，可达土0.5摄氏度，测温范围可达–55°C ～+125°C。除此之外，它具有超小的体积，超低的硬件开消，抗干扰能力强等优势。在硬件电路连接上其中引脚1为VDD接3.3V电源，引脚2为DQ，数据输入/输出引脚，与微处理器的I/O口相连，本系统中与CC2530的P0.6引脚相连，引脚3为GND接地。

2 系统软件设计

本系统所用的开发环境是IAR Embedded Workbench for 8051 8.10，采用的协议栈为TI的ZStack-2.3.0-1.4.0，系统的软件设计是在Z-Stack协议栈的基础上进行C语言的编程，主要包含协调器节点和传感器节点程序设计。协调器上电后组建网络，传感器节点自动发现并加入网络。协调器节点负责接收数据并且在LCD液晶显示屏上进行显示，传感器节点负责数据的采集和发送。

图4 DS18B20工作流程图

2.1 Zigbee网络拓扑结构

Zigbee网络节点软件系统采用的协议栈为TI的ZStack-2.3.0-1.4.0。通过更改协议栈的配置，可以把协议栈配置为协调器（Coordinator）、终端（Enddevice）。在各功能节点的协议栈程序设计时，该协议栈采用统一的编写方式，用宏定义语句：#def、#ifdef、#else等语句区别各功能节点在各协议层中的操作，这样的编写方式将协议栈看成一个整体，提高了协议栈的移植性。同时，本设计采用IAR Embedded Workbench V7.51 for 8051集成开发环境，该环境将工程管理器、编译器、8051C/C++编译器、8051汇编器、链接器、库管理工具和调试工具完全集成在一起，同时支持TI的CC2530 SoC ZigBee开发套件的USB接口，可通过嵌入SmartRF04 Flash Programmer软件将程序下载至CC2530芯片中［4］。本设计采用第一种星型网络。

2.2 DS18B20软件设计

传感器节点在设定好的采集周期内采集温度数据，其余时间处于低能耗状态，直到采集数据事件的触发。CC2530对DS18B20访问程序流程图如图4所示，主要包括初始化——处理器发送ROM指令——处理器发送操作存储器命令——读取温度数据——数据处理等过程［5］。

3 结束语

本文采用基于ZigBee标准的无线射频芯片CC2530为控制核心芯片，搭建了一个简易的无线火灾报警系统。系统程序在Z-Stack协议栈的基础上进行C语言的编程，通过设置任务、事件函数完成这一功能。实验表明，该火灾报警系统成本低，工作稳定，但是由于采用无线传输技术，通信中存在信息传输安全以及节点的处理能力较弱等缺点，在后续工作中将会做进一步的改进。

参考文献

［1］郑隆举，李慧芳，杜亚恒.火灾报警系统的发展与探析［J］.科技信息，2011（33）.

［2］庄严.ZigBee网络结构及协议分析［J］.电子技术与软件工程， 2014（09）.

［3］郑大忞.基于AT89S52的火灾报警系统设计［J］.信息系统工程，2015（09）.

［4］张开生，陈明泽.基于M2M技术的矿区环境监测平台研究［J］.工矿自动化，2013（01）.

［5］黄海军，黄金林，聂章龙，王宜怀.基于MC9S08GB60芯片的DS18B20测温系统设计［J］.江苏技术师范学院学报，2007（02）.