1、摘要I 摘要随着经济的发展，高层建筑、地下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，因此，火灾报警系统成为保障人生命财产安全的重要因素。而目前我国的火灾报警系统主要是总线型报警系统，由于外界环境因素的影响不可避免的会存在一定的误报率和漏报率，而且安装和维修成本很高。伴随着 ZigBee 技术的出现和发展，它使无线型火灾报警系统成为了可能，基于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 具有短时延和数据传输可靠的独特优势，它更适合于火灾报警系统中。本设计以 CC2530 为核心控制芯片，采用 Z-Stack 协议
2、栈作为协议平台，组成一个小型的 ZigBee 网络，系统由一个协调器设备和一个终端设备组成一个小型网络。终端设备作为传感器节点采集温度、烟雾数据，将终端设备放在室内的不同地方，将采集到的数据无线传输到协调器节点，通过串口将各个传感器节点的信息传输到上位机，上位机用 LabVIEW 软件编写，完成数据的显示和储存，基本上实现了家庭火灾报警系统所应有的功能。关键词 ZigBee；火灾报警；CC2530；Z-Stack 协议栈；LabVIEW燕山大学本科生毕业设计（论文）IIAbstractWith the development of economy, high-rise buildings, u
3、nderground structures and increasingly large comprehensive buildings, the fire hazard also will increase, the number of fires and the damage caused by rising trend year by year, as a result, fire alarm system become the important factor of people life and property security. And fire alarm system in
4、our country at present is mainly form alarm system, because of the influence of the external environment factors, there are inevitably some non-response rates and the rate of false positives, and installation and maintenance cost is very high. Accompanied by the emergence and development of ZigBee t
5、echnology, it makes no linear fire alarm system, fire alarm system based on network has characteristics of low cost, easy installation, high stability. ZigBee has the unique advantages of short time delay and data transmission is reliable, it is more suitable for fire alarm system. CC2530 this desig
6、n as the core control chip, using Z - Stack protocol Stack as deal platform, forming a small ZigBee network and system consists of a coordinator and a terminal equipment of a small network. Terminal equipment as the data collection temperature, smoke sensor node, terminal equipment in different part
7、s of the interior, the collected data wireless transmission to the coordinator node, through a serial port to transmit information of each sensor node to PC, PC written in LabVIEW software, complete the data display and storage, basically realized the function of fire alarm system of the family shou
8、ld have.Keywords ZigBee; Fire alarm; CC2530; Z - Stack protocol Stack; LabVIEW目录III 目录摘要 .IAbstract.II目录 .III第 1 章 绪论 .11.1 研究背景和意义 .11.2 火灾报警系统发展过程 .11.3 火灾报警系统国内外现状 .21.4 本文章节安排 .3第 2 章 ZigBee 技术概述 .52.1 ZigBee 技术的起源 .52.2 ZigBee 技术的特点 .52.3 ZigBee 协议规范 .72.4 ZigBee 技术的拓扑结构和设备类型 .112.5 本章小结 .13第 3
9、 章 总体设计方案 .143.1 火灾报警系统的功能 .143.2 火灾报警系统整体设计方案 .153.2.1 传感器节点设计 .163.2.2 协调器节点设计 .173.2.3 上位机系统设计 .183.3 本章小结 .18第 4 章 系统硬件设计及分析 .194.1 烟雾传感器电路设计 .194.2 温度传感器电路设计 .214.3 CC2530 最简系统设计 .224.3.1 CPU 和内存 .244.3.2 外设，时钟和电源管理相关模块 .24燕山大学本科生毕业设计（论文）IV4.3.3 无线设备 .244.3.4 CC2530 最简系统 .254.4 电源供电电路 .264.5 串口
10、通信电路 .264.6 本章小结 .27第 5 章 系统软件设计及分析 .285.1 Z-Stack 协议栈介绍 .285.2 IAR 软件操作 .305.3 协调器节点软件设计 .325.4 传感器节点软件设计 .345.5 DS18B20 软件设计 .355.6 串口软件设计 .365.7 本章小结 .37第 6 章 上位机软件设计 .386.1 LabVIEW 概述 .386.2 LabVIEW 程序设计 .386.2.1 数据采集及报警 .396.2.2 数据存储和回放 .406.2.3 紧急疏散按钮设计 .416.3 本章小结 .41结论 .42参考文献 .43致谢 .45附录 1
11、开题报告附录 2 文献综述附录 3 中期报告附录 4 外文翻译附录 5 外文文献第 1 章 绪论1 第 1 章 绪论1.1 研究背景和意义火灾是指在时间和空间上失去控制的燃烧所造成的灾害。在各种各样的灾害中，火灾已成为我国常发性、破坏性和影响力最强的灾害之一，据权威的统计部门统计，中国因火灾造成的经济损失，在 20 世纪 60 年代年均值近 1.4 亿元，70 年代年均值为 2.4 亿元，80 年代年均值近 3.2 亿元。90 年代后，随着经济的迅速发展，火灾造成的损失也迅速上升，已达到年损失近 10.2 亿元。21 世纪，随着高层建筑、地下建筑以及大型综合性建筑日益增多，火灾隐患也随之增加，
12、火灾发生的数量及其造成的损失更是惊人，前 5 年的年均火灾损失达 15.4 亿元，是 20 世纪 80 年代年均损失的4.8 倍。2011 年全国发生火灾 13.2 万起(不含森林、草原、矿井、军队等)，直接经济损失 17.7 亿元，2012 年因火灾造成的经济损失 18.8 亿元 1-2。因此，火灾报警系统成为保护人的生命和财产安全的重要措施。所以，在这样的情况下，有效的火灾报警技术和火灾报警系统，使我们可以及时发现火灾，并采取措施，尽量使损失降到最低。随着人们需求的提高和现代化科学技术、电子技术、智能化技术的发展，其技术水平也在不断的提高。1.2 火灾报警系统发展过程从火灾报警系统的发展过
13、程来看，大致可以分成三个阶段：多线型火灾报警系统，总线型火灾报警系统和无线型火灾报警系统 3-4。多线型报警系统由于电路复杂、布线多、可靠性差、误报率高，已经逐渐被总线型报警系统取代，这种自动报警系统己采用微处理器控制，其线制一般有四线制、三线制、二线制，探测器和模块均采用地址编码形式，通过总线与控制器实现信号传送，它同以前的产品相比有了很大的飞跃，布线工作显著减少，安装调试变得容易，降低了安装和维修费用，因而得到了较普遍的应用。目前国内生产的火灾自动报警系统大多数为此类产品 5-6。但随着社会的发展，这一系统已逐渐暴露出它的问题。由于采用了有燕山大学本科生毕业设计（论文）2线连接，线路容易老
14、化或遭到腐蚀、磨损，系统耗材多、造价高、功耗大、扩展能力差、设计、施工与维护复杂。再如在一些工业现场，一些工业环境禁止或限制使用电缆，而在其他一些工业环境要求完全把电缆屏蔽起来以高度防止来自大多数工业设施中的机器或其他无线电控制设备的干扰，这种传统的总线型检测系统很大程度上影响系统的处理速度和系统的可靠性、灵活性，在火灾发生前后不能有效地发挥其作用。鉴于这种情况，火灾报警系统趋于无线检测方式，用分布式的无线技术来代替传统的集中的有线技术，实现传感器与数据监控系统之间的直接通讯。无线传感网络的出现和发展为这一问题提供了新的解决途径。目前，国内有人尝试用蓝牙和 Wi-Fi 技术组建无线火灾报警系统
15、，但结果都不理想。由于火灾报警系统的性能直接关系到人类的生命和财产安全，因此对火灾报警系统有一些严格的要求 7。根据国家相关标准，火灾报警网络应具有故障修复功能以保证网络正常运行。除了要求系统具有较好的可靠性，稳定性和实时性外，我们还希望火灾报警器的成本较低，方便我们大规模地在楼宇内布置节点。此外系统应做到尽可能的节能，以便系统长时间运行，避免频繁更换电池给用户带来的麻烦。在选择组建无线火灾报警网络的无线技术时，必须考虑到火灾报警系统的这些需求。而蓝牙技术相对传输距离太短，Wi-Fi 技术消耗的功率很大，都不适用于火灾报警。而 ZigBee 技术有能力解决现行系统中的这些问题：ZigBee 具
16、有短时延，自组网，网络自愈能力强，低功耗，低成本等特点，在避免干扰方面ZigBee 采用直接序列扩频技术保证信号在 2.4GHz 这个公共频段的正确传输，具有安全性和可靠性 8 。1.3 火灾报警系统国内外现状世界上的一些较发达的国家，像德国、日本、美国、加拿大，他们具有非常完善和成熟的消防组织体系，包括火灾的预防、报警以及善后处理等 9。这些国家进行了非常有益的尝试，在公共报警研究工作中引入火灾的自动报警，然后对火灾报警以及相关方面的监控系统进行整合，做到了统第 1 章 绪论3 一管理，这样给消防部门开展工作带来了很大便利，消防工作人员可以快速并十分准确地判断火灾现场，从而可以有效的进行火灾
17、处理工作 10-11。国际上许多著名的大学和公司纷纷从不同的层次、不同的角度对无线传感网络进行了研究和开发。这些无线火灾报警系统一般采用专用网络实现，主要侧重于专业的火灾报警场合或是作为楼宇自控系统的附属子系统，不符合我国有关火灾报警必须自成系统的设计原则，因此国外目前的无线火灾自动报警系统在我国消防领域的应用受到了限制。我国在火灾报警系统发展方面滞后于国外，早期主要是模仿国外产品，或是引进国外成熟的生产技术，没有自己的真正意义上的核心技术。90 年代以后，国外企业开始大量入驻中国消防市场，中国的火灾报警企业开始大量出现，部分企业通过与外商合资或者技术合作，壮大自己的实力，后来逐渐成为中国市场
18、上有竞争力的厂家。在我国，采用无线通信方式的火灾自动报警系统也日益受到重视，由于其安装方便、灵活性好及易于扩展等性能，可以适用于很多公共场所，是现代火灾自动报警发展的方向。现在我国的报警系统在借鉴外国先进技术的基础上，同时积极利用新技术及新材料改进系统性能，使无线火灾报警器向着低误报、高可靠、无线网络化、多功能化、自动化和智能化的方向发展。随着 ZigBee 技术逐步成熟，国内多家单位已将基于 ZigBee 的无线传感器网络应用于环境监测、煤矿安全、远程抄表、智能家居等领域，从理论和实践上获得了突破，火灾报警系统无线化的时代即将到来 12。1.4 本 文章节安排本文首先介绍了火灾报警系统的研究
19、背景、发展过程及国内外现状。其次，详细介绍了本文所采用的 ZigBee 无线网络，并设计出一个完整的系统将该无线网络应用于火灾报警定位中。对于该系统的硬件结构及软件设计本文也做了详细的描述。本论文共包含六章，每一章的内容安排如下：第 1 章为绪论，对火灾报警系统的研究背景和意义、发展过程及目前的国内外研究状态进行了简单的描述。此外，也对 ZigBee 应用于火灾报警燕山大学本科生毕业设计（论文）4系统的优势做了简单概括。第 2 章介绍了 ZigBee 技术的起源和 ZigBee 技术的特点。对于 ZigBee的协议规、拓扑结构和设备类型，本章也有详细描述。第 3 章介绍了本文所设计的基于 Zi
20、gBee 的火灾报警系统的总体设计思路。对该系统实现的功能，及实现该系统的方案选择、硬件结构和软件平台的选择，本章都进行了详细说明。第 4 章为本文所设计的火灾监测系统的硬件部分的介绍。首先，对该系统所采用的传感器做了详细介绍。然后，对新一代的 SOC 芯片 CC2530的特点、性能进行简单描述，对硬件系统中的供电电路的设计、串口通信电路的设计进行了详细介绍。第 5 章为本文所设计的火灾报警系统的软件部分的介绍。本章首先对系统的开发环境及软件做了简单介绍。然后分别进行了协调器节点软件设计、传感器节点软件设计、DS18b20 软件设计及串口的设计做了详细介绍。第 6 章为上位机系统的设计，通过
21、LabVIEW 软件设计了良好的人机界面，可以实现火灾报警系统对数据的监控、储存及报警的功能，使本系统更加完善。第 7 章为工作总结。在总结本文所做工作的基础上，分析了 ZigBee 技术在火灾报警中一些需要改进的地方。第 2 章 ZigBee 技术概述5 第 2 章 ZigBee 技术概述2.1 ZigBee 技术的起源ZigBee 技术是近距离无线通信技术之一，它们分别是无线局域网(Wi-Fi)、超宽带通信(UWB)、近场通信(NFC)、蓝牙(Bluetooth)、红外线数据通信 IrDA、ZigBee 13。目前短距离无线通信技术已成为无线通信技术的一个重要分支，这是因为在现实生活中，存
22、在着许多这样的应用情况，系统所传输的数据通常为小量的突发信号，即数据特征为数据量小，要求进行实时传送，如传统的无线技术，虽然满足上述要求，但是存在着设备的成本高、体积大和能量消耗大等问题，针对这样的应用场合，人们希望利用具有成本低、体积小、能量消耗小和传输速率低的短距离无线通信技术。ZigBee 技术的命名主要来自于人们对蜜蜂采蜜过程的观察，蜜蜂在采蜜的过程中，跳着优美的舞蹈，形成 ZigZag 的形状，以此来相互交流信息，以便获取共享食物源方向、距离和位置等信息。又因为蜜蜂自身体积小，所需的能量少，又能传送所采集的花粉，因此，人们用 ZigBee 技术来代表具有成本低、体积小、能量消耗小和传
23、输速率低的无线通信技术。ZigBee的中文译名通常为“智蜂” 、 “紫风”等 14。2.2 ZigBee 技术的特点ZigBee 是一种新兴的短距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术。通俗来说 ZigBee 技术就是一种提供控制或传感器等电子元器件之间无线连接的无线通信技术。其主要特点是低功耗、成本低、低速率、近距离、短时延、高容量、免执照频段及高安全性 15。主要用于近距离无线连接，它依据 IEEE 802.15.4 标准，在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信 16。1、低功耗ZigBee 技术为低功耗设备，其发射输出为 03.6dBm，通信距离为1075m，具体数值取
24、决于射频环境以及特定应用条件下的输出功耗，具有能量检测和链路质量指示能力，根据这些检测结果，设备可自动调整设备燕山大学本科生毕业设计（论文）6的发射功率，在保证通信链路质量的条件下，最小地消耗设备能量。2、低成本ZigBee 技术具有低成本特点，通过大幅简化协议(不到蓝牙的 1/10)，降低了对通信控制器的要求，按预测分析，以 8051 的 8 位微控制器测算，全功能的主节点需要 32kB 代码，子功能节点少至 4kB 代码，而且 ZigBee免协议专利费。每块芯片的价格大约为 2 美元。 3、低速率在 2.4GHz 频段上，分为 16 个信道，数据传输速率为 250kps；另外两个频段为 9
25、15/868MHz，其相应的信道个数为 10 个信道和 1 个信道，传输速率分别为 40kps 和 20kps，专注于低传输应用。4、免执照频段根据 IEEE805.15.4 标准协议，ZigBee 的工作频段分为 3 个频段，这三个工作频段相距较大，而且在各个频段上信道数目不同，因而，在该项技术标准中，各频段的调制方式和传输速率不同 17。它们分别为868MHz、915MHz 和 2.4GHz 频段上，该频段为全球通用的工业、科学、医学(ISM ：Industrial,Scientific and Medical)频段，该频段为免付费、免申请的无线电频段。5、短时延ZigBee 的响应速度较快，一般从睡眠转入工作状态只需 15ms，节点连接进入网络只需 30ms，进一步节省了电能。相比较，蓝牙需要310s、 Wi-Fi 需要 3s。 6、高容量在组网性能上，ZigBee 设备科构造为星型网络或者点对点网络，在每一个 ZigBee 组成的无线网络内，连接的地址码分为 16bit 短地址或者 64bit长地址，可容纳的最大设备个数分别为 216 个和 264 个，具有较大的组网容量。7、可靠性和安全性在无线通信技术上，采用免冲突多载波信道接入(CSMA/CA)方式，有效地避免了无线电载波之间的冲突，此外，为保证传输数据的可靠性，建
