摘  要： 結(jié)合校園防火報(bào)警需要，設(shè)計(jì)了基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線校園防火報(bào)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)以意法半導(dǎo)體公司推出的STM32系列ARM控制器、TI公司的CC2420無(wú)線射頻芯片為核心，對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的終端節(jié)點(diǎn)、路由器節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的硬件和軟件進(jìn)行了模塊化設(shè)計(jì)。傳感器節(jié)點(diǎn)以溫度、煙霧和CO濃度為實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)對(duì)象，判斷是否有火災(zāi)隱患，從而實(shí)現(xiàn)校園防火報(bào)警系統(tǒng)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)化。
關(guān)鍵詞： STM32；ZigBee；無(wú)線；火災(zāi)報(bào)警

　目前校園安防監(jiān)控系統(tǒng)大多是基于有線通信，這就使得一些不便于布線的區(qū)域成為了安防監(jiān)控的盲區(qū)，而有線連接方式可擴(kuò)展性較差，維護(hù)困難，相對(duì)成本較高。
    基于上述原因，本文提出了基于新一代STM32嵌入式微處理器和ZigBee技術(shù)的無(wú)線智能型校園安防監(jiān)控系統(tǒng)。利用ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，配合各種傳感器的使用，可以對(duì)校園實(shí)行全方位、多角度實(shí)時(shí)監(jiān)控。當(dāng)校園內(nèi)有火災(zāi)等安全事故發(fā)生時(shí)，便可以快速通知管理人員及時(shí)進(jìn)行處理，從而極大地保證了學(xué)校師生的生命財(cái)產(chǎn)安全。
1 系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)
    本監(jiān)控系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)數(shù)量有限，節(jié)點(diǎn)位置較為固定，采用樹(shù)形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹Ｕ麄€(gè)網(wǎng)絡(luò)由三部分組成，包括ZigBee終端設(shè)備、路由器、網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，ZigBee終端設(shè)備負(fù)責(zé)收集探測(cè)器探測(cè)到的報(bào)警信息，并將報(bào)警信息以ZigBee無(wú)線通信方式發(fā)送到終端設(shè)備的路由器(即父設(shè)備)，再由路由器轉(zhuǎn)發(fā)到網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。基于ZigBee技術(shù)的智能型火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)提高了管理系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的可靠性，對(duì)每個(gè)終端節(jié)點(diǎn)所監(jiān)控的區(qū)域內(nèi)發(fā)生的火災(zāi)險(xiǎn)情能及時(shí)判斷并通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通知管理人員。系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1所示。

2 無(wú)線火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)
2.1 微處理器（MCU）控制模塊
    在本系統(tǒng)中，采用意法半導(dǎo)體公司(ST)推出的STM32系列微控制芯片STM32F103R8為主控制器。STM32系列32 bit閃存微控制器使用ARM公司專為嵌入式領(lǐng)域開(kāi)發(fā)的具有突破性的Cortex-M3內(nèi)核。該內(nèi)核專為滿足集高性能、低功耗、實(shí)時(shí)應(yīng)用于一體的嵌入式領(lǐng)域的要求而設(shè)計(jì)，具有高性能、低功耗、實(shí)時(shí)性等特點(diǎn)。STM32提供睡眠、停機(jī)和待機(jī)三種低功耗省電模式和靈活的時(shí)鐘控制機(jī)制，用戶可根據(jù)自己的需求合理地優(yōu)化耗電和性能要求。STM32F103R8屬于增強(qiáng)型系列芯片，主頻率為72 MHz，高達(dá)90 DMIPS，1.25 DMIPS/MHz，內(nèi)置128 KB高速閃存程序存儲(chǔ)器和20 KB的SRAM，通過(guò)APB總線連接豐富和增強(qiáng)的外設(shè)以及多達(dá)80個(gè)的高速I(mǎi)/O口。
2.2 ZigBee無(wú)線射頻傳輸模塊
    CC2420是Chipcon公司推出的第一款真正意義上符合2.4 GHz IEEE802.15.4協(xié)議規(guī)范，廣泛應(yīng)用于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的低功耗、低電壓的射頻收發(fā)芯片，只需極少外部元器件，性能穩(wěn)定且功耗極低。CC2420的選擇性和敏感性指數(shù)超過(guò)了IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的要求，可確保短距離通信的有效性和可靠性。CC2420為工作于2.4 GHz免授權(quán)頻段的無(wú)線通信提供了一個(gè)低成本的完整解決方案。
    無(wú)線射頻模塊以射頻模式接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。CC2420通過(guò)SPI接口與主微控制器（MCU）交換數(shù)據(jù)、發(fā)送命令等通信， 由于STM32F103系列芯片一般都集成了SPI控制器，因此CC2420射頻模塊可以很方便地通過(guò)SPI總線接口與處理器STM32直接連接并進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。
    CC2420與微處理器STM32F103R8的接口連接如圖2所示，CC2420通過(guò)SPI 4條線接口（CSn、SI、SO、SCK）直接連接到STM32F103R8的４個(gè)SPI通信接口，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)通信；另外，還有SFD、FIFO、FIFOP和CCA 4個(gè)引腳與微處理器STM32F103R8連接，負(fù)責(zé)表示收發(fā)數(shù)據(jù)的狀態(tài)。在這種連接方式中，STM32工作在SPI主模式下；而CC2420射頻模塊工作在子模式下，由處理器STM32控制進(jìn)行有效的數(shù)據(jù)收發(fā)工作。

2.3 傳感器模塊
    隨著微處理器技術(shù)、傳感器技術(shù)和信號(hào)處理技術(shù)的快速發(fā)展，火災(zāi)自動(dòng)探測(cè)技術(shù)已從單一傳感器探測(cè)向著多傳感器融合的方向發(fā)展，火災(zāi)探測(cè)預(yù)警的可靠性也隨之大幅度提高。目前多傳感器融合火災(zāi)探測(cè)技術(shù)主要選用光電感煙、感溫和感CO傳感器組合形式。采用多傳感器的優(yōu)點(diǎn)在于使探測(cè)器能夠提高對(duì)火災(zāi)特征信號(hào)響應(yīng)的靈敏度和均衡度，進(jìn)而提高探測(cè)的質(zhì)量和可靠性。
    在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，也采用了三層多傳感器復(fù)合探測(cè)方案，選用煙霧傳感器、CO濃度傳感器和溫度傳感器，將煙霧濃度、CO濃度和溫度作為火災(zāi)探測(cè)信號(hào)。
    考慮到一般的煙霧傳感器價(jià)格相對(duì)較高，這里使用的煙霧傳感器由價(jià)格低廉的OP231、OP801SL紅外發(fā)射、接收光電二極管組成，按照75 ℃安裝在內(nèi)壁為黑色粗糙面的迷宮型集煙盒內(nèi)，利用火災(zāi)發(fā)生時(shí)產(chǎn)生的煙霧微粒對(duì)光的散射作用，在一定的煙霧濃度范圍內(nèi)，散射光的強(qiáng)度與煙霧的濃度成比例，而這種漫散射的光將使光電二極管的阻抗發(fā)生變化，這樣便可以將煙霧信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，以供傳感器節(jié)點(diǎn)采集。DS18B20采用1-Wire總線協(xié)議方式，在-55～+125 ℃時(shí)的測(cè)量精度為±0.5 ℃，測(cè)量結(jié)果可選用11 bit串行數(shù)據(jù)輸出。而CO傳感器選擇TGS系列半導(dǎo)體式氣體傳感器TGS2442，其特點(diǎn)是低功耗、對(duì)CO的靈敏度高、壽命長(zhǎng)、成本低、對(duì)濕度的依賴性低、工作于極短的脈沖加熱方式。
2.4 ZigBee節(jié)點(diǎn)硬件總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
    結(jié)合本火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)中數(shù)據(jù)融合技術(shù)對(duì)ZigBee節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)處理能力和內(nèi)存的要求，本設(shè)計(jì)采用基于意法半導(dǎo)體公司(ST)推出的STM32系列微控制芯片STM32F103+CC2420的方案。
    系統(tǒng)中有ZigBee終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)、ZigBee路由器節(jié)點(diǎn)和ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)三種節(jié)點(diǎn)。從硬件角度看，三者的核心部件都是STM32F103+CC2420、天線、電源，這也是ZigBee設(shè)備可以工作的最簡(jiǎn)系統(tǒng)。基于其硬件結(jié)構(gòu)上的異同點(diǎn)，在設(shè)計(jì)和組裝時(shí)根據(jù)不同的節(jié)點(diǎn)用途對(duì)部分單元電路作相應(yīng)取舍。例如路由器節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)采用電池供電方式，并且不必有串口擴(kuò)展電路； 而協(xié)調(diào)器采用交流電源供電方式，不必有傳感器單片機(jī)（無(wú)需采集數(shù)據(jù)），但必須有串口擴(kuò)展電路以實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)通信。
    除此以外，協(xié)調(diào)器還有與火災(zāi)報(bào)警控制器通信用的串口及作實(shí)時(shí)顯示之用的LCD;路由器還有顯示狀態(tài)用的指示燈;終端傳感器節(jié)點(diǎn)有顯示節(jié)點(diǎn)狀態(tài)用的狀態(tài)指示燈以及溫度傳感器。二者電路均不復(fù)雜，都是基本系統(tǒng)加上少量外圍擴(kuò)展電路。為了節(jié)約成本，只制作一種集成了所有的外圍電路的電路板，留出所需外擴(kuò)電路接口，這樣便可在制作正式產(chǎn)品時(shí)外接使用所需的不同外圍電路。本系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的ZigBee節(jié)點(diǎn)硬件總體架構(gòu)如圖3所示。

3 系統(tǒng)軟件總體設(shè)計(jì)
3.1 ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

    本系統(tǒng)所用的開(kāi)發(fā)環(huán)境是IAR7.20 ，移植了TI公司的Z-Stack協(xié)議棧。Z-Stack可以通過(guò)IAR開(kāi)發(fā)環(huán)境進(jìn)行編譯下載。
    校園火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)終端節(jié)點(diǎn)的軟件流程如圖4（a）所示。終端節(jié)點(diǎn)主要實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的融合處理后，便向上發(fā)送至其父節(jié)點(diǎn)，最終數(shù)據(jù)會(huì)匯聚到協(xié)調(diào)器。同時(shí)終端節(jié)點(diǎn)也會(huì)接收協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的監(jiān)控命令:例如開(kāi)始采集數(shù)據(jù)或停止、更新數(shù)據(jù)采集周期等。由于終端節(jié)點(diǎn)能量受限，所以采用輪詢的工作方式，每N秒輪詢一次，每M秒采集一次數(shù)據(jù)，其余時(shí)間則處于休眠狀態(tài)。

    路由器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)可以看做是在終端節(jié)點(diǎn)的功能基礎(chǔ)上再加上路由功能。由于相鄰節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)具有很強(qiáng)的相似性，路由器節(jié)點(diǎn)往往還需要做簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)融合，以降低發(fā)往協(xié)調(diào)器的數(shù)據(jù)量。其軟件流程如圖4（b）所示。
    協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的處理能力、存儲(chǔ)能力和通信能力相對(duì)較強(qiáng)，主要功能是對(duì)ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)子節(jié)點(diǎn)進(jìn)行管理，將上位機(jī)監(jiān)控中心下達(dá)的監(jiān)控信息通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到需要測(cè)控的子節(jié)點(diǎn)，同時(shí)接收各個(gè)子節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的狀態(tài)、采集數(shù)據(jù)等信息，將數(shù)據(jù)在LCD上顯示，并通過(guò)串口上傳至監(jiān)控中心主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和保存。
3.2 系統(tǒng)上位機(jī)監(jiān)控中心應(yīng)用軟件
    系統(tǒng)上位機(jī)軟件采用先進(jìn)的虛擬儀器技術(shù)LabVIEW軟件設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的可視化報(bào)警監(jiān)控操作界面，實(shí)現(xiàn)了在線動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集、分析、存儲(chǔ)以及實(shí)時(shí)顯示等功能,界面優(yōu)美，操作簡(jiǎn)單，使用方便。系統(tǒng)主要由上/下位機(jī)通信模塊、火警信息處理模塊、傳感器節(jié)點(diǎn)查詢/管理模塊、操作人員系統(tǒng)控制管理模塊、歷史數(shù)據(jù)查詢模塊等構(gòu)成，其功能框圖如圖5所示。

    綜上所述，本系統(tǒng)采用ST公司推出的新一代基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的STM32系列處理器作為主控制器（MCU），同時(shí)在原有有線監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，引入了ZigBee無(wú)線傳感組網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了校園火災(zāi)事故的無(wú)線實(shí)時(shí)監(jiān)控。相比傳統(tǒng)的有線傳感器火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)，本文設(shè)計(jì)的基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)克服了有線傳感器網(wǎng)絡(luò)的局限性，既避免了其他無(wú)線通信技術(shù)的高功耗的缺點(diǎn)，同時(shí)也降低了系統(tǒng)布線成本、安裝和維護(hù)難度，具有廣泛的前景和推廣價(jià)值 ，可廣泛應(yīng)用于校園、醫(yī)院等場(chǎng)所的火災(zāi)監(jiān)控報(bào)警中。
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