基于ZigBee的无线火灾探测器网络设计

物联网技术与应用课程结课论文单位（学院）：学生姓名：专业：学号：指导教师：设计时间：年月物联网技术与应用课程结课论文题目：基于ZigBee的无线火灾探测器网络设计摘要本文以学生所在实验室目前所做的项目基于ZigBee的无线火灾探测器网络设计为基础，给出了一种基于ZigBee的无线火灾探测器网络的实现方案。从硬件和软件两个方面讨论了系统的设计方案。硬件设计部分说明了硬件模块的原理和实现方案，并对射频PCB板的设计要点进行了讨论。软件方面对ZigBee协议栈和集成开发环境进行了介绍，并设计了用于火灾探测的ZigBee设备协定（Profile）。另外软件方面还讨论了ZigBee协议栈所使用的基于OSAL的多任务操作系统，及其软件设计。是物联网发展环节中一个比较典型的应用。关键词：ZigBee，火灾探测，射频PCB，单片机，无线传感器网络前言目前，有线火灾自动报警系统在技术上已经相当成熟。他们主要采用两条或多条的铜芯绝缘导线或铜芯电缆穿管后与控制器相接。但是由于采用了有线连接，线路容易老化或遭到腐蚀、鼠咬、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。解决这些问题的最佳方法就是取消硬线连接，使用可以即插即用的无线系统。事实上除了解决以上提到问题以外，在临时建筑、复杂结构建筑、文物保护单位、展览馆、高级写字楼，大空间建筑等许多不便于消防系统布线的场所，也一直存在着对无线火灾探测系统的迫切需求。可惜长久以来无线系统一直背负着价格昂贵、电池续航能力不足、连接不稳定等恶名。不过近年来，随着无线通信、微机电系统（MicroElectroMechanicalSystems，MEMS）等技术的日益成熟和完善，我们已经有能力制造出价格合理、续航能力强、连接稳定，即插即用的无线火灾自动报警系统。综合上述的分析，市场对于无线的火灾探测系统一直存在着需求，而且随着经济的发展，这种需求日益强烈。因此我们有必要开发一套无线火灾探测器系统。对于系统采用什么样的无线通信协议问题。ZigBee作为一种低功耗、低成本、高可靠性的无线通信协议，是非常理想的选择。而近年来各国学术界在无线传感器理论研究和实践中所积累的理论和经验，为我们搭建基于ZigBee的无线火灾探测器网络提供了重要的技术支撑。一、ZigBee技术和协议规范1.1ZigBee技术的产生和特点ZigBee技术是一种面向自动化和无线控制的低速率、低功耗、价格便宜的无线网络方案。ZigBee的的通信速率要求低于蓝牙，由电池供电设备提供无线通信功能，并希望在更换电池并且不充电的情况下正常工作几个月甚至几年。ZigBee支持mesh型网络拓扑结构，网络规模可以比蓝牙设备大的多。ZigBee无线设备工作在公共频段上（全球2.4GHz，美国915MHz，欧洲868MHz），传输距离为10~75米，具体数值取决于射频环境以及特定应用条件下的输出功耗。ZigBee的通信速率在2.4GHz时为250kps，在915MHz时为40kps，在868MHz时为20kps。如前所述ZigBee设备具：低功耗，高可靠性，低成本，低时延，网络容量大，以及高安全性等优秀特点。和其他无线通信协议相比，ZigBee在工业控制领域具有无可比拟的优势。他在带宽、传输距离、功耗以及成本之间取得了比较好的平衡。因此我们选用ZigBee作为无线火灾探测器网络的无线通信协议。1.2ZigBee协议规范完整的ZigBee协议栈自上而下由应用层、应用汇聚层、网络层、数据链路层和物理层组成，如图2.1所示。图2.1ZigBee协议栈组成应用层定义了各种类型的应用业务，是协议栈的最上层用户。应用汇聚层负责把不同的应用映射到ZigBee网络层上，包括安全与鉴权、多个业务数据流的汇聚、设备发现和业务发现。网络层的功能包括拓扑管理、MAC管理、路由管理和安全管理。数据链路层又可分为逻辑链路控制子层（LLC）和介质访问控制子层（MAC）。IEEE802.15.4的LLC子层与IEEE802.2的相同，其功能包括传输可靠性保障、数据包的分段与重组、数据包的顺序传输。IEEE802.15.4MAC子层通过SSCS（Service-SpecificConvergenceSublayer）协议能支持多种LLC标准，其功能包括设备间无线链路的建立、维护和拆除，确认模式的帧传送与接收，信道接入控制、帧校验、预留时隙管理和广播信息管理。物理层采用DSSS（DirectSequenceSpreadSpectrum，直接序列扩频）技术，定义了3种流量等级：当频率采用2.4GHz时，使用16信道，能够提供250kbit／s的传输速率；当采用915MHz时，使用10信道，能够提供40kbit／s的传输速率；当采用868MHz时，使用单信道，能够提供20kbit／s的传输速率。1.3ZigBee应用系统开发以下是开发一种基于ZigBee产品所经历的几个步骤和必备的条件。申请OUI，每个通过认证的ZigBee设备都有一个由IEEE分配、也是全球唯一的24位制造商特定组织识别符。根据各地公共频段和数据率选择合适的频段。选择一种MCU和支持ZigBee规范的RFIC的组合，或者选择一种单芯片，如德州仪器的cc2430、cc2431。在ZigBee协议栈的基础之上开发应用层代码、进行无线射频认证、进行ZigBee认证。二、系统总体方案设计我们基于ZigBee技术设计一个能够应用于火灾报警系统的用于感知较大范围内不同位置温度的无线火灾探测器网络，通过监测温度感知火警警情。火灾探测器网络协调器节点（1个）、路由器节点（多个）和无线探测节点（多个）组成。该系统可以作为现有火警控制系统中有线探测器回路的补充或者替代品。其主要功能和技术指标主要是参照但不完全遵循现有的关于火灾控制系统的国家标准。以下我们首先分析该系统的工作环境，然后结合绪论中队现有火灾报警控制系统的分析，提出该系统的基本功能和技术指标。2.1系统基本功能根据前面的分析，结合现有火灾自动报警系统的特点，基于ZigBee的无线火灾探测器网络应该具备以下功能：(1)节点登记和网络拓扑管理:初始化探测器网络，对节点的加入和退出进行管理，对新加入节点进行地理信息的关联。(2)网络实时故障监测:协调器能够实时监视网络中各节点的工作状态，保证网络可靠性，并周期性的向火警控制器报告网络的状况，有故障报故障，无故障报正常。在自检过程中进行数据融和，减少协调器、控制器之间的通信。(3)火灾报警和联动:当探测区域发生警情时，能够及时将预警、火警信号报告给火警控制器，并在火警控制器的指挥下设置相应状态或者进行联动。2.2系统设计本方案中，火灾报警控制器利用PC机来模拟。协调器和PC机之间通过串口连接。协调器不但需要负责网络初始化和管理网络拓扑，还必须具有类似回路控制器的网络节点控制功能和网络数据融合功能。协调器建立网络后，其他结点便加入进来，报告自身信息，并主动向控制器登记，我们便手动控制新进结点与地理信息的关联。初始化过程完成后结点开始进行自检。节点每个周期向控制器汇报自身状态（正常或某种错误）。控制器每个周期对列表中的节点进行点名，并且提取可能存在的节点错误信息，在控制器端显示出来。三次点名未到者，说明发生了通信错误，同样也在控制器端显示。当控制器收到RFD的报警信息后，在控制器端要显示所收到的火警状态，并发送相应的控制命令Command，要求RFD做点灯或其他的动作以报警。若RFD未收到处理命令Command，则重发该命令。经过几次重发请求若RFD还是收不到处理命令，则报回路故障。命令发送成功后过一段时间要发送解除火警Command。我们建立了状态表来保存节点的状态和处理命令，且该状态表的设置为静态数组，对于查表等之类的操作效率比较高。对于自检我们也设置了同样的自检状态表，保存结点的通信状态。节点登陆时并没有GeoAddress（地理信息），因此控制器收到的的其状态信息（LOGIN）并不能存入状态表中其GeoAddress对应的项。由于登陆之前节点的GeoAddress初始值为0，故状态消息以及节点的NetworkAddr被协调器保存在状态数组的0号单元。在一个节点登陆过程中，若有另外一个节点也发送登陆状态给协调器时，由于其状态优先级相同，协调器不作处理。当协调器收到控制器发送的GeoAddress后，即将暂存在状态表中0号单元的信息转到GeoAddress对应的单元中，并将GeoAddress回传给相应节点。待收到节点成功接受GeoAddress的ACK后，将0号单元的状态项Status设置为Wait_Status_change（状态优先级低于LOGIN），便于下一节点的登陆。控制器向RFD发命令的过程我们建立了任务索引表和任务超时表，分析任务表中消息的类型并向RFD发送相应命令字控制结点动作，若一次发送不成功则操作任务超时表重发该任务。系统的总体交互图如图2.1所示：图2.1系统总体交互图三、系统硬件设计与实施方案系统中有三种节点，协调器、路由器和探测器节点。从硬件角度看，三者的核心部件都是cc2430、天线、电源，这也是ZigBee设备可以工作的最简系统。除此以外，协调器还有与火灾报警控制器通信用的串口；路由器还有显示状态用的指示灯；探测器节点有显示状体用的指示灯以及温度探头。三者电路均不复杂，都是最简系统加上少量外围电路。因此为了节省制版开支，只制作一种电路板，集成所有的外围电路。只是在制作产品时选择使用不同的外围电路即可。现在的ZigBee芯片包括单芯片和ZigBee射频芯片两种芯片厂商提供的主力ZigBee射频芯片在性能上大同小异。比较流行的freescale的mc13192和chipcon的cc2420以及Ember公司的芯片，它们在性能上基本相同，都支持IEEE802.15.4协议。射频芯片通过SPI接口与MCU相连，由MCU进行控制。所谓单芯片，就是一个芯片上集成了ZigBee射频部分和MCU。以chipcon公司的cc2430为例，他将cc2420芯片与一个51单片机集成在同一篇芯片上，其体积与一个cc2420芯片差不多。从应软件开发的角度来看，选择cc2430或者选择cc2420外加一个带有SPI接口的单片机，软件设计是没有太大区别的，尤其是MAC层以上是完全相同的。但从硬件开发的角度来看，单芯片方案却比双芯片方便很多。在双芯片方案中，MCU和射频芯片之间用SPI接口相连，增加的布线的复杂性。而在高速PCB设计上，任何额外的布线和芯片数目的增加，都会对系统的正常工作产生影响，必须谨慎地选择芯片布置的位置和走线。因此增加了PCB设计和调试的复杂性。从成本上看cc2430和cc2420价格接近，但使用cc2420时需外加一个单片机，增加了系统的成本。因此综合考虑，cc2430的单芯片解决方案是更好的选择。无线火灾探测器网络节点的硬件设计框图如图3.1所示。图3.1节点硬件示意图四、系统软件实施方案4.1ZigBee协议栈的选择开发一套ZigBee设备的软件，首先就要开发一套支持ZigBee协议的协议栈。开发一套ZigBee协议栈是比较复杂的。市场竞争激烈的今天如果要求每个设备开发商都从物理层开始开发自己的协议栈，那样既不经济又不现实。除了研发周期的大大延长和大量用于底层的重复开发外，不同开发商开发的协议栈之间的兼容性可能存在很大的问题。而ZigBee联盟成立的初衷之一就是推动ZigBee设备的标准化，希望不同厂家之间的设备可以实现良好的兼容性。这样如果在建筑物内已经存在一个厂家的网络产品，下次购买时却买了另一个厂家的产品，只要二者都支持相同的服务，那么就可以实现简单的即插即用。ZigBee联盟已经为应用开发人员做了周全的准备。按照ZigBee联盟规定的分工，ZigBee的物理层的MAC层，也就是IEEE802.15.4协议规定的部分，由硬件设备供应商负责实现；网络层以及应用框架由ZigBee联盟成员负责实现；而应用开发商只需要负责应用层规范的制定，以及应用层功能的实现。抽象层。用户在开发时主要使用OSAL