本實(shí)用新型屬于消防安全
技術(shù)領(lǐng)域：
，特別涉及一種無線樓宇火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
：隨著中國城市化發(fā)展的不斷擴(kuò)大，集中式住宅已成為城市發(fā)展的趨勢。由于人們?nèi)狈ο腊踩庾R，一些易燃材料被無意間帶入住宅建筑，導(dǎo)致消防隱患重重，火災(zāi)已成為發(fā)生率高、危害大、損失重的災(zāi)難。對于火災(zāi)，人們開始從被動的撲救滅火轉(zhuǎn)向主動的監(jiān)測預(yù)防，火災(zāi)防治已成為城市消防發(fā)展的趨勢。在《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》(GB50016-2014)中，已明確提出貫徹“預(yù)防為主，防效結(jié)合”的消防工作方針?；馂?zāi)監(jiān)測報警技術(shù)開始受到人們的極大關(guān)注，并快速發(fā)展起來。面對日益嚴(yán)峻的火災(zāi)災(zāi)難，伴隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，樓宇火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)孕育而生。傳統(tǒng)火災(zāi)探測報警系統(tǒng)的出現(xiàn)，在一定程度上減少了火災(zāi)帶來的人員和財產(chǎn)損失。傳統(tǒng)的火災(zāi)探測報警系統(tǒng)采用總線式分布，布線規(guī)模大，投資成本較高，在前期設(shè)計(jì)完成后，后期更改線路較難，特別在一些不易布線的建筑中，火災(zāi)發(fā)生率居高不下。針對傳統(tǒng)火災(zāi)探測報警系統(tǒng)存在以上缺點(diǎn)，樓宇火災(zāi)探測報警系統(tǒng)急需進(jìn)行一次升級改造。自樓宇火災(zāi)探測報警系統(tǒng)問世以來，由于技術(shù)的限制，使得樓宇火災(zāi)探測報警系統(tǒng)發(fā)展緩慢。從現(xiàn)有的研究成果可以看出，將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于樓宇火災(zāi)監(jiān)測的研究與設(shè)計(jì)面臨巨大的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，建筑災(zāi)難現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜惡劣，監(jiān)測工作又有特定的行業(yè)規(guī)范，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)既要在保證數(shù)據(jù)安全可靠的同時，又應(yīng)體現(xiàn)其減少布線繁瑣的獨(dú)特優(yōu)勢。這就要求從提高網(wǎng)絡(luò)可靠性，及時性和準(zhǔn)確性等品質(zhì)指標(biāo)方面展開研究，拓展無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)內(nèi)容。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本實(shí)用新型的目的在于提供一種無線樓宇火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)，減少了繁瑣的布線，同時又可保證數(shù)據(jù)安全可靠，適應(yīng)復(fù)雜惡劣的建筑災(zāi)難現(xiàn)場環(huán)境，具備網(wǎng)絡(luò)可靠性，及時性和準(zhǔn)確性。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案是：無線樓宇節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，以單節(jié)點(diǎn)的方式采集所處位置的與火災(zāi)相關(guān)的多個物理量數(shù)據(jù)，包括：包括火災(zāi)傳感器模塊、ZigBee模塊以及電源模塊，其中，火災(zāi)傳感器模塊包括與火災(zāi)相關(guān)的多個物理量的模塊電路，ZigBee模塊采用單芯片集成方案，由片上MCU單元、儲存單元、I/O接口以及RF收發(fā)器組成，電源模塊為整體節(jié)點(diǎn)的正常運(yùn)行提供能量，電源模塊根據(jù)不同節(jié)點(diǎn)能耗采取不同的設(shè)計(jì)方案，分為電池供電和交流供電兩個方式。所述ZigBee模塊以CC2530為核心，在設(shè)計(jì)上分為兩種類型，第一種是不加PA的傳統(tǒng)ZigBee模塊，用于空間相對空曠，對傳輸距離要求較低的區(qū)域，第二種是加PA的新型ZigBee模塊，用于需要穿透墻壁或樓層傳輸，以及對傳輸距離較遠(yuǎn)的區(qū)域；在第一種類型中，CC2530的硬件外圍電路設(shè)計(jì)包括電源濾波電路的設(shè)計(jì)，在芯片周圍設(shè)置去耦電容過濾CC2530供電電源上的高頻干擾和芯片對外部電路產(chǎn)生的脈沖干擾，并設(shè)置用于濾除低頻干擾的電容，以及解決電源與IC引腳間的EMC問題的0Ω電感，同時在引腳與地之間連接56K的高精度電阻，為CC2530的RF模擬電路提供一個偏置電流；采用阻抗匹配電路進(jìn)行CC2530兩個射頻端口與單端口天線的連接，并以電容電感組成巴倫電路以實(shí)現(xiàn)差分信號轉(zhuǎn)單端信號，第二種類型是在不加PA模塊的基礎(chǔ)上增加了RFX2401C作為功率放大芯片，通過CC2530的P1.4口和P1.5口分別來控制RFX2401C的RXEN和TXEN端口，RFX2401C芯片外接2個去耦電容，RFX2401C的RF兩端分別設(shè)計(jì)一個阻抗匹配電路，連接天線部分采用π型匹配電路實(shí)現(xiàn)，連接CC2530部分采用了巴倫電路進(jìn)行阻抗匹配，使得RFX2401C兩端阻抗均為50Ω。所述與火災(zāi)相關(guān)的多個物理量包括溫度、濕度、煙霧濃度以及火焰，采用溫濕度傳感器、煙霧傳感器和火焰?zhèn)鞲衅鲗?shí)現(xiàn)監(jiān)測，其中溫濕度傳感器選用SHT20，煙霧傳感器包括適用于可燃?xì)怏w探測的MQ-2傳感器和適用于煙霧顆粒探測的HIS-07傳感器。所述SHT20的供電范圍為2.1-3.6V，選用電壓為3.3V，電源和接地之間連接一個100nF的去耦電容，且去耦電容的位置盡可能靠近SHT20，SDA引腳用于傳感器的數(shù)據(jù)輸入和輸出，為避免信號沖突，微處理器必須只能驅(qū)動SDA和SCL在低電平，需各要一個外部10kΩ的上拉電阻將信號提拉至高電平，CC2530的P1.0口和P1.1口引腳分別與SHT20的SCL和SDA端口相接；所述MQ-2的4腳輸出隨煙霧濃度變化的直流信號，4引腳同時連接到CC2530的I/O引腳和比較器LM393的2腳，R6構(gòu)成比較器的門檻電壓；當(dāng)煙霧濃度較大、輸出電壓高于門檻電壓時，比較器輸出低電平，此時LED2亮報警；當(dāng)濃度降低傳感器的輸出電壓低于門檻電壓時，比較器翻轉(zhuǎn)輸出高電平，LED2熄滅；調(diào)節(jié)R6以調(diào)節(jié)比較器的門檻電壓，從而調(diào)節(jié)報警輸出的靈敏度，R1串入傳感器的加熱回路以保護(hù)加熱絲免受冷上電時的沖擊，MQ-2模塊的AC引腳接CC2530的P0.7口，通過CC2530的片內(nèi)A/D轉(zhuǎn)換即可得到需要的模擬信號；HIS-07模塊和MQ-2模塊原理大致相同，唯一區(qū)別在于HIS-07設(shè)置一個+9V的電源驅(qū)動，不需要額外的放大電路，同時增設(shè)了LM393雙電壓比較器，通過設(shè)定門限值的方式進(jìn)行判斷；所述火焰?zhèn)鞲衅鞯腁C引腳接CC2530的P0.0口，通過CC2530的片內(nèi)A/D轉(zhuǎn)換得到需要的模擬信號，同時增設(shè)了LM393雙電壓比較器，通過設(shè)定門限值的方式進(jìn)行判斷；所述電源模塊使用正穩(wěn)壓場效應(yīng)管LN317和AMS1117-3.3作為穩(wěn)壓芯片。本實(shí)用新型還提供了利用所述無線樓宇節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)，包括：所述節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；數(shù)據(jù)無線傳輸系統(tǒng)，基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)和TCP/IP網(wǎng)絡(luò)，ZigBee網(wǎng)絡(luò)以協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)為中心，其他節(jié)點(diǎn)將處理后的采集數(shù)據(jù)通過無線的方式傳送到ZigBee網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)最終被送至協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，隨后協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)通過ZigBee—WiFi網(wǎng)關(guān)或串口將數(shù)據(jù)傳送至數(shù)據(jù)監(jiān)控中心；數(shù)據(jù)監(jiān)控中心，對數(shù)據(jù)處理和存儲，對建筑內(nèi)情況進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，并基于設(shè)定的報警數(shù)值實(shí)現(xiàn)異常節(jié)點(diǎn)實(shí)時告警，并根據(jù)異常節(jié)點(diǎn)的位置信息，對隱患區(qū)域進(jìn)行及時處理。所述ZigBee—WiFi網(wǎng)關(guān)主要由ZigBee模塊、WiFi模塊、網(wǎng)關(guān)控制器模塊、顯示模塊四部分組成，ZigBee模塊采用ZigBee協(xié)調(diào)器，負(fù)責(zé)ZigBee網(wǎng)絡(luò)建立和節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的收集；WiFi模塊采用集成芯片方案，主要負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)發(fā)送至互聯(lián)網(wǎng)中；網(wǎng)關(guān)控制器模塊是ZigBee模塊和WiFi模塊的橋梁，主要負(fù)責(zé)將ZigBee模塊傳送過來的數(shù)據(jù)通過中轉(zhuǎn)處理后發(fā)送給WiFi模塊；顯示模塊通過液晶顯示網(wǎng)關(guān)配置的整個流程狀態(tài)，方便用戶操作。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型依據(jù)樓宇火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)的基本要求，從傳感器的選型與設(shè)計(jì)、無網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的選型與設(shè)計(jì)、雙模無線網(wǎng)關(guān)的選型與設(shè)計(jì)、以及數(shù)據(jù)監(jiān)控中心服務(wù)器的設(shè)計(jì)等方面入手，系統(tǒng)地完成了基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的樓宇火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中該系統(tǒng)的基本功能已基本得到實(shí)現(xiàn)。本實(shí)用新型的主要特點(diǎn)包括：⑴針對傳統(tǒng)火災(zāi)探測報警系統(tǒng)存在布線規(guī)模大，投資成本較高，在前期設(shè)計(jì)完成后，后期更改線路較難等缺點(diǎn)，本實(shí)用新型彌補(bǔ)了傳統(tǒng)火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)的不足，豐富了火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)的種類。⑵根據(jù)建筑環(huán)境的不同，本實(shí)用新型設(shè)計(jì)了兩種類型的節(jié)點(diǎn)模塊，保證了建筑環(huán)境內(nèi)節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)的有效傳輸。⑶本實(shí)用新型設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)監(jiān)控中心軟件，實(shí)現(xiàn)了每個節(jié)點(diǎn)信息的增刪、實(shí)時數(shù)據(jù)的監(jiān)控、歷史數(shù)據(jù)的查詢功能，同時通過局域網(wǎng)內(nèi)的其他終端也可以對每個節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。⑷本實(shí)用新型自下而上的對整個系統(tǒng)進(jìn)行了測試，包括節(jié)點(diǎn)的通信能力，雙模網(wǎng)關(guān)的抗干擾性，數(shù)據(jù)監(jiān)控中心的實(shí)現(xiàn)等。測試結(jié)果表明，本實(shí)用新型設(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)能夠準(zhǔn)確的采集建筑物內(nèi)火災(zāi)參數(shù)，及時以無線方式發(fā)送至服務(wù)器。⑸針對節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)配置了相應(yīng)的路由算法，根據(jù)系統(tǒng)性能的測試結(jié)果，同時參照節(jié)點(diǎn)部署在國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中的要求，本實(shí)用新型制定了節(jié)點(diǎn)的部署方案，加強(qiáng)了節(jié)點(diǎn)間的傳輸能力，提高了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。附圖說明圖1是本實(shí)用新型系統(tǒng)框圖。圖2是本實(shí)用新型無線火災(zāi)監(jiān)測節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)圖。圖3是本實(shí)用新型ZigBee-WiFi網(wǎng)關(guān)硬件結(jié)構(gòu)圖。圖4是本實(shí)用新型ZigBee不加PA模塊硬件原理圖。圖5是本實(shí)用新型ZigBee加PA模塊硬件原理圖。圖6是本實(shí)用新型SHT20模塊的電路原理圖。圖7是本實(shí)用新型MQ-2模塊原理圖。圖8是本實(shí)用新型HIS-07模塊原理圖。圖9是本實(shí)用新型火焰?zhèn)鞲衅髂K原理圖。圖10是本實(shí)用新型節(jié)點(diǎn)電源模塊原理圖。圖11是本實(shí)用新型網(wǎng)關(guān)模塊核心板原理圖。圖12是本實(shí)用新型協(xié)調(diào)器模塊的工作流程圖。圖13是本實(shí)用新型傳感器節(jié)點(diǎn)的程序流程圖。圖14是本實(shí)用新型SHT20模塊程序流程圖。圖15是本實(shí)用新型MQ-2模塊、HIS-07模塊、火焰?zhèn)鞲衅髂K程序流程圖。圖16是本實(shí)用新型ZigBee-WiFi網(wǎng)關(guān)模塊程序流程圖。圖17是本實(shí)用新型直接轉(zhuǎn)發(fā)方式程序流程圖。圖18是本實(shí)用新型循環(huán)隊(duì)列方式程序流程圖。圖19是本實(shí)用新型循環(huán)隊(duì)列緩存區(qū)結(jié)構(gòu)圖。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例詳細(xì)說明本實(shí)用新型的實(shí)施方式。本實(shí)用新型基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的樓宇火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)是火災(zāi)探測報警系統(tǒng)和火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)的集成，它是整個火災(zāi)自動報警系統(tǒng)的一部分。本實(shí)用新型主要分為以下四部分：傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)，ZigBee-WiFi網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)監(jiān)控中心的設(shè)計(jì)以及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)部署。樓宇火災(zāi)監(jiān)測的主要目的是為了掌握建筑物內(nèi)部各環(huán)境參數(shù)的實(shí)時狀態(tài)和歷史數(shù)據(jù)的變化趨勢，為監(jiān)測人員預(yù)測和控制火災(zāi)提供有效依據(jù)，因此，樓宇火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)必須具備實(shí)時數(shù)據(jù)的采集、歷史數(shù)據(jù)的查詢、節(jié)點(diǎn)信息的查看以及報警值的設(shè)定等基本功能。本實(shí)用新型樓宇火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)主要針對一些不適宜大規(guī)模布線和傳統(tǒng)樓宇火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)無法覆蓋的建筑，包括工業(yè)和民用建筑。從應(yīng)用角度出發(fā)，系統(tǒng)的主要功能分為：(1)數(shù)據(jù)采集①對常規(guī)火災(zāi)參數(shù)進(jìn)行采集，采集的參數(shù)必須與被測環(huán)境相一致，避免數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確的現(xiàn)象發(fā)生，保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。②將所有采集到的數(shù)據(jù)信息以無線方式傳送至遠(yuǎn)程的服務(wù)器，同時驗(yàn)證采集到的數(shù)據(jù)，及時對掉包數(shù)據(jù)進(jìn)行二次傳輸，保證傳輸?shù)挠行浴?2)數(shù)據(jù)監(jiān)控①對接收到的數(shù)據(jù)依次進(jìn)行處理，將處理后的數(shù)據(jù)實(shí)時顯示，同時將這些數(shù)據(jù)和參考值進(jìn)行比較分析，對有災(zāi)情的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行報警，通知管理人員查看。②存儲各監(jiān)測點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)信息、數(shù)據(jù)信息以及分析結(jié)果，為后期算法預(yù)測火災(zāi)和逃生路徑規(guī)劃提供數(shù)據(jù)依據(jù)。根據(jù)火災(zāi)監(jiān)測的相關(guān)國家規(guī)范要求，火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)具有高穩(wěn)定性、實(shí)時性以及易布置等特點(diǎn)。傳統(tǒng)火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)存在布線繁瑣的缺點(diǎn)，導(dǎo)致在一些不能布線的特殊場所，進(jìn)行火災(zāi)監(jiān)測十分困難。雖然目前已經(jīng)出現(xiàn)無線火災(zāi)報警設(shè)備，但均處于單節(jié)點(diǎn)方式，不能像有線方式一樣實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)采集。如圖1所示是本實(shí)用新型基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的樓宇火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)，該樓宇火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)主要由節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)無線傳輸和數(shù)據(jù)監(jiān)控中心組成。節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集是以單節(jié)點(diǎn)的方式采集所處位置的溫度、濕度、煙霧濃度、火焰等眾多物理量。數(shù)據(jù)無線傳輸為ZigBee網(wǎng)絡(luò)和TCP/IP網(wǎng)絡(luò)，ZigBee網(wǎng)絡(luò)以協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)為中心，其他節(jié)點(diǎn)將處理后的采集數(shù)據(jù)通過無線的方式傳送到ZigBee網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)最終被送至協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，隨后協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)通過ZigBee—WiFi網(wǎng)關(guān)或串口將數(shù)據(jù)傳送至數(shù)據(jù)監(jiān)控中心。數(shù)據(jù)監(jiān)控中心實(shí)現(xiàn)了對數(shù)據(jù)的處理和存儲，報警數(shù)值的設(shè)定，對建筑內(nèi)情況進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控等功能，同時，移動終端或其他網(wǎng)絡(luò)用戶也可以通過訪問局域網(wǎng)服務(wù)器的方式遠(yuǎn)程監(jiān)控各個節(jié)點(diǎn)的信息。一旦發(fā)現(xiàn)建筑物內(nèi)部有火災(zāi)情況，數(shù)據(jù)監(jiān)控中心或其他遠(yuǎn)程用戶可根據(jù)這些異常節(jié)點(diǎn)的位置信息，對隱患區(qū)域進(jìn)行及時的處理。根據(jù)火災(zāi)監(jiān)測的規(guī)范要求，本實(shí)用新型設(shè)計(jì)了火災(zāi)監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的硬件。如圖2所示，火災(zāi)監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的硬件由火災(zāi)傳感器模塊、ZigBee模塊以及電源模塊三部分組成?；馂?zāi)傳感器模塊包括溫度、濕度、煙霧濃度、火焰等模塊電路。ZigBee模塊采用單芯片集成方案，這類芯片由片上MCU單元、儲存單元、I/O接口以及RF收發(fā)器組成，同時考慮到建筑物內(nèi)相對封閉的環(huán)境以及2.4GHz信號相對較弱的穿透性，在模塊設(shè)計(jì)上又將其分為兩種類型，第一種是不加PA的傳統(tǒng)ZigBee模塊，用于空間相對空曠，對傳輸距離要求較低的區(qū)域，第二種是加PA的新型ZigBee模塊，用于需要穿透墻壁或樓層傳輸，以及對傳輸距離較遠(yuǎn)的區(qū)域。電源模塊為整體節(jié)點(diǎn)的正常運(yùn)行提供能量，電源模塊根據(jù)不同節(jié)點(diǎn)能耗采取不同的設(shè)計(jì)方案，主要分為電池供電和交流供電兩個方式。當(dāng)大量數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸時，串口方式就不能保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目焖傩院陀行?，為了防止這種情況的發(fā)生，本實(shí)用新型設(shè)計(jì)了TCP/IP的傳輸方式。ZigBee網(wǎng)絡(luò)又與TCP/IP協(xié)議不同，所以本實(shí)用新型進(jìn)行了ZigBee—WIFI網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)。如圖3所示，該網(wǎng)關(guān)主要由ZigBee模塊、WiFi模塊、網(wǎng)關(guān)控制器模塊、顯示模塊四部分組成。ZigBee模塊采用ZigBee協(xié)調(diào)器，負(fù)責(zé)ZigBee網(wǎng)絡(luò)建立和節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的收集；WiFi模塊采用集成芯片方案，主要負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)發(fā)送至互聯(lián)網(wǎng)中；網(wǎng)關(guān)控制器模塊是ZigBee模塊和WiFi模塊的橋梁，主要負(fù)責(zé)將ZigBee模塊傳送過來的數(shù)據(jù)通過中轉(zhuǎn)處理后發(fā)送給WiFi模塊；顯示模塊通過液晶顯示網(wǎng)關(guān)配置的整個流程狀態(tài)，方便用戶操作。本實(shí)用新型火災(zāi)監(jiān)測節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)包括：1、硬件選型(1)ZigBee芯片選型TI提供的Zstack-2007協(xié)議棧是免費(fèi)開放的，同時其具備全功能，包括網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞娜δ軈f(xié)議棧，而其他公司的產(chǎn)品均采用有償方式進(jìn)行使用。CC2530/CC2531采用FLASH存儲器+MCU+ZigBeeRF芯片集成方案，而其他ZigBee廠商的芯片都需要額外的硬件支持，綜合評比，其性價比不能和單芯片方案競爭，所以選用CC2530/CC2531芯片，具備高性價比優(yōu)勢。CC2530詳細(xì)參數(shù)如下：標(biāo)準(zhǔn)增強(qiáng)型的8051CPU、高性能的RF收發(fā)器、具有2個USART、8位和16位定時器、看門狗定時器、8路輸入可配置的12位ADC、21個GPIO、AES128協(xié)同處理器，硬件支持CSMA/CA、數(shù)字化的接收信號強(qiáng)度指示(RSSI)/鏈路質(zhì)量指示(LQI)和強(qiáng)大的DMA功能，可支持5種工作模式；CC2530有四種不同的Flash版本：CC2530F32/64/128/256，它們分別具有32/64/128/256KBFlash存儲器。歸納起來，采用通用MCU，免費(fèi)全功能協(xié)議棧，高性價比，本實(shí)用新型選擇了CC2530F256芯片作為ZigBee模塊的主控芯片。(2)PA芯片選型雖然單純的CC2530芯片方案可以在墻壁放置預(yù)埋線安裝中繼路由器，解決ZigBee遇到障礙物傳輸?shù)膯栴}，但預(yù)埋線的處理方式無疑增加了工程量，這也與本系統(tǒng)真正意義上的零布線設(shè)計(jì)初衷相違背，該方案并不能有效解決穿墻傳輸數(shù)據(jù)問題。TI官方提出了通過增加PA芯片，有效的解決了這一問題。目前市場上主要是TI官方的實(shí)驗(yàn)方案：CC2530+CC2591方式，本實(shí)用新型通過大量的數(shù)據(jù)對比分析發(fā)現(xiàn)，RFX2401C與CC2530相結(jié)合，同樣可以取得了很好的效果。對比CC2591和RFX2401C，不難發(fā)現(xiàn)CC2591的外圍元器件過多，參數(shù)整定繁瑣，軟件配置更改較多，而RFX2401C具有優(yōu)越的性能，高靈敏度和效率，噪聲低，外形尺寸小，成本低，外圍原件少，有效兼容ZigBee網(wǎng)絡(luò)，且其實(shí)際的測試效果明顯優(yōu)于CC2591方案。(3)傳感器選型對火災(zāi)報警系統(tǒng)來說，傳感器的優(yōu)劣影響著整個系統(tǒng)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，本系統(tǒng)分別使用了溫濕度傳感器、煙霧傳感器和火焰?zhèn)鞲衅?，下面是對傳感器性能的具體要求。溫度檢測：0～50℃，誤差≤4％；濕度監(jiān)測：0～100％，誤差≤4％；煙霧檢測：0～500ppm，誤差≤5ppm；火焰檢測：0～3.3V，誤差≤0.1V。除了傳感器性能參數(shù)外，各種傳感器選型的主要依據(jù)還包括元件的性價比、封裝等。①溫濕度傳感器本實(shí)用新型使用的溫濕度傳感器選用的是SHT20，具有體積小，精度高的特點(diǎn)，主要性能參數(shù)如下：RH范圍：0％to100％，RH精度：3％，輸出類型：Digital，接口：I2C，分辨率：12bit，14bit，全溫準(zhǔn)確度：+/-0.3℃，工作電源電流：150nA，最大工作溫度：+125℃，最小工作溫度：-40℃，最大電源電壓：3.6V，最小電源電壓：2.1V。②煙霧傳感器煙霧傳感器根據(jù)監(jiān)測對象的不同分為兩種，第一種是氣敏傳感器MQ-2，其屬于二氧化錫半導(dǎo)體氣敏材料，是表面離子式N型半導(dǎo)體的一種，適合放置在廚房等場所。第二種是離子式煙霧傳感器HIS-07，專用于感煙探測。兩種傳感器的主要性能參數(shù)分別如下：MQ-2：測量范圍：液化氣和丙烷(100ppm-10000ppm)、丁烷(300ppm-5000ppm)甲烷(5000ppm-20000ppm)氫氣(300ppm-5000ppm)酒精(100ppm-2000ppm)，工作電壓：5.0V±0.2V；敏感體表面電阻(RS)：3kΩ-30kΩ(1000ppm異丁烷)、濃度斜率(α)：0.6。HIS-07：測量范圍：0％～5％；工作電壓：9V；測量誤差：±0.1V；UL217標(biāo)準(zhǔn)大氣中輸出電壓：5.6±0.4V；工作濕度：≤95％RH；棉芯2％/foot煙靈敏度：0.6±0.1V；集電極平衡電位：5.5±0.3V；絕緣體漏電電流：≤0.5pA；電離源活度：0.5μCi(18Kbq)±10％；電離室25cm處輻射劑量率：0.03mGy/年。根據(jù)上述分析可知，MQ-2傳感器適用于可燃?xì)怏w的探測，而HIS-07傳感器適用于煙霧顆粒的探測。③火焰?zhèn)鞲衅鞅緦?shí)用新型選用的遠(yuǎn)紅外火焰?zhèn)鞲衅骺梢杂脕硖綔y火源或其它一些波長在700納米～1000納米范圍內(nèi)的熱源，主要性能參數(shù)如下：探測波長：760納米～1100納米，探測角度：60°，最佳探測：紅外光波長在940納米，工作溫度：-25℃～85℃。2、ZigBee模塊設(shè)計(jì)為了方便后期的維護(hù)，增加模塊的二次利用，本系統(tǒng)硬件均按照模塊化設(shè)計(jì)的思想，其中ZigBee模塊設(shè)計(jì)分為不加PA模塊和加PA模塊，下面分別介紹這兩類模塊。(1)加PA模塊CC2530的硬件外圍電路設(shè)計(jì)包括電源濾波電路的設(shè)計(jì)，如圖4所示，在芯片周圍的C4、C5、C6、C7、C9均為去耦電容，目的是過濾CC2530供電電源上的高頻干擾和芯片對外部電路產(chǎn)生的脈沖干擾，C2、C3用于濾除低頻干擾，L1采用0Ω是解決電源與IC引腳間的EMC問題。RBIAS主要引腳與地之間連接56K的高精度電阻，為CC2530的RF模擬電路提供一個偏置電流。RESET_N引腳外接復(fù)位電路，用于系統(tǒng)復(fù)位。系統(tǒng)采用兩個晶振，分別為32MHz和32.768KHz的晶體振蕩器。CC2530使用RF_P和RF_N兩個差分端口來實(shí)現(xiàn)RF的收發(fā)，其射頻端口采用了兩個端口，而SMA-KE是單端口天線，所以本實(shí)用新型采用了阻抗匹配電路進(jìn)行端口連接，圖4中的L2，C12，L3，C14組成巴倫電路用以實(shí)現(xiàn)差分信號轉(zhuǎn)單端信號的功能，巴倫電路的L、C計(jì)算公式如下式所示。式中：Zout和Zin分別是芯片射頻端口和天線端口需要匹配的阻抗值。根據(jù)TI的CC2530的芯片手冊，系統(tǒng)在工作頻率，射頻端口的阻抗是(69+j29)Ω，SMA-KE天線的特征阻抗是50Ω，可以計(jì)算得到各元件參數(shù)值。圖4中的L4、C15、C16等器件組成π型匹配電路，實(shí)現(xiàn)與天線阻抗匹配的功能。(2)加PA模塊如圖5所示，在不加PA模塊的基礎(chǔ)上增加了RFX2401C作為功率放大芯片，通過CC2530的P1.4口和P1.5口分別來控制RFX2401C的RXEN和TXEN端口，RFX2401C芯片外接2個去耦電容，RFX2401C的RF兩端分別設(shè)計(jì)一個阻抗匹配電路，連接天線部分采用了π型匹配電路實(shí)現(xiàn)，連接CC2530部分采用了巴倫電路進(jìn)行阻抗匹配，使得RFX2401C兩端阻抗均為50Ω，保證了RFX2401C最佳性能。3、傳感器模塊設(shè)計(jì)(1)溫濕度檢測模塊SHT20模塊的電路原理如圖6所示，SHT20的供電范圍為2.1-3.6V，選用電壓為3.3V。電源(VDD)和接地(VSS)之間須連接一個100nF的去耦電容，且電容的位置應(yīng)盡可能靠近傳感器，SDA引腳用于傳感器的數(shù)據(jù)輸入和輸出。為避免信號沖突，微處理器(MCU)必須只能驅(qū)動SDA和SCL在低電平，需各要一個外部10kΩ的上拉電阻將信號提拉至高電平。由于SHT20與CC2530之間必須通過I2C方式進(jìn)行通信，所以本實(shí)用新型將CC2530的P1.0口和P1.1口引腳分別與該模塊的SCL和SDA端口相接。(2)煙霧傳感器模塊①M(fèi)Q-2模塊MQ-2模塊的電路原理如圖7所示，MQ-2的4腳輸出隨煙霧濃度變化的直流信號，4引腳同時連接到CC2530的I/O引腳和比較器LM393的2腳，R6構(gòu)成比較器的門檻電壓。當(dāng)煙霧濃度較大、輸出電壓高于門檻電壓時，比較器輸出低電平(GND)，此時LED2亮報警；當(dāng)濃度降低傳感器的輸出電壓低于門檻電壓時，比較器翻轉(zhuǎn)輸出高電平(VCC)，LED2熄滅。調(diào)節(jié)R6，可以調(diào)節(jié)比較器的門檻電壓，從而調(diào)節(jié)報警輸出的靈敏度。R1串入傳感器的加熱回路，可以保護(hù)加熱絲免受冷上電時的沖擊。MQ-2模塊的AC引腳接CC2530的P0.7口，通過CC2530的片內(nèi)A/D轉(zhuǎn)換即可得到需要的模擬信號。②HIS-07模塊HIS-07檢測模塊的電路原理如圖8所示，根據(jù)傳感器的特性，HIS-07模塊和MQ-2模塊電路原理圖大致相同，唯一區(qū)別在于HIS-07需要一個+9V的電源驅(qū)動，其輸出值是5V左右，因此不需要額外的放大電路，同時為模塊增設(shè)了LM393雙電壓比較器，通過設(shè)定門限值的方式進(jìn)行判斷。(3)火焰?zhèn)鞲衅髂K火焰?zhèn)鞲衅髂K的電路原理如圖9所示，火焰?zhèn)鞲衅鞯奶匦?，其輸出值正好?—4V之間，與HIS-07模塊類似，同樣不需要額外的放大電路，火焰?zhèn)鞲衅髂K的AC引腳接CC2530的P0.0口，通過CC2530的片內(nèi)A/D轉(zhuǎn)換即可得到需要的模擬信號，同時為模塊增設(shè)了LM393雙電壓比較器，通過設(shè)定門限值的方式進(jìn)行判斷。(4)節(jié)點(diǎn)電源模塊設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)電源模塊的原理如圖10所示，本實(shí)用新型設(shè)計(jì)的采集節(jié)點(diǎn)需要+9V、+5V、+3.3V的直流電源供電，因此電源模塊使用了正穩(wěn)壓場效應(yīng)管LN317和AMS1117-3.3作為電路的穩(wěn)壓芯片，LN317芯片能承受1.5A的瞬時電流，電壓可調(diào)，支持5V、5.2V、6V等多種電壓，且具有過熱過載保護(hù)和輸出轉(zhuǎn)換SOA保護(hù)措施，能很好的完成穩(wěn)壓的工作，AMS1117-3.3是輸出電壓3.3，電流為1A的穩(wěn)壓芯片。本實(shí)用新型火災(zāi)監(jiān)測網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計(jì)包括：1、硬件選型(1)網(wǎng)關(guān)控制器選型本實(shí)用新型ZigBee—WiFi網(wǎng)關(guān)，其核心部分為網(wǎng)關(guān)控制器模塊，因此網(wǎng)關(guān)控制器選擇的合適與否，直接影響著了整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理與傳輸效果。本實(shí)用新型網(wǎng)關(guān)需要支持三種USART口，同時要有較強(qiáng)的運(yùn)算速度，在考慮控制器價格的同時，最終選擇了STM32F103RBT6微型控制器。STM32F103RBT6主要參數(shù)如下：使用高性能的ARMCortex-M332位的RISC內(nèi)核，工作頻率為72MHz，內(nèi)置128kB閃存存儲器，豐富的增強(qiáng)I/O端口和聯(lián)接到兩條APB總線的外設(shè)。同時包含2個12位的ADC、3個通用16位定時器和一個PWM定時器，還包含標(biāo)準(zhǔn)和先進(jìn)的通信接口：多達(dá)2個I2C接口和SPI接口、3個USART接口、一個USB接口和一個CAN接口。在性能方面完全滿足本實(shí)用新型的雙模網(wǎng)關(guān)的同時又具有低廉的價格。(2)WiFi選型根據(jù)本實(shí)用新型網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)要求，本著高性價比原則，選用ALIENTEK公司生產(chǎn)的ATK-ESP8266-V1.2模塊，該模塊核心芯片為AI-THINKERESP8266-12F。ESP8266-12F主要性能指標(biāo)如下：支持802.11b/g/n無線網(wǎng)絡(luò)；內(nèi)置10bit高精度ADC；內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧；WiFi@2.4GHz，支持WPA/WPA2安全模式、支持STA/AP/STA+AP工作模式；支持SmartConfi功能(包括Android和iOS設(shè)備)；支持HSPI、UART、I2C、I2S、IRRemoteControl、PWM、GPIO；2ms之內(nèi)喚醒，連接并傳遞數(shù)據(jù)包；802.11b模式下+20dBm的輸出功率等。2、網(wǎng)關(guān)模塊設(shè)計(jì)本實(shí)用新型設(shè)計(jì)的ZigBee—WiFi網(wǎng)關(guān)，其核心控制器為STM32F103RBT6，如圖11所示，為網(wǎng)關(guān)模塊核心板原理圖。從圖中可以看出采用5V/1A電源對其供電，通過1117-3.3進(jìn)行3.3V電壓轉(zhuǎn)換，當(dāng)系統(tǒng)供電后D1燈亮，STM32F103RBT6有完善的內(nèi)部復(fù)位電路，外部復(fù)位電路就特別簡單，只需要使用容阻復(fù)位方式即可，STM32F103RBT6可以使用外部晶振或外部時鐘源，經(jīng)過內(nèi)部PLL或不經(jīng)過內(nèi)部PLL為系統(tǒng)提供參考時鐘，也可以使用內(nèi)部RC振蕩器經(jīng)過或者不經(jīng)過內(nèi)部PLL為系統(tǒng)提供時鐘源。當(dāng)使用外部晶振作為系統(tǒng)時鐘源時，外部晶振的頻率為4MHz～16MHz，可以為系統(tǒng)提供精確的系統(tǒng)參考源。本實(shí)用新型使用8MHz外接晶振為系統(tǒng)提供精確的系統(tǒng)時鐘參考，使用32.768KHz低速外接晶振作為RTC時鐘電源，連接到芯片的PC14、PC15引腳。本實(shí)用新型采用標(biāo)準(zhǔn)的20腳JTAG仿真調(diào)試接口。本實(shí)用新型中非ZigBee+PA模塊采用ZStack-2007協(xié)議棧的默認(rèn)配置，在不同區(qū)域內(nèi)其測試結(jié)果如表1所示。表1RFX2401C工作時序圖TXENRXEN狀態(tài)1XTX發(fā)送狀態(tài)01RX接收狀態(tài)00芯片停止工作注：“1”為高電平狀態(tài)(>1.2V)“0”為控制引腳低電平狀態(tài)(<0.3V)“X”為高、低電平狀態(tài)均可PA模塊在ZStack-2007協(xié)議棧中的配置步驟如下：①由于默認(rèn)情況下功放沒有啟用，需要在文件hal_board_cfg.h中修改#definexHAL_PA_LNA為#defineHAL_PA_LNA。②由于CC2530的P1.4、P1.5引腳分別于RFX2401C的RXEN、TXEN引腳相連接，由表1可知RXEN保持高電平，TXEN決定發(fā)送和接收，所以設(shè)置P1.4＝1，通過控制P1.5就可以實(shí)現(xiàn)RFX2401C的數(shù)據(jù)收發(fā)功能。具體協(xié)議棧設(shè)置：修改mac_radio_defs.c文件中的macRadioTurnOnPower函數(shù)中的代碼如下：/*******************************************************************/*P1_5->PAEN*/RFC_OBS_CTRL0＝RFC_OBS_CTRL_PA_PD_INV；OBSSEL5＝OBSSEL_OBS_CTRL0；/*P1_4->EN(LNAcontrol)*/P1SEL&＝～0X10；P1DIR|＝0X10；P1_4＝1；③要提高輸出功率，需要在mac_pib.c文件中修改macPibDefaults結(jié)構(gòu)體變量，代碼如下：通過修改上段代碼中num的值，可在mac_radio_defs.c文件中查看對應(yīng)的毫瓦分貝，代碼如下：本實(shí)用新型協(xié)調(diào)器模塊負(fù)責(zé)將ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的所有節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)收集，并通過串口及時轉(zhuǎn)發(fā)給網(wǎng)關(guān)控制器模塊，同時網(wǎng)關(guān)控制器又能將數(shù)據(jù)監(jiān)控中心的命令轉(zhuǎn)發(fā)給協(xié)調(diào)器模塊，協(xié)調(diào)器模塊收到指令后，通過無線廣播的方式下發(fā)指令到所有節(jié)點(diǎn)，所有節(jié)點(diǎn)根據(jù)指令內(nèi)容做出相應(yīng)的判斷回復(fù)。圖12是協(xié)調(diào)器模塊的工作流程圖，協(xié)調(diào)器上電后，先進(jìn)行一些協(xié)議棧的基本初始化，初始化成功后，選擇設(shè)定信道，建立ZigBee網(wǎng)絡(luò)，開啟ZigBee網(wǎng)絡(luò)加入允許，啟動定時器OSAL系統(tǒng)進(jìn)入監(jiān)聽狀態(tài)。協(xié)調(diào)器通過輪詢事件優(yōu)先級的方式，進(jìn)行事件掃描，一旦發(fā)現(xiàn)有事件發(fā)生，根據(jù)事件優(yōu)先級，依次處理事件響應(yīng)，同時，在整個事件處理的過程中，OSAL操作系統(tǒng)的事件輪詢方式仍在運(yùn)行，將各個事件以任務(wù)號的形式，依次追加到消息處理隊(duì)列。本實(shí)用新型路由節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)均負(fù)責(zé)采集傳感器接口的數(shù)據(jù)，處理后向協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)定時發(fā)送數(shù)據(jù)。圖13是傳感器節(jié)點(diǎn)的程序流程圖，軟件總體流程為設(shè)備初始化，然后掃描無線信道，請求加入網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)后啟動定時器開啟OSCL輪詢?nèi)蝿?wù)，在輪詢過程中，終端節(jié)點(diǎn)通過事件觸發(fā)機(jī)制，判斷若有事件發(fā)生則執(zhí)行對應(yīng)的事件處理程序，若無事件發(fā)生，則進(jìn)入睡眠模式，直到定時時間到系統(tǒng)重新開始輪詢事件發(fā)生情況，它負(fù)責(zé)定時采集傳感器數(shù)據(jù)，針對數(shù)據(jù)中心的一些請求信息進(jìn)行相應(yīng)回應(yīng)，通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)將這些數(shù)據(jù)上傳給上一級路由或者協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，路由節(jié)點(diǎn)在采集數(shù)據(jù)和回應(yīng)數(shù)據(jù)中心請求方面與終端節(jié)點(diǎn)相同，不同之處在于路由節(jié)點(diǎn)具備數(shù)據(jù)路由功能，沒有休眠模式，因此其必須24小時不間斷工作，隨時準(zhǔn)備數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。為了保證的數(shù)據(jù)傳輸無誤，路由和中斷節(jié)點(diǎn)將采集到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行重新組織，形成一個完整的數(shù)據(jù)包進(jìn)行發(fā)送。傳感器模塊工作流程分別包括：(1)SHT20模塊如圖14所示，由于CC2530硬件不支持I2C的通信方式，而SHT20只支持I2C的通信方式，所以本實(shí)用新型采用了CC2530模擬I2C的方式與SHT20進(jìn)行通信，在硬件連接上采用了P1.0口和P1.1口分別對應(yīng)SHT20的SCL和SDA引腳，為保證數(shù)據(jù)傳送的可靠性，標(biāo)準(zhǔn)I2C數(shù)據(jù)傳送必須具備嚴(yán)格的時序要求，具體的操作流程為：初始化I/O端口、啟動傳輸、讀取溫濕度數(shù)據(jù)、計(jì)算數(shù)據(jù)。(2)MQ-2模塊、HIS-07模塊、火焰?zhèn)鞲衅髂K本實(shí)用新型MQ-2模塊、HIS-07模塊、火焰?zhèn)鞲衅髂K均為模擬量數(shù)據(jù)采集，所以選擇了AD轉(zhuǎn)換的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取。CC2530擁有8個獨(dú)立的12位ADC通道(TI的CC2530由于測試結(jié)果沒有達(dá)到設(shè)計(jì)要求，所以TI公司將CC2530的分辨率從14位調(diào)整至12位)，硬件接口為P0.0～P0.7，分別對應(yīng)AIN0～AIN7通道，本實(shí)用新型采用單通道的單個轉(zhuǎn)換，由寄存器ADCCON3控制，啟動方式選擇事件啟動，這三個模塊的程序流程圖如圖15所示。網(wǎng)關(guān)模塊配置包括：(1)WiFi模塊軟件配置本實(shí)用新型選用WiFi模塊的芯片是ESP8266，WiFi模塊以串口透傳方式與網(wǎng)關(guān)控制器進(jìn)行通信，結(jié)合本實(shí)用新型網(wǎng)關(guān)的需要，本網(wǎng)關(guān)模塊必須支持多連接方式，所以選用STA工作模式，STA模式是將ESP8266作為server，即可以連接多個client，表2是用AT指令對ESP8266進(jìn)行STA模式配置的操作說明。表2ESP8266部分AT指令(2)網(wǎng)關(guān)控制器模塊軟件配置網(wǎng)關(guān)控制器是本實(shí)用新型網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)核心，軟件架構(gòu)的優(yōu)劣直接影響著整個網(wǎng)關(guān)的通信效果，網(wǎng)關(guān)控制器選用微控制器芯片，它是連接WiFi模塊和ZigBee協(xié)調(diào)器模塊的橋梁，使用其USART3與ESP8266的硬件連接，USART2與ZigBee協(xié)調(diào)器的硬件連接，USART1作為串口通信方式與PC機(jī)通信。圖16是整個網(wǎng)關(guān)控制器的程序流程圖，軟件總體流程為系統(tǒng)時鐘初始化、中斷向量表注冊函數(shù)、串口初始化、初始化LCD顯示、對ESP8266通過串口中斷的方式，按照STA模式配置，配置成功后，開始了整個系統(tǒng)的輪詢工作。在整個輪詢工作中，由于USART2、USART3分別以中斷接收方式進(jìn)行配置，USART2接收到ZigBee協(xié)調(diào)器的采集數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)保存在一個循環(huán)隊(duì)列緩存區(qū)內(nèi)，USART1、USART3在輪詢工作下，將循環(huán)隊(duì)列緩存區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)取出，上傳給數(shù)據(jù)監(jiān)控中心。為了防止WiFi模塊和ZigBee協(xié)調(diào)器模塊收發(fā)數(shù)據(jù)過程中，工作時序混亂，本實(shí)用新型對USART2、USART3進(jìn)行了中斷優(yōu)先級的設(shè)置，具體設(shè)置代碼如下：/********************************************************************NVIC_InitTypeDefNVIC_InitStructure；NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2)；NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel＝USART3_IRQn；NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority＝0；NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd＝ENABLE；NVIC_Init(&NVIC_InitStructure)；NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel＝USART2_IRQn；NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority＝1；NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd＝ENABLE；NVIC_Init(&NVIC_InitStructure)；********************************************************************/(3)循環(huán)隊(duì)列的數(shù)據(jù)緩存區(qū)的實(shí)現(xiàn)在本實(shí)用新型設(shè)計(jì)的網(wǎng)關(guān)中，控制器使用了兩個串口中斷，在兩個串口之間，如何將數(shù)據(jù)實(shí)時完整的轉(zhuǎn)發(fā)，本實(shí)用新型設(shè)計(jì)了兩種方案，下面逐一將對比介紹。①直接轉(zhuǎn)發(fā)方式直接轉(zhuǎn)發(fā)方式是采用一個串口接收數(shù)據(jù)，同時將接收的數(shù)據(jù)通過另一個串口轉(zhuǎn)發(fā)出去。程序?qū)崿F(xiàn)流程如圖17所示，軟件總體流程為串口2監(jiān)測到數(shù)據(jù)，串口2產(chǎn)生串口接收中斷，在串口2的中斷處理函數(shù)中，將數(shù)據(jù)通過串口3轉(zhuǎn)發(fā)。本實(shí)用新型在該方式下的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)：當(dāng)數(shù)據(jù)收發(fā)間隔時間在5s以上時，收發(fā)效果較好，未出現(xiàn)丟包壞包現(xiàn)象；當(dāng)數(shù)據(jù)收發(fā)間隔時間在5s以下時，出現(xiàn)數(shù)據(jù)包丟包壞包現(xiàn)象。經(jīng)分析可知，采用中斷方式進(jìn)行串口數(shù)據(jù)發(fā)送，不符合中斷處理程序盡量簡短的原則，僅在以固定周期且發(fā)送間隔時間較長的情況下，此方案方可行。②循環(huán)隊(duì)列方式循環(huán)隊(duì)列方式是采用一個串口接收數(shù)據(jù)，同時將接收的數(shù)據(jù)存放在一個循環(huán)隊(duì)列緩存區(qū)內(nèi)，另一個串口從緩存區(qū)內(nèi)將數(shù)據(jù)取出。程序?qū)崿F(xiàn)流程如圖18所示，軟件總體流程為串口2監(jiān)測到數(shù)據(jù)，串口2產(chǎn)生串口接收中斷，在串口2的中斷處理函數(shù)中，將數(shù)據(jù)存入一個循環(huán)隊(duì)列緩存區(qū)內(nèi)，串口3再從數(shù)據(jù)緩存區(qū)取出數(shù)據(jù)，進(jìn)行發(fā)送，下面將詳細(xì)介紹循環(huán)隊(duì)列緩存區(qū)建立的過程及原理。循環(huán)隊(duì)列是指頭尾相接的順序儲存結(jié)構(gòu)，本設(shè)計(jì)通過一個結(jié)構(gòu)體定義了循環(huán)隊(duì)列緩存區(qū)，該結(jié)構(gòu)體由一百個數(shù)據(jù)單元、一個頭指針、一個尾指針三部分構(gòu)成，代碼如下：圖19是循環(huán)隊(duì)列緩存區(qū)的結(jié)構(gòu)圖，如圖所示，front、rear分別指向緩存區(qū)的頭數(shù)據(jù)和尾數(shù)據(jù)，front和rear之間的數(shù)據(jù)段即緩存區(qū)緩存的數(shù)據(jù)，當(dāng)一個數(shù)據(jù)存入緩存區(qū)時，front加1一次，當(dāng)一個數(shù)據(jù)取出的時，rear減1一次，當(dāng)front等于rear時，表示緩存區(qū)空，當(dāng)(rear+1)％隊(duì)列最大長度等于front時，表示緩存區(qū)滿。采用循環(huán)隊(duì)列方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn)，數(shù)據(jù)從未出現(xiàn)丟包壞包現(xiàn)象。對比以上兩種數(shù)據(jù)處理方式，本實(shí)用新型采用了循環(huán)隊(duì)列方式進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，在后期的實(shí)驗(yàn)中，數(shù)據(jù)收發(fā)及時準(zhǔn)確，效果十分理想。本實(shí)用新型數(shù)據(jù)監(jiān)控中心的一大特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)服務(wù)器數(shù)據(jù)的實(shí)時遠(yuǎn)程共享，即在同一局域網(wǎng)內(nèi)實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)監(jiān)控，監(jiān)控對象可以是局域網(wǎng)的其他客戶端，設(shè)備包括移動終端或個人PC等。為實(shí)現(xiàn)這一功能，監(jiān)控中心采用了C/S網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進(jìn)行的設(shè)計(jì)，C/S架構(gòu)是一種比較成熟的軟件架構(gòu)，主要應(yīng)用于局域網(wǎng)內(nèi)。在這之前經(jīng)歷了集中計(jì)算模式，隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)步與發(fā)展，尤其是可視化工具的應(yīng)用，出現(xiàn)過兩層C/S和三層C/S架構(gòu)，不過一直很流行也比較經(jīng)典的是我們所要研究的兩層C/S架構(gòu)[49]。所以本實(shí)用新型采用了兩層C/S網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。數(shù)據(jù)監(jiān)控中心(WiFi方式下)需要同時具備兩種工作模式，即模式1(客戶端模式)和模式2(服務(wù)端)。模式1即數(shù)據(jù)監(jiān)控中心作為客戶端連接ZigBee-WiFi網(wǎng)關(guān)(服務(wù)端)，數(shù)據(jù)監(jiān)控中心與ZigBee-WiFi網(wǎng)關(guān)進(jìn)行相互通信，采集數(shù)據(jù)并存儲到數(shù)據(jù)庫中；模式2即數(shù)據(jù)監(jiān)控中心作為服務(wù)器，同一局域網(wǎng)內(nèi)的其他客戶端通過IP地址和端口號連接數(shù)據(jù)監(jiān)控中心(服務(wù)器)，數(shù)據(jù)監(jiān)控中心將接收到的實(shí)時數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，各個客戶端接收轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。本實(shí)用新型中，由于數(shù)據(jù)監(jiān)控中心必須擁有兩種工作模式(客戶端模式和服務(wù)器模式)，才能滿足整個系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收、處理以及存儲任務(wù)和數(shù)據(jù)的共享任務(wù)不沖突，提高整個系統(tǒng)的運(yùn)行效率，本實(shí)用新型采用了多線程方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。數(shù)據(jù)監(jiān)控中心的主線程通過WiFi方式或串口方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集處理和存儲，建立服務(wù)器模式，隨后系統(tǒng)處于監(jiān)聽狀態(tài)，一旦有客戶端請求加入服務(wù)器，服務(wù)器便會為該客戶端創(chuàng)建新線程，與客戶端建立連接，進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，當(dāng)客戶端斷開服務(wù)器時，觸發(fā)服務(wù)器結(jié)束線程事件，終結(jié)本次線程。在Qt的線程服務(wù)器，基于QTcpServer和QThread類進(jìn)行開發(fā)。在QTcpServer類中，對IP地址和端口的監(jiān)聽，QTcpServer有一個虛函數(shù)incomingConnection()，當(dāng)服務(wù)器監(jiān)聽到一個客戶端試圖建立連接的時候，便會自動調(diào)用incomingConnection()函數(shù)，在該函數(shù)中就實(shí)現(xiàn)了新線程的建立[50]。本實(shí)用新型將新建的線程放入一個線程池中，通過對線程池的操作，實(shí)現(xiàn)線程的管理。在QTcpServer類中，服務(wù)器在監(jiān)聽到客戶端建立socket請求時，會為此socket分配一個唯一的標(biāo)識socketDescriptor，再將socketDescriptor傳入到Thread中，在QThread類中，通過socketDescriptor建立socket連接，實(shí)現(xiàn)通信的建立。本實(shí)用新型同時進(jìn)行了無線傳感網(wǎng)絡(luò)火災(zāi)監(jiān)測抗干擾設(shè)計(jì)，具體包括：1、ZigBee和WiFi共存設(shè)計(jì)本實(shí)用新型采用了ZigBee-WiFi網(wǎng)關(guān)，再加上建筑物內(nèi)其他WiFi設(shè)備的存在，使得Zigbee和Wi-Fi系統(tǒng)共存。如果兩者均工作在2.4GHz的ISM頻段，彼此間的信號干擾成為一個嚴(yán)重的問題，所以Zigbee和Wi-Fi的共存抗干擾問題必須得到解決。1.1、Zigbee和Wi-Fi的信道分布(1)ZigBee信道分布IEEE802.15.4(Zigbee)工作在ISM(Industrial、ScientificandMedical)頻帶，它擁有3個頻段和27個物理信道，其中868MHz頻段占用了一個信道；915MHz頻段占用了10個信道，信道間隔為2MHz；2.4GHz頻段占用了16個信道，信道間隔為5MHz。具體信道分配如表3所示。表3ZigBee(全球)信道分布信道編號中心頻率/MHz信道間隔/MHz頻率上限/MHz頻率下限/MHzk＝0868.30868.6868.0k＝1,2,…,10906+2(k-1)2928.0902.0k＝11,12,…,262401+5(k-11)52483.52400.0其中2.4GHz是全球通用ISM頻段，915MHz是北美的ISM頻段，896MHz是歐洲認(rèn)可的ISM頻段。由于我們處于中國大陸地區(qū)，所以本實(shí)用新型主要考慮ZigBee(中國)在2.4GHz頻段的信道分布。(2)WiFi信道分布WiFi協(xié)議所用的信道主要集中在2.4GHz和5GHz頻段，同時，由于世界各國對于無線電信道用途的差異，所以2.4GHz和5GHz頻段的信道開放程度也是不同的。如表4所示，是世界主要國家WiFi在2.4GHz頻段信道分布情況，這其中既有出于國家安全的考慮，也有被其他應(yīng)用占用的情況，由于本實(shí)用新型的ZigBee所占信道均處于2.4GHz，所以在此只分析WiFi(中國)處于2.4GHz的信道分布情況。表4世界主要國家WiFi在2.4GHz頻段信道分布1.2、Zigbee和Wi-Fi的抗干擾方案通過對比ZigBee(中國)與WiFi(中國)的信道分布圖，不難發(fā)現(xiàn)，Zigbee和Wifi的信道重疊區(qū)域較大，Wifi最常用的信道是1、6、11，其與Zigbee信道無重疊的部分可以是Wifi信道4個邊角。Wifi邊界頻點(diǎn)2.402Ghz偏左，對應(yīng)Zigbee的11信道，頻點(diǎn)2.405Ghz。Wifi的3、4信道間，頻點(diǎn)為2.422到2.427Ghz之間，對應(yīng)Zigbee的15信道，頻點(diǎn)2.425Ghz。Wifi的8、9信道間，頻點(diǎn)為2.447到2.452Ghz之間，對應(yīng)Zigbee的20信道，頻點(diǎn)2.450Ghz。Wifi邊界頻點(diǎn)2.483Ghz偏右，對應(yīng)Zigbee的26信道，頻點(diǎn)2.480Ghz，所以要避免Zigbee收到Wifi的影響，比較理想的信道要配置在11、15、20、26。同時根據(jù)頻段越低，傳輸距離越遠(yuǎn)的原理，所以建議還是分配在11信道。在Z-stack中可以在f8wConfig.cfg里設(shè)置信道，相關(guān)部分如下：/********************************************************************/*DefaultchannelisChannel11-0x0B*///Channelsaredefinedinthefollowing://0:868MHz0x00000001//1-10:915MHz0x000007FE//11-26:2.4GHz0x07FFF800//-DMAX_CHANNELS_868MHZ0x00000001//-DMAX_CHANNELS_915MHZ0x000007FE//-DMAX_CHANNELS_24GHZ0x07FFF800//-DDEFAULT_CHANLIST＝0x04000000//26-0x1A//-DDEFAULT_CHANLIST＝0x02000000//25-0x19//-DDEFAULT_CHANLIST＝0x01000000//24-0x18//-DDEFAULT_CHANLIST＝0x00800000//23-0x17//-DDEFAULT_CHANLIST＝0x00400000//22-0x16//-DDEFAULT_CHANLIST＝0x00200000//21-0x15//-DDEFAULT_CHANLIST＝0x00100000//20-0x14//-DDEFAULT_CHANLIST＝0x00080000//19-0x13//-DDEFAULT_CHANLIST＝0x00040000//18-0x12//-DDEFAULT_CHANLIST＝0x00020000//17-0x11//-DDEFAULT_CHANLIST＝0x00010000//16-0x10//-DDEFAULT_CHANLIST＝0x00008000//15-0x0F//-DDEFAULT_CHANLIST＝0x00004000//14-0x0E//-DDEFAULT_CHANLIST＝0x00002000//13-0x0D//-DDEFAULT_CHANLIST＝0x00001000//12-0x0C-DDEFAULT_CHANLIST＝0x00000800//11-0x0B//這里默認(rèn)使用的是編號為11的信道********************************************************************/本實(shí)用新型無線傳感網(wǎng)絡(luò)火災(zāi)監(jiān)測節(jié)點(diǎn)部署如下：當(dāng)前ZigBee網(wǎng)絡(luò)的路由算法分為：AODV(AdhocOn-demandDistanceVectorRouting)路由協(xié)議和Cluster-Tree算法(樹型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)路由)。AODV路由協(xié)議是一種純粹的按需路由協(xié)議，利用擴(kuò)展環(huán)搜索算法來?xiàng)l件搜索節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間的動態(tài)自發(fā)性路由，使節(jié)點(diǎn)獲得通向指定目標(biāo)的路由路徑。Cluster-Tree算法則是根據(jù)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)地址來計(jì)算下一跳的算法。AODV路由協(xié)議是一種按需驅(qū)動路由協(xié)議，當(dāng)源節(jié)點(diǎn)向目標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包時，源節(jié)點(diǎn)才開始在網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行路由查找，在完成路由路徑的規(guī)劃后，才進(jìn)行數(shù)據(jù)包發(fā)送。AODV路由協(xié)議的工作原理是一旦有建立連接的需求，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)就會立即廣播一個連接請求，網(wǎng)絡(luò)中的其他路由節(jié)點(diǎn)則轉(zhuǎn)發(fā)該請求消息，并存儲源節(jié)點(diǎn)地址和返回源節(jié)點(diǎn)的臨時路由路徑。當(dāng)接收到連接請求的路由節(jié)點(diǎn)知道目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的路由路徑時，便會把這些路由路徑信息按照先前記錄的路徑送回至源節(jié)點(diǎn)，于是源節(jié)點(diǎn)就開始使用具有最短跳數(shù)的路由路徑。當(dāng)鏈路斷掉，路由錯誤就被回送至源節(jié)點(diǎn)，源節(jié)點(diǎn)再次發(fā)起路由查找的過程。Cluster-Tree是由協(xié)調(diào)器生成的簇樹狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，不需要存儲路由表。該算法原理如下：當(dāng)一個路由節(jié)點(diǎn)(網(wǎng)絡(luò)地址為A，網(wǎng)絡(luò)深度為d)收到目標(biāo)地址為D的轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包時，該路由節(jié)點(diǎn)先要判斷目標(biāo)地址為D的節(jié)點(diǎn)是否為其自身的一個子節(jié)點(diǎn)，再根據(jù)判斷的結(jié)果采取不同的方式來處理這個數(shù)據(jù)。若目標(biāo)地址為D的節(jié)點(diǎn)滿足下式：A＜D＜A+Cskip(d-1)則可以判斷地址為D的節(jié)點(diǎn)是A地址節(jié)點(diǎn)的一個后代節(jié)點(diǎn)。其中，Lm是網(wǎng)絡(luò)最大深度，Cm是一個父設(shè)備能接受的最大子節(jié)點(diǎn)數(shù)；Rm是一個父設(shè)備能接受的最大路由子節(jié)點(diǎn)數(shù)；d是設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)深度。如果計(jì)算結(jié)果不滿足式A＜D＜A+Cskip(d-1)，則地址為D的節(jié)點(diǎn)是A地址節(jié)點(diǎn)的父節(jié)點(diǎn)。判斷后采取的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)措施如下：(1)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)是自身的一個后代節(jié)點(diǎn)，若地址為D的節(jié)點(diǎn)是A地址節(jié)點(diǎn)的孩子節(jié)點(diǎn)，那么下一跳的地址就是目標(biāo)地址；若地址為D的節(jié)點(diǎn)不是A地址節(jié)點(diǎn)的孩子節(jié)點(diǎn)，則可利用下式計(jì)算出下一跳節(jié)點(diǎn)地址。其中int為取整函數(shù)；(2)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)不是自身的一個后代節(jié)點(diǎn)，路由節(jié)點(diǎn)則將數(shù)據(jù)包送交自己的父節(jié)點(diǎn)處理。本實(shí)用新型節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)部署采用了ZigBee支持的另一種點(diǎn)對點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)形式——樹狀拓?fù)?，樹狀拓?fù)洳捎昧薈luster-Tree算法與AODVjr算法相結(jié)合的路由算法，其中Cluster-Tree算法指的是消息沿著樹狀拓?fù)溥M(jìn)行傳輸，其不需要存儲路由表。而AODVjr算法則是對AdHoc按需距離矢量路由算法的改進(jìn)，考慮到節(jié)能和便捷性等因素，對AODV的一些特點(diǎn)進(jìn)行了簡化，但是仍然保留了AODV的原始功能。這兩種算法在ZStack-2007協(xié)議棧中已經(jīng)打包成庫，在其配置文件f8wConfig.cfg中可選擇路由算法和通信模式。在樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，ZigBee協(xié)調(diào)器(PAN協(xié)調(diào)器)建立了初始網(wǎng)絡(luò)，ZigBee路由器組成了分支并轉(zhuǎn)發(fā)信息，而ZigBee終端節(jié)點(diǎn)作為葉節(jié)點(diǎn)且不參與消息路由。ZigBee路由節(jié)點(diǎn)可以幫助擴(kuò)建ZigBee協(xié)調(diào)器建立的初始網(wǎng)絡(luò)。數(shù)據(jù)由A端設(shè)備、B端設(shè)備到協(xié)調(diào)器設(shè)備的傳輸過程，而協(xié)調(diào)器設(shè)備即本實(shí)用新型的ZigBee-WiFi網(wǎng)關(guān)設(shè)備。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)部署應(yīng)該遵循國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的基本要求，國家標(biāo)準(zhǔn)中分為感煙探測器、感溫探測器、可燃?xì)怏w傳感器、火焰?zhèn)鞲衅?。本系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)將以上探測器基于一體，所以在部署上，煙霧傳感器根據(jù)節(jié)點(diǎn)根據(jù)使用環(huán)境自行選擇(MQ-2模塊和HIS-07模塊)，除煙霧傳感器外，不區(qū)分探測器類型的進(jìn)行部署，減少了用戶對探測器選型判斷的麻煩。根據(jù)節(jié)點(diǎn)測試結(jié)果，本實(shí)用新型制定了不同建筑區(qū)域的節(jié)點(diǎn)選型方案，如表5所示。表5不同建筑區(qū)域的節(jié)點(diǎn)選型方案除了以上的部署分類建議外，由于建筑物內(nèi)部環(huán)境的特殊性與復(fù)雜性，不同的建筑部署方案不盡相同，所以在結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的同時，還應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場的測試情況及時的調(diào)整部署方案，以達(dá)到最優(yōu)監(jiān)測的效果。當(dāng)前第1頁1 2 3