【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 Ad Hoc 網(wǎng)絡(luò)， 它允許 用多跳路由的途徑在網(wǎng)絡(luò)中傳送數(shù)據(jù)。這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 適合 用 于設(shè)備分布范圍 較 廣的應(yīng)用，比如在貨物庫(kù)存 的 跟蹤 、工業(yè) 上的 檢測(cè)與控制 以及 農(nóng)田 的 監(jiān)管等方面。 星型網(wǎng)與對(duì)等網(wǎng)相互結(jié)合便形成了 混合網(wǎng)。混合網(wǎng) 各個(gè)子網(wǎng) 的 內(nèi)部以星型連接， 而它的 主器件又以對(duì)等 的方式相互連接。信息流首先傳至 同一 個(gè) 子網(wǎng)內(nèi) 部 的主節(jié)點(diǎn) 上 ， 然后 通過(guò)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn) 再 到達(dá)更高層 的 子網(wǎng)，隨后繼續(xù)上傳 一直到其 到達(dá)中心采集節(jié)點(diǎn) 為止 ?；旌暇W(wǎng)可 以用在 覆蓋 的 范圍比較大的區(qū)域， 比 如智能 樓房 的控制網(wǎng)絡(luò)。但 是 由于任何 的控制和同步信息都要通過(guò) 多重 的 鏈路 來(lái) 到達(dá)接收點(diǎn)， 所以 要實(shí)現(xiàn)同步和控制 會(huì) 比較困難。 Zigbee的技術(shù)特點(diǎn) 目前的 無(wú)線通信技術(shù)主要有 藍(lán)牙、 移動(dòng)通信 、無(wú)線局域網(wǎng) wifi 等幾種模式。由于 Zigbee 具有功耗低、價(jià)格低、 數(shù)據(jù)傳輸 速 率 低 、傳 輸范圍小和支持 的節(jié)點(diǎn)眾多等優(yōu)點(diǎn)，因此它和 其他 的同類(lèi)型陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 3 頁(yè)，共 55 頁(yè) 無(wú)線通信技術(shù)相比 之下，優(yōu)勢(shì)盡顯無(wú)疑 [6]。 ①數(shù)據(jù) 的 傳輸速率低： Zigbee 技術(shù) 的數(shù)據(jù)傳輸速率僅 有 10k 字節(jié) /秒到 250k 字節(jié) /秒，專(zhuān)注于 傳輸 速率低 的 應(yīng)用；功耗低：在 待機(jī) 的 模式下，兩節(jié)普通 的 5號(hào)干電池 就能 使用 6 個(gè)月到 2 年，省 去了充電或 者 頻繁更換電池的麻煩。 而 這也是 Zigbee 的支持者 們 一直 以來(lái)比較自豪 的 獨(dú)到優(yōu)勢(shì) 。 ②成本低： Zigbee 數(shù)據(jù)傳輸 的 速率低，協(xié)議簡(jiǎn)單，因此很 大 程度的 降低了成本， 且 Zigbee 協(xié)議免收專(zhuān)利費(fèi)。 ③時(shí)延短：一般時(shí)延是 在 15 毫秒至 30 毫秒之間； ④ 安全： Zigbee 提供了數(shù)據(jù)完整性 的 檢查和鑒權(quán)功能，加密算法采用 AES128，還 可以靈活 的確定它的 安全屬性； ⑤ 有效范圍?。?Zigbee 有效覆蓋范圍為 10～ 75 米之間，具體依據(jù)實(shí)際發(fā)射功率的大小和各種不同應(yīng)用模式而定，基本上可以 覆蓋普通 家庭 環(huán)境 或 者 辦公室 的 環(huán)境； 隨著研究 進(jìn)一步 的 深入，傳感器將 會(huì) 變得更小，而且功能 也會(huì)越來(lái)越完善。最終 他們 有可能會(huì)縮小至塵埃大小。那 時(shí) 將會(huì)釋放更多的 微小傳感器 到大氣中去 檢測(cè)任何東西。 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在 工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)線的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、 核電廠的 安全檢測(cè)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集以及井礦中 的應(yīng)用，正變得 日漸 成熟。在工廠安裝 這種基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò) 技術(shù) 的監(jiān)測(cè) 系統(tǒng)必然會(huì) 大大的 改善工廠 運(yùn)作 的 條件，降低設(shè)備 的 維護(hù)成本 。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò) 技術(shù)還 在工業(yè)自動(dòng)化 的 領(lǐng)域 中 應(yīng)用 ，與其他 的 領(lǐng)域有所不同， 它 主要表現(xiàn)在不同傳感器 的 節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量不同， 且傳感器 的 節(jié)點(diǎn)往往是固定安裝在生產(chǎn)線上，其網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)一般是靜態(tài)的。因此，本設(shè)計(jì)將致力于研究一種基于 Zigbee的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，利用通信模塊組建小型無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，并進(jìn)行傳感器網(wǎng)絡(luò)的軟硬件設(shè)計(jì)。 煙霧超標(biāo)報(bào)警器的意義在于可以實(shí)現(xiàn)對(duì)普通環(huán)境中煙 霧濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，以減少煙霧有毒氣體對(duì)人體的傷害，通過(guò)報(bào)警來(lái)警示人們所處環(huán)境的煙霧濃度過(guò)高?，F(xiàn)在家具產(chǎn)品多種多樣，智能化、小型 化的節(jié)能、綠色、安全產(chǎn)品越來(lái)越受到普通大眾的青睞。該設(shè)計(jì)以其 智能 化、 小型 化并且設(shè)計(jì)的電路系統(tǒng)簡(jiǎn)潔明了、電路構(gòu)成簡(jiǎn)單、 實(shí)用性強(qiáng) 、 易于維護(hù) 等特點(diǎn)能夠廣泛的應(yīng)用于居民、企事業(yè)單位等多方面的安全防范。 本課題主要是研究并實(shí)現(xiàn)一個(gè)基于 Zigbee 協(xié)議的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的火災(zāi)監(jiān)控系 統(tǒng) ，這個(gè)系統(tǒng) 由兩 個(gè)部分組成：發(fā)送端 和 接收端 。 本課題具體的研究?jī)?nèi)容大致有以下幾部分，分別如下： 第一部分緒論 簡(jiǎn)單 的 介紹選題的背景，課題所用技術(shù) Zigbee發(fā)展的國(guó)內(nèi)外相關(guān)的研究現(xiàn)狀，隨后講述了本課題要完成的任務(wù)以及所要實(shí)現(xiàn)的功能。 第二 部分 方案選擇主要論述了本課題總體的設(shè)計(jì)思想及系統(tǒng)框圖，對(duì)系統(tǒng)各個(gè)模塊所用芯片進(jìn)行了選擇。 第三 部分 硬件設(shè)計(jì)主要 介紹了系統(tǒng)所用芯片的功能和特點(diǎn)，以及芯片之間連接的方法，并給出了詳細(xì)的設(shè)計(jì)電路圖。 第四 部分 系統(tǒng) 的軟件設(shè)計(jì) 描述了 無(wú)線模塊各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間數(shù)據(jù) 傳輸 的原理以及主從模塊軟件設(shè)計(jì)流程。 第五部分系統(tǒng)調(diào)試主要論述了系統(tǒng)的軟件調(diào)試和硬件部分各個(gè)電路的調(diào)試。 2 系統(tǒng)方案選擇 森林火災(zāi)不僅給人類(lèi) 經(jīng)濟(jì) 的 建設(shè)造 成 了 巨大 的 損失，破壞 了生態(tài)環(huán)境，而且也 威脅到 了我們 人類(lèi) 的生命以及財(cái)產(chǎn)安全。傳統(tǒng)的森林防火方式不是很完善 ，只能做一些 簡(jiǎn)單的 防備措施， 而 不能主陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 4 頁(yè)，共 55 頁(yè) 動(dòng) 的 實(shí)時(shí) 的 監(jiān)控森林 具體 的 情況。 只要 了解 了森林火災(zāi)發(fā)生 的條件，防火系統(tǒng) 的 設(shè)計(jì) 也 就有跡可循。Zigbee 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)具有功率小、成本低的優(yōu)點(diǎn)，因此，本文基于 ZigBee 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建了森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并通過(guò)監(jiān)測(cè)煙霧對(duì)數(shù)據(jù)濃度實(shí)現(xiàn)火災(zāi)防范，完成一定范圍內(nèi)的監(jiān)測(cè)報(bào)警。 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，主模塊具體分為主控芯片、時(shí)鐘模塊、顯示模塊、 傳感器模塊、無(wú)線模塊這五個(gè)部分，系統(tǒng)框圖如圖 ： S T C 8 9 C 5 2 模 模S T C 8 9 C 5 2 模 模C C 2 5 3 0 模 模C C 2 5 3 0 模 模模 模 模 模 模 模模 模 模 模 模 模L C D 模 模 模 模模 模 模 模模 模 模 模 模 模 模 模 模 模 圖 基于 Zigbee 的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng) 原理框圖 AT 系列和 STC系列單片機(jī)的選擇： AT89C 系列 單片機(jī)不能進(jìn)行在線編程， AT89C 系列和 STC系列都可以 ISP 在線編程，但 是 STC可通過(guò)串口在線編程，而 AT 系列采用并口編程方式，相對(duì)來(lái)說(shuō)， STC的編程方式更為簡(jiǎn)單也較 為 普遍，基于這一點(diǎn)，本設(shè)計(jì)選擇 STC系列。 51 和 52 系列的選擇： 51系列具有 4KROM存儲(chǔ) 空間，而 52系列有 8KROM 存儲(chǔ)空間，容量較 51 來(lái)說(shuō)大一些。根據(jù)以上分析，本次畢業(yè)設(shè)計(jì)采用 STC89C52 芯片， STC89C52 是一款功耗低，高性能的 8 位 CMOS微控制器，具有 8K 可編程 Flash 存儲(chǔ)器，方便下載程序，性價(jià)比高，能較好的適應(yīng)本實(shí)驗(yàn)要求。 方案一：采用單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘功能， 通過(guò)計(jì)算可以知得，使定時(shí)器每 25ms 產(chǎn)生一次中斷，當(dāng)產(chǎn)生 40 次中斷后秒單元將加一，依次類(lèi)推，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)時(shí)、分和秒的計(jì)時(shí)，并通過(guò)LCD1602 對(duì)時(shí)間加以顯示。 方法較為簡(jiǎn)單，簡(jiǎn)化硬件電 路，但在時(shí)間精度上必然與實(shí)際時(shí)間有一定的差距，不符合設(shè)計(jì)中對(duì)實(shí)時(shí)顯示精度的要求，故不采用此方案。 方案二：采用 DS1302 實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片， DS1302可提供精準(zhǔn)的秒、分、時(shí)、日、星期、月和年等時(shí)間信息，耗電低，工作電壓較寬，有專(zhuān)用的內(nèi)部寄存器用于存放定時(shí)信息，可實(shí)現(xiàn)對(duì)開(kāi)關(guān)的定時(shí)控制要求。故采用 DS1302 來(lái)作為時(shí)鐘芯片。 方案一 :采用 LED數(shù)碼管顯示。 LED數(shù)碼管具有亮度大，接口電路簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，但它只能顯示數(shù)字和簡(jiǎn)單字母，而設(shè)計(jì)中要求顯示時(shí)、分、秒、年、月、 日等多個(gè)信息，使用數(shù)碼管的話會(huì)使硬件電路設(shè)計(jì)龐雜，而且連線復(fù)雜，單片機(jī)接口欠缺，不夠使用，故不采用此方案。 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 5 頁(yè)，共 55 頁(yè) 方案二 :采用 LCD1602液晶屏顯示。 LCD1602使用非常普遍，在生活中很多地方都能見(jiàn)到 LCD1602液晶顯示屏，例如計(jì)算器，遙控器，家用電器等，它主要用來(lái)顯示數(shù)字，字母，專(zhuān)用字符和圖形，具有顯示質(zhì)量高、功耗低、體積小等優(yōu)點(diǎn)，此外， LCD1602 采用數(shù)字式接口，與單片機(jī)連線簡(jiǎn)單，故采用 LCD1602來(lái)顯示時(shí)鐘。 煙霧傳感器的主要分為 離子式煙霧 傳感器 、 光電式煙霧傳感 和 氣敏式煙霧傳感器 。 （ 1） 光電式煙霧傳感 器： 光電式煙霧傳感 器 煙霧傳感 器 內(nèi) 部 有一個(gè)光學(xué)迷宮，安裝有紅外對(duì)管，沒(méi)有 煙 霧 時(shí)紅外接收管 接 收不到紅外發(fā)射管發(fā) 射 出的紅外光 線 ，當(dāng)煙 霧 進(jìn)入光學(xué)迷宮時(shí)，通過(guò)折射、反射 后 ，接收管接收到紅外光 線 ，報(bào)警電路判斷是否超過(guò)閾值，超過(guò) 則 發(fā)出警報(bào) ，反之則不然。 （ 2） 離子式煙霧 傳感器 ： 離子式煙霧傳感器是一種 采用 先進(jìn)技術(shù)， 工作穩(wěn)定可靠的傳感器， 廣泛 的 運(yùn)用到各 種 消防報(bào)警系統(tǒng)中， 它的 性能遠(yuǎn) 遠(yuǎn) 優(yōu)于 由光電式煙霧傳感器構(gòu)成 的火災(zāi)報(bào)警器。 （ 3） 氣敏式煙霧傳感器 ：該 煙霧傳感 器 是一種檢測(cè)特定氣體的傳感器。它主要包括半導(dǎo)體氣敏傳感器、接觸燃燒式氣敏傳感器和電化學(xué)氣敏傳感器等，其中用的最多 的是半導(dǎo)體氣敏傳感器。 半導(dǎo)體氣敏元件有 N 型和 P 型之分。 N 型在檢測(cè)時(shí) 其 阻值隨 著 氣體濃度的增大而減小 ， P 型阻值隨氣體濃度的增大而增大。 當(dāng)溫度在 200～ 300℃ 時(shí) 半導(dǎo)體氣敏元件 讓 空氣中的氧吸附 在元件表面 ， 當(dāng)氧負(fù)離子吸附在 半導(dǎo)體氣敏元件 表面可以 形成氧負(fù)離子吸附， 氧負(fù)離子的減少就會(huì) 使半導(dǎo)體中的電子密度減少， 從而 使其電阻值增加。當(dāng)遇到 空氣中 可燃?xì)怏w時(shí)，由 于 可燃?xì)怏w能 夠提 供 給 電子 ，可燃?xì)怏w中就會(huì)有 正離子 附著 在金屬氧化物半導(dǎo)體 的 表面 ， 氧 負(fù)離子 放出電子 使 可燃 性 氣體 也以正離子 的吸附 而 放出 了 電子， 阻值下降 就是因?yàn)?半導(dǎo)體電子密度 的 增加。 此次使用的 氣敏式煙霧傳感器 選擇的具體型號(hào)為 MQ2。該傳感器常用于家庭 以及 工廠的氣體泄漏裝置，適宜于煙霧、酒精、丁烷、丙烷、甲烷、液化氣、氫氣等的探測(cè)。本設(shè)計(jì)選用 的 MQ2型氣體傳感器，這種型號(hào)的傳感器的特點(diǎn)是靈敏度高、響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)、壽命長(zhǎng)、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。 的 選擇 方案 一 ：基于 紅外線強(qiáng)度的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng) 基于紅外線強(qiáng)度的火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)，其核心是利用 51單片機(jī)作為控制中心，火焰?zhèn)鞲衅髯鳛樾盘?hào)采集工具，鍵盤(pán)作為系統(tǒng)配置紅外信息中介，數(shù)碼管作為信息顯示器，蜂鳴器和 LED燈作為 聲光報(bào)警裝置。本文主要負(fù)責(zé)軟件部分的設(shè)計(jì)，主要完成了整個(gè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)。整個(gè)系統(tǒng)共分為四個(gè)模塊，有 A/D轉(zhuǎn)換模塊，鍵盤(pán)輸入模塊，數(shù)碼管顯示，聲光報(bào)警模塊。 方案二： 基于藍(lán)牙設(shè)計(jì)的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng) 藍(lán)牙技術(shù)是一種短 距離 無(wú)線通信技術(shù)，用 于 替代數(shù)字設(shè)備和計(jì)算機(jī)外設(shè)間的電纜連線 ， 以及實(shí)現(xiàn)數(shù)字設(shè)備間的無(wú)線組網(wǎng) [7]。 首先由單片機(jī)通過(guò)藍(lán)牙模塊接收數(shù)據(jù)，然后將該數(shù)據(jù)導(dǎo)入 LCD屏進(jìn)行顯示，同時(shí)單片機(jī)對(duì)煙霧值進(jìn)行分析處理， 將 煙霧值與設(shè)定值進(jìn)行比較，若煙霧值大于設(shè)定的值即刻啟動(dòng)報(bào)警 。 方案 三 ：基于 Zigbee的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng) ZigBee 是一種用于近距離無(wú)線連接的無(wú)線通信技術(shù)。 ZigBee 傳感器網(wǎng)絡(luò)由大量具有不同功能的微小傳感器 來(lái) 實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)，這些傳感器只需 很少的能量就能以接力的方式將數(shù)據(jù)從一個(gè)節(jié)點(diǎn)傳到下一個(gè) 節(jié)點(diǎn)，所以 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)具有很高的通信效率 [8]。 Zigbee 模塊 接受到來(lái)自傳感器的數(shù)據(jù)后 顯示 數(shù)值 ，并根據(jù)事先定制好的規(guī)則判斷煙霧 是否超標(biāo) ，如果有煙霧 超標(biāo) 則 發(fā)出報(bào)警信息， 并 驅(qū)動(dòng)報(bào)警電路發(fā)出報(bào)警 。 幾種無(wú)線傳輸方式的比較如表 所示。 表 幾種無(wú)線傳輸方式的比較 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 6 頁(yè)，共 55 頁(yè) 藍(lán)牙 紅外 Zigbee 系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo) 較大 小 小 電池壽命 較短 長(zhǎng) 最長(zhǎng) 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn) 2 255/65000+ 物理范圍（有效） 10m 定向 1m 1100+ 傳輸率 1Mbps 16Mpbs 20/250Mbps 傳輸介質(zhì) 射頻 980nm 紅外 射頻 根據(jù)國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，火災(zāi)報(bào)警 系統(tǒng) 應(yīng)具有故障修復(fù) 的 功能 來(lái) 保證 系統(tǒng) 正常運(yùn)行。 系統(tǒng) 除了 具有比 較好的 穩(wěn)定性 、 實(shí)時(shí)性 和 可靠性外，我們 也 希望 低成本 ， 這樣 方便 于 我們 較 大規(guī)模地在 森林 內(nèi)布置節(jié)點(diǎn)。 除此之外 系統(tǒng) 也 應(yīng) 該 做到 較 節(jié)能，以便 于 系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間 的 運(yùn)行， 這樣就 避免 了 頻繁 得 更換 電池給用戶 所 帶來(lái)的 不便 。 所以 在選擇 用來(lái)構(gòu)建 無(wú)線火災(zāi)報(bào)警 系統(tǒng) 的無(wú)線技術(shù)時(shí)，必須考慮到火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的這些需求 [9]。因此，綜合考慮成本、易操作性、系統(tǒng)性能等因素，最終選擇方案三。 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 7 頁(yè)，共 55 頁(yè) 3 硬件設(shè)計(jì) 本次設(shè)計(jì)的森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件部分主要由 ZigBee模塊、主控芯片（ STC89C52）、時(shí)鐘部分DS130顯示部分 LCD160溫度傳感器電路、煙霧檢測(cè)電路 和 報(bào)警電路部分組成。各部分相互協(xié)作，構(gòu)成有機(jī)統(tǒng)一的整體，從而實(shí)現(xiàn)通過(guò)煙霧濃度實(shí)現(xiàn)火災(zāi)防范的功能。 單片機(jī) 最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì) STC89C52 具有 的 特點(diǎn) 是 ： 40 個(gè)引腳， 128 比特 隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（ RAM）， 4KB 片內(nèi)程序存儲(chǔ)器， 5個(gè)中斷優(yōu)先級(jí) ， 2 層中斷嵌套中斷， 32