【正文】 無線傳感器 n … ZigBee ZigBee 數(shù)據(jù)集中器 監(jiān)控與指揮平臺 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 頁 是簡單的非準(zhǔn)則，而需要同時考慮其他多種因素。 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 頁 第 3 章火災(zāi)報警逃生箱的設(shè)計 原理 火災(zāi)報警逃生箱的設(shè)計理念 火災(zāi)報警逃生箱的工作原理 圖 31 左右旋絲杠平移型夾持器 如圖 31 所示，為產(chǎn)品工作原理圖， 本產(chǎn)品中的溫度、煙霧傳感器在平時保持對 所在場所的 火 災(zāi) 監(jiān)控，當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時，溫度和煙霧濃度達到傳感器報警臨界值，由傳感器將信號傳給單片機，單片機 執(zhí)行的程序中產(chǎn)生中斷 ，由單片機控制電路通電，使得電磁鐵通電 并吸起鎖頭 ， 打開鎖緊裝置， 隨后 由 箱體彈開裝置將活動 箱體打開。 32 箱體展開結(jié)構(gòu)圖 33 火災(zāi)報警逃生箱的選材 本產(chǎn)品主箱體采用 防火耐溫鋼板，活動箱體用活頁連接，箱體彈開裝置由三根相互成梯形的鐵管組成，鐵管內(nèi)部裝有彈簧，活動箱體采用減速彈簧作為減速裝置。 第 4 章火災(zāi)報警逃生箱的結(jié)構(gòu)分析 41主箱體 本產(chǎn)品的主箱體由 防火耐溫 鋼板焊接而成，主要分為不動箱體、正面活動箱體、側(cè)面活動箱體。本產(chǎn)品的體積和長度在設(shè)計時考慮到人體的高度以及 產(chǎn)品 的擺放空間，方 便了 火 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 頁 災(zāi) 逃生人員拿逃生 器材 ，同時在日?；馂?zāi)監(jiān)控中不妨礙用戶的工作與生活。 為保證活動箱體在下落過程中不會與電子元器件盒底部發(fā)生摩擦，特作了箱體下落軌跡測試實驗，實驗結(jié)果表明在電子元器件盒底部與活動箱體頂部留有 2mm 間隙，將有效的避免摩擦。本產(chǎn)品在對逃生用品的擺放上充分考慮了逃生用品的用途以及其擺放空間。 圖 41 箱體閉合結(jié)構(gòu)圖 42電子元器件盒 本產(chǎn)品的電子元件盒外部 的 的 防火耐溫 鋼板焊接而成，電子元件盒的底 部裝有鎖孔，平時用鎖鎖住，維修時電 子元器件 盒上部可打開，置于產(chǎn)品上部的電子元件盒既方便了維修人員檢修又有效的防止了人為破壞。 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 頁 圖 42電路工作原理圖 如圖 42，為電路工作原理圖，當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時，溫度傳感器 AD590 在輸出端VT獲得與火災(zāi)中絕對溫度成正比的電壓量，此電壓量輸入到數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片 ADC0809的 IN0 引腳，另外由于火災(zāi)中氣體煙霧主要是 CO2和 CO，為增加電路可靠性，當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時， TGS202 氣體傳感器能探測 CO2， CO 使傳感器的內(nèi)阻變小 ， VA 迅速上升，同樣 VA 端電壓輸入數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片 ADC0809 的 IN1 引腳， ADC0809 的通道選擇地址 A， B， C分別由 89C51 的 P0． 0～ P0． 2 經(jīng)地址鎖存器 74LS373 輸出提供。圖中 ALE 信號與 ST 信號連在一起，在 WR 信號的前沿寫入地址信號，在其后沿啟動轉(zhuǎn)換。在中斷服務(wù)程序中，將轉(zhuǎn)換好的數(shù)據(jù)送到指定的存儲單元。轉(zhuǎn)換之后的數(shù)字量傳給單片機，單片機程序檢測出該電壓值已達到報警要求，于是 和 輸出高電平， 引腳的高電平使 D1導(dǎo)通，比例電磁鐵得電并吸起箱體蓋的開關(guān)，使箱體蓋打開，而 的高電平使三極管導(dǎo)通，使得復(fù)合型聲光報警器兩邊接在了 12V 電源上，開始工作發(fā)出報警聲和報警燈光。 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 頁 43電子元器件電路圖 本產(chǎn)品的箱體彈開裝置置于電子元件盒的下方，由三根呈 T 型外形的鐵管組成，鐵管內(nèi)部裝有彈簧。為使彈簧的彈力剛好能打開箱體，又不會因為力過大而砸傷人，經(jīng)過反復(fù)的壓力彈簧設(shè)計實驗，選擇了 簧絲直徑 ,外徑 22mm ,總?cè)?shù) 圈的彈簧。 圖 44 箱體彈開裝置 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 頁 箱體鎖緊裝置 本產(chǎn)品的鎖緊裝置將由電器元器件盒內(nèi)的電磁鐵和活動箱體頂部的鎖孔組成，鎖緊裝置共有 3 個電磁鐵，分別鎖緊 3 個活動箱體，電池閥的鎖頭在電池元件盒底部伸出，申入至活動箱體頂部的鎖孔將活動箱體鎖住。如圖 45，為箱體鎖緊裝置平面圖。 本產(chǎn)品中除了單片機外的元器件都統(tǒng)一由 12V的電池組電源供電，主要考慮到系統(tǒng)中大多數(shù)電器元件的額定電壓都是 12V，使用統(tǒng)一的電源可以簡化電路，以免因 為使用過多電源而降低系統(tǒng)的可靠性。且其儲存電量大，足夠整個系統(tǒng)使用一年左右，而本產(chǎn)品的檢修期為半年，可靠性高，保證出現(xiàn)火情時有足夠的電量來驅(qū)動報警燈和電磁閥動作。 2 產(chǎn)品的運動分析 1 電磁鐵的選型 本產(chǎn)品的鎖緊裝置采用了電磁鐵 ，為此，我團隊考慮到活動箱體的重量、內(nèi)部火災(zāi)逃生用品的重量及減速彈簧的彈力，特進行了對電磁鐵吸力的測試，測試表明電磁鐵的吸力在伸縮量為 5mm 為 10N，為保障可靠性，特選用型號為TAU/HCNE11564 的電磁鐵，其參數(shù)如下表所示 。其運動路線圖及運動軌跡圖如下 。主要創(chuàng)新點為以下幾個方面： 本產(chǎn)品既可提供火場逃生用品，又兼具火災(zāi)自動報警及監(jiān)控功能，將火災(zāi)監(jiān)控、報警及逃生有機的結(jié)合在一起。 箱體底部裝有減速彈簧，彈簧的彈性選擇恰當(dāng)，減速彈簧在箱體內(nèi)布局合理，起到緩沖活動箱體下落的作用。 通過單片機控制火災(zāi)報警、監(jiān)控、及電磁閥打開裝置，使得本產(chǎn)品功能齊全，節(jié)省空間，實現(xiàn)全自動化。 箱體底部可以裝萬向輪，使得本產(chǎn)品搬運方便。 產(chǎn) 品可做成單體模塊，四周加凹槽，由客戶根據(jù)需求自行選配。以下將逐一分析： 技術(shù)成本：本產(chǎn)品的技術(shù)是在現(xiàn)有火災(zāi)報警系統(tǒng)上進行創(chuàng)新，添加了電磁閥動作部分使箱體打開，成本較低。硬件電路所用元器件都是常用器件，接線簡單，最后將 所有電路焊在實驗板上，成本也較低。所以維護成本低。 產(chǎn)品的推廣應(yīng)用價值 本產(chǎn)品集成了火災(zāi)監(jiān)控、報警及提供逃生用品等功能，功能齊全，用戶在使用全新產(chǎn)品的同時，大大減少了使用成本。 本產(chǎn)品外 觀簡潔、節(jié)約空間，便于放置且使用簡單。 第五章基于 ZigBee技術(shù)的 樓宇 無線防火網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計 技術(shù)的簡介 ZigBee 技術(shù)是 近期發(fā)展起來的一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無線通信技術(shù)，它是一種介于無線標(biāo)記技術(shù)和藍牙之間的技術(shù)提案，主要用于近距離無線連接。 定義了兩個底層，即物理層 和媒體接入控制 (MediaAccess Control， MAC)層 。 ZigBee 聯(lián)盟成立于 2021 年 8 月，該聯(lián)盟由Invensys、三菱、摩托羅拉、飛利浦等公司組 成，如今已經(jīng)吸引了上百家 芯片 公司、無線設(shè)備公司和開發(fā)商的加入，其目標(biāo)市場是工業(yè)、家庭以及醫(yī)學(xué)等需要低功耗、低成本、對數(shù)據(jù)速率和 QoS(服務(wù)質(zhì)量 )要求不高的無線通信應(yīng)用場合。 技術(shù) 在本設(shè)計中的特點 功耗 低： 工作模式情況下， ZigBee 技術(shù)傳輸速度 低，傳輸數(shù)據(jù)量很小，因此信號的收發(fā)時間很短，在非工作模式時， ZigBee 節(jié)點 出于休眠模式設(shè)備搜索時延一般為 30ms，休眠激活時延為 15ms，活動設(shè)備信道接入時延為 15ms。 ZigBee 省電的特點延長了火災(zāi)報警系統(tǒng)的維修時間。 成本低： ZigBee 協(xié)議簡單且所需的存儲空間小，這極大降低了 ZigBee 的成本，每塊芯片的價格僅 2美元，而且 ZigBee協(xié)議是免專利費的。 技術(shù) 的協(xié)議 （ 1）應(yīng)用層：主要有 與網(wǎng)絡(luò)層連接的 APS、 ZigBee設(shè)備對象、裝置應(yīng)用行規(guī)，主要負(fù)責(zé)把不同的應(yīng)用映射到 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)層上。 （ 2）網(wǎng)絡(luò)安全層：由 ZigBee 聯(lián)盟制定，網(wǎng)絡(luò)層主要實現(xiàn)節(jié)點加入或離開網(wǎng)絡(luò)、接受或拋棄其他節(jié)點、路由查找及傳輸數(shù)據(jù)等功能，支持多種路由算法， 支持星形、樹形、網(wǎng)絡(luò)等多種擴撲結(jié)構(gòu)確保 MAC 層的正確操作，提供合適的鏈接應(yīng)用層得接口。 （ 4） 物理層 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 頁 定義了 物理層和 868915MHz 物理層兩個物理層標(biāo)準(zhǔn)，兩個物理層都基于 DSSS，使用相同的物理層數(shù)據(jù)包格式，區(qū)別在于工作頻率、調(diào)制技術(shù)、擴頻碼片長度和傳輸速率的不同。 無線火災(zāi)監(jiān)控及報警網(wǎng)絡(luò)的介紹 本系統(tǒng)采用 ZigBee標(biāo)準(zhǔn)的射 頻芯片 CC2500和 STC89LE516AD單片機作為無線火災(zāi)報警系統(tǒng)的主控 MCU；利用 STC89S51 單片機 作為智能火災(zāi)報警逃生箱核心控制器。這類方案的特點是擴展性能差，布線繁瑣，影響美觀。無線的方式則比較靈活，避免了重新布線的麻煩，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的基礎(chǔ)設(shè)施不再需要掩埋在地下或隱藏在墻里，無線網(wǎng)絡(luò)可以適應(yīng)移動或變化的需要。系統(tǒng)需要可靠、穩(wěn)定地運行，一旦發(fā)生火警，應(yīng)能立即上報，并且應(yīng)盡量減少誤報和漏報。對于大規(guī)模建筑而言，構(gòu)建一個火災(zāi)報警系統(tǒng)有可能需要成千上萬個傳感器節(jié)點，而且各個探測器節(jié)點通常是由電池供電。此外系統(tǒng) 應(yīng)做到盡可能的節(jié)能，以便系統(tǒng)長時間運行，避免頻繁更換電池給用戶帶來的麻煩。主要包括以下幾個方面 : （ 1）火災(zāi)報警和聯(lián)動控制 當(dāng)探測區(qū)域發(fā)生警情時，探測節(jié)點能夠及時將預(yù)警、火警信號報告給中心火警控制器，火災(zāi)控制器收到火警信息后能夠立刻啟動火災(zāi)現(xiàn)場的消防控制設(shè)備，例如。 （ 2）網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài)實 時監(jiān)測 由于回路是一個無線網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點有可能出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)故障問題，為了保證網(wǎng)絡(luò)的可靠性，系統(tǒng)應(yīng)能實時監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點的工作狀態(tài)，一旦出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)故障，應(yīng)能及時發(fā)現(xiàn)并進行修復(fù)。新建網(wǎng)絡(luò)時，系統(tǒng)應(yīng)記錄下網(wǎng)絡(luò)中各個節(jié)點的類型和地址，并對各個節(jié)點進行地理信息關(guān)聯(lián)，以便系統(tǒng)對單一節(jié)點進行操作，網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)異常時準(zhǔn)確判斷異常節(jié)點所處的位置。這主要是因為之前沒有一項無線通信技術(shù)適合在火災(zāi)監(jiān)控領(lǐng)域進行廣泛的推廣，而且一些無線通信產(chǎn)品的價格偏高，導(dǎo)致無線通信技術(shù)在火災(zāi)監(jiān)控中的應(yīng)用停滯不前。 ZigBee技術(shù)的出現(xiàn)就解決了這些問題。正是由于 ZigBee 技術(shù)具有功耗極低、系統(tǒng)簡單、組網(wǎng)方式靈活、成本低、等待時間短等性能，相對于其他無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它更適合 組建較大范圍的無線火災(zāi)報警逃生系統(tǒng)。無線傳感器將探測到的火災(zāi)信號通過 ZigBee無線通信方式發(fā)送至數(shù)據(jù)集中器；數(shù)據(jù)集中器將收集的數(shù)據(jù)送至火災(zāi)監(jiān)控中心，再由火災(zāi)監(jiān)控中心對這些數(shù)據(jù)進行計算處理和統(tǒng)計評估。根據(jù)預(yù)先設(shè)定的有關(guān)規(guī)則，將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為適當(dāng)?shù)膱缶瘎幼髦笜?biāo)。一個 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)最多支持 65 535 個節(jié)點，完全可以滿足需要。數(shù)據(jù)采集端由傳感器、MCU和無線收發(fā)芯片等組成。數(shù)據(jù)接收端使用相同的無線收發(fā)模塊，并利用 RS232 異步串口與 PC機通信。 無線火災(zāi)報警網(wǎng)絡(luò)的硬件結(jié)構(gòu) 圖 5— 2系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖 STC89LE516AD CC2500 CC2500 STC89LE516AD 傳感器 PC 逃生箱 報警器 RS232 ROM SPI SPI 數(shù)據(jù)采集端 數(shù)據(jù)接收端 監(jiān)控與指揮平臺 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 頁 主控 MCU是 STC89LE516AD 單片機，為 51內(nèi)核增強型 8位單片機，與 Intel MCS51 系列單片機完全兼容。單片機自身固化有 ISP 程序，通過串口下載程序。其工作頻段為 GHz的 ISM 頻段；具有良好的無線接收靈敏度和強大的抗干擾能力；在休眠模式時僅 μ A 的流耗，外部中斷或 RTC 能喚醒系統(tǒng)；在待機模式時少于 μ A的流耗，外部中斷能喚醒系統(tǒng) 。 CC2500 的接收器敏感度為 101 dBm（在 10 kbps 時）；數(shù)據(jù)速率可在 kbps~500 kbps 之間變化；帶有 2個強大的支持幾組協(xié)議的 USART， 以及 1個 MAC 計時器、 1個常規(guī)的 16 位計時器和 2個 8位計時器。在商業(yè)大廈的報警中心設(shè)置一個中央控制器，用以完成對各層控制器之間的協(xié)調(diào)，監(jiān)視和指揮各層控制器的工作情況，根據(jù)實際情況遠(yuǎn)程控制子系統(tǒng)中的防火防盜報警器、火災(zāi)逃生設(shè)備及消防設(shè)備。 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 頁 圖 6— 1 為了提供可視化的操作，實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，選擇 MICROSOFT VISUAL 設(shè)計了上 位主機監(jiān)控界面。 主機通過 RS232 串 口通過 RS232/TTL 電瓶轉(zhuǎn)換，與 ZigBee 網(wǎng)絡(luò) master 節(jié)點進行通信 ， MICROSOFT VISUAL 中 MSC