ZigBee無線火災(zāi)監(jiān)控節(jié)點(diǎn)及其時(shí)鐘同步算法的設(shè)計(jì)

　　傳統(tǒng)的火災(zāi)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)主要通過有線的連接方式進(jìn)行連接。有線連接方式具有安裝費(fèi)用貴、線路易老化和損壞、維護(hù)成本高等缺點(diǎn)，系統(tǒng)安裝之后不易擴(kuò)展，并且系統(tǒng)的故障率高。ZigBee作為一種新興的短距離無線通信技術(shù)[1-2]，憑借其短距離、低功耗、高可靠等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)被廣泛地運(yùn)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)。將ZigBee技術(shù)應(yīng)用到火災(zāi)報(bào)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中，構(gòu)建無線火災(zāi)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，不但可以擺脫線路鋪設(shè)，降低系統(tǒng)安裝維護(hù)費(fèi)用，還可以有效彌補(bǔ)有線火災(zāi)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的不足，提高火災(zāi)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的預(yù)警能力和可靠性。

　　1 基于ZigBee技術(shù)的無線火災(zāi)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)

　　筆者通過長(zhǎng)時(shí)間的理論研究，在前人研究的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)一套基于ZigBee短距離無線通信技術(shù)的火災(zāi)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。該ZigBee無線火災(zāi)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)由主機(jī)、協(xié)調(diào)器、路由器、監(jiān)控節(jié)點(diǎn)四部分構(gòu)成，主機(jī)與協(xié)調(diào)器之間通過串口通信，協(xié)調(diào)器與路由器、路由器與終端節(jié)點(diǎn)之間通過無線連接進(jìn)行通信。

　　2 終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

　　無線煙霧報(bào)警器作為火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)中最重要的傳感器節(jié)點(diǎn)，承擔(dān)著發(fā)現(xiàn)火災(zāi)、預(yù)報(bào)火災(zāi)的重要任務(wù)，設(shè)計(jì)高性能的煙霧報(bào)警器對(duì)于及時(shí)有效的發(fā)現(xiàn)火災(zāi)，避免重大火災(zāi)的發(fā)生有著至關(guān)重要的作用。

　　2.1 硬件設(shè)計(jì)

　　無線煙霧報(bào)警器主要由中央處理及發(fā)射模塊、傳感器模塊兩部分構(gòu)成(圖2)。煙霧報(bào)警節(jié)點(diǎn)采用TI公司的CC2530作為中央處理芯片，它具有高的接收靈敏度和抗干擾性能，可運(yùn)行在不同的工作模式，且功耗低。它的主要任務(wù)是負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)據(jù)的處理、無線傳輸?shù)取?a class="contentlabel" href="http://2s4d.com/news/listbylabel/label/CC2530">CC2530可以搭配具備PA和LNA功能的CC2591芯片進(jìn)行工作，增加傳感器節(jié)點(diǎn)的無線信號(hào)發(fā)射功率，提高信號(hào)傳輸距離，可以有效減少數(shù)據(jù)經(jīng)過的路由器數(shù)量，減小路由節(jié)點(diǎn)的能量損耗。同時(shí)，CC2530芯片可以采用倒F板載天線和外接微型天線的雙天線結(jié)構(gòu)，并可根據(jù)實(shí)際情況選擇所需的天線，增加了節(jié)點(diǎn)的靈活性[3]。

　　無線煙霧報(bào)警器采用MC145010光電煙霧傳感器，MC145010 是低電流 BiCMOS 煙霧報(bào)警器電路。該電路包括功率極低的數(shù)模電路，它與紅外光電腔體同時(shí)使用，通過接收微小的煙霧顆粒所散射的光來達(dá)到檢測(cè)煙霧的目的。當(dāng)檢測(cè)到煙霧時(shí)，該電路中的推挽式輸出電路會(huì)驅(qū)動(dòng)外圍的蜂鳴器發(fā)出報(bào)警聲。煙霧報(bào)警器的CC2530芯片可以實(shí)時(shí)采集MC145010的狀態(tài)信息，通過無線方式傳輸給無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的主協(xié)調(diào)器。本煙霧報(bào)警器具備溫度采集功能，報(bào)警器采用DS18B20溫度傳感器，DS18B20溫度傳感器具有體積小、抗干擾能力強(qiáng)、測(cè)量溫度范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)監(jiān)控范圍內(nèi)的溫度，可以通過CC2530芯片設(shè)置監(jiān)控溫度報(bào)警閾值，在很大程度上提高了煙霧報(bào)警器的可靠性能。除此之外，CC2530支持14 位的ADC模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換，多達(dá)8個(gè)可配置通道，通過寄存器配置，可以將8個(gè)端口配置為內(nèi)部ADC輸入通道，無需外置A/D轉(zhuǎn)換器，可以擴(kuò)展到使用燃?xì)鈧鞲衅?、火焰?zhèn)鞲衅?、一氧化碳傳感器等多種傳感器，使節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)大大簡(jiǎn)化，體積減小，穩(wěn)定性提高，且擴(kuò)展方便。

　　2.2 無線煙霧報(bào)警器工作狀態(tài)流程圖

　　無線煙霧報(bào)警器工作狀態(tài)包括正常工作狀態(tài)和報(bào)警工作狀態(tài)，報(bào)警器上電后即進(jìn)入正常工作狀態(tài)，報(bào)警器會(huì)定時(shí)采集報(bào)警器狀態(tài)信息并發(fā)送給協(xié)調(diào)器，報(bào)警器在正常工作狀態(tài)下會(huì)進(jìn)入周期性休眠狀態(tài)，減少節(jié)點(diǎn)電量消耗。當(dāng)傳感器檢測(cè)到火災(zāi)報(bào)警信號(hào)后會(huì)觸發(fā)蜂鳴器報(bào)警并改變工作狀態(tài)進(jìn)入報(bào)警工作狀態(tài)，當(dāng)報(bào)警狀態(tài)消除后會(huì)再次進(jìn)入正常工作狀態(tài)。其工作流程圖3所示。