基于无线网络文献综述

成绩：

西安建筑科技大学华清学院

毕业设计 (论文)文献综述

院（系）：信息与控制工程系

专业班级：

毕业设计

:开发类

论文方向

综述题目：基于无线网络的火灾探测报警传感节点

学生姓名：

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指导教师：

2015年 03 月27日

基于无线网络火灾探测报警系统传感节点

设计

摘要:随着我国经济迅速发展，现代建筑不断涌现，同时由于人口的密集程度增加，因此一旦发生火灾将造成巨大生命和财产损失。火灾自动报警系统所具有的早期发现并通知火灾和启动灭火设备灭火的功能，使大量火灾在起初阶段就被扑灭，避免了重大经济损失，成为现代消防不可缺少的安全技术措施。预防和消除火灾引起了消防部门和社会各方面的高度重视，因此使火灾自动报警设备的设计、生产、应用有了较大的发展。火灾自动报警系统是在保护对象发生火灾的情况下自动探测、显示火灾警报的装置。它广泛应用于高层建筑、物资仓库、计算中心、现代化工厂等建筑物内。安装火灾自动报警系统的目的，就是及时发现火灾、及时采取灭火、疏散等措施，最大限度的降低因火灾带来的损失。为了更好地进行人机交互，把与火灾有关的各种信息以文字或图形方式显示在液晶屏和CRT 上。

火灾自动报警系统是由火灾报警控制器、火灾报警探测器及其它现场报警器组成。

按照消防规范，火灾报警探测器主要有感烟探测器、感温探测器、手动报警按钮另一方面，随着人们生活水平的提高和安全防范意识增强，急需开发面向普通居民价格低廉、运行可靠的自动报警系统。这次毕设利用单片机Zigbee模块，利用传感器信息融合技术,完成语音报警的实用、可靠的单片机语音自动报警系统,着重阐述了该系统的组成形式及工作原理。基于该系统原理的相关产品已在线使用。实践表明,单片机技术在系统报警和其它一些自动控制领域中有着广泛的应用前景。

本文介绍了一种基于无限网络的火灾报警探测传感系统，该系统由至少一个无线采样点和记录无线采样点的烟雾、温度、报警数据。并包含系统的硬件和软件的设计，利用传感器、CC2530单片机的原理完成设计理念。实现报警功能。针对当前火灾自动报警系统存在的误报漏报频繁、智能化和化程度低、特殊恶劣条件下火灾探测报警抗干扰能力弱等问题，本设计采用烟雾传感器作为火灾信号检测器，实现多种火灾情况的监控报警，无线收发模块可自动编码和接收火灾信号。系统采用智能识别算法，主机与各终端设备间通过中继实现200m以上的远距离无线信号传输，主机可数字显示火灾发生的位置、对终端被测点的温度检测、备用电池的电压监控和喇叭发声报警。除此之外，为了增加系统的应用范围，PC的COM口可通过

RS232转换实现用计算机监控每火灾报警终端点。系统设计科学合理、功能全、造价低、灵敏度高、实用性强等特点。

关键词：Zigbee CC2530 传感器火灾报警

1.前言

火灾自动报警系统是楼宇自动化的重要组成部分。现有的火灾自动报警系统

大多是以有线方式连接，这会造成布线繁琐，系统维护成本太高等问题。由于无线通信方式具有灵活，不需布线等优势，本课题提出了一种基于无线和有线相结合的楼宇内的自动火灾报警系统。即楼宇内安装的火灾探测器节点组成一个基于ZigBee 的无线传感器网络，以无线的方式相互通信；而中心火灾控制器则通过CAN 总线与ZigBee 无线网络中心节点连接从而实现对网络规模的扩展以及网

络的监控。针对当前火灾自动报警系统存在的误报漏报频繁、智能化和化程度低、特殊恶劣条件下火灾探测报警抗干扰能力弱等问题，本设计准备以STC89C52RC 为核心，可以采用烟雾传感器ZYMQ-2作为火灾信号检测器，实现多种火灾情况的监控报警，无线收发模块RF1100-232可自动编码和接收火灾信号。系统采用智能识别算法，主机与各终端设备间通过中继实现200m以上的远距离无线信号传输，主机可数字显示火灾发生的位置、对终端被测点的温度检测、备用电池的电压监控和喇叭发声报警。除此之外，为了增加系统的应用范围，PC的COM口可通过RS232转换实现用计算机监控每火灾报警终端点。

无线网络（wireless network）是采用无线通信技术实现的网络。无线网络既包括允许用户建立远距离无线连接的全球语音和数据网络，也包括为近距离无线连接进行优化的红外线技术及射频技术，与有线网络的用途十分类似，最大的不同在于传输媒介的不同，利用无线电技术取代网线，可以和有线网络互为备份。实现无线网络需要无线网卡、网卡等硬件设施，根据不同的应用环境，无线局域网采用的拓扑结构主要有网桥连接型、访问节点连接型、HUB接入型和无中心型四种，当然需要一定的网络协议，如DHCP协议。

ZigBee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议。根据国际标准规定，ZigBee技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。这一名称（又称紫蜂协议）来源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂(bee)是靠飞翔和“嗡嗡”(zig)地抖动翅膀的“舞蹈”来与同伴传递花粉所在方位信息，也就是说蜜蜂依靠这样的方式构成了群体中的通信网络。其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率。主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。简而言之，ZigBee 就是一种便宜的，低功耗的近距离无线组网通讯技术。ZigBee是一种低速短距离传输的无线网络协议。ZigBee协议从下到上分别为物理层(PHY)、媒体访问控制层(MAC)、传输层(TL)、网络层(NWK)、应用层(APL)等。其中物理层和媒体访问控制层遵循IEEE 802.15.4标准的规定。

2.研究内容

第一部分熟悉火灾探测系统的工作原理及组成。它是消防火灾自动报警系统中，对现场进行探查，发现火灾的设备。火灾探测器是系统的“感觉器官”，它的作用是监视环境中有没有火灾的发生。一旦有了火情，就将火灾的特征物理量，如温度、烟雾、气体和辐射光强等转换成电信号，并立即动作向火灾报警控制器发送报警信号。报警系统由单片机、气体传感器、电源模块、收发模块四部分组成。单片机是整个报警系统的核心，其工作原理是先通过ZYMQ-2传感器(包括温感和烟感)将现场温度、气体等非电信号转化为模拟信号或数字信号。ZYMQ-2传感器采集到火灾信号后，由单片机对该路信号进行编码，再将信息串行传送给发送模块发射火灾信号，接收模块通过之前的协议进行通讯提醒主机报警。各路终端检测点对信号的编码不一样，由天线发射出去的编码信号就代表不同检测点。接收模块接收报警信号后送到主机显示检测点，并驱动蜂鸣器发声报警。第二部分掌握基于CC2530芯片的Zigbee模块。ZigBee技术是一种短距离、便宜的、低功耗的近距离无线组网通讯技术。

第三部分传感器原理及选型。温度传感器是温度测量仪表的核心部分，品种繁多。按测量方式可分为接触式和非接触式两大类，按照传感器材料及电子元件特性分为热电阻和热电偶两类。烟雾传感器就是通过监测烟雾的浓度来实现火

灾防范的，烟雾报警器内部采用离子式烟雾传感，离子式烟雾传感器是一种技术先进，工作稳定可靠的传感器，被广泛运用到各种消防报警系统中，性能远优于气敏电阻类的火灾报警器。

ZYMQ-2气体传感器是由微型AL2O3陶瓷管、SnO2敏感层、测量电极加热器构成的敏感元件，固定在不锈钢制成的腔体内，加热器为气敏元件提供了条件。如图4所示。该传感器有4支管脚，其中2支用于信号的取出，其余的两支为电源脚，提供加热电流。ZYMQ-2气体传感器可应用于家居和工厂的各种气体泄漏检测，适宜于液化氢，甲烷，丁烷，丙烷，氢气，烟雾等的探测；其特点如下：具有信号输出指示；双路信号输出（模拟量输出及TTL电平输出）；TTL输出有效信号为低电平（当输出低电平时信号灯亮，可直接接单片机）；模拟量输出0~5V电压，浓度越高电压越高；对液化气，天然气，城市煤气有较好的灵敏度；具有长期的使用寿命和可靠的稳定性；快速的响应恢复特性。

ZYMQ-2气体传感器有两个信号输出端口，即AOUT和DOUT。AOUT端口是模拟电压输出端，可检测环境参数的浓度变化，DOUT端口是TTL电平输出端，根据环境参数的变化输出高低电平，调节可调电阻进行灵敏度的调节。本系统中用DOUT 端口接单片机的P3.3口，正常时DOUT端口输出高电平，当环境参数满足传感器检测范围内时，DOUT端口立即变为低电平信号，使P3.3口置0。

RF1100-232无线收发模块是TI公司的CC1101低功耗无线通信芯片，最大发射功率可达10mW。模块工作于433MHz频段，该频段为免费ISM频段免许可证使用（420MHz～440MHz）。基于FSK的调制方式，该芯片采用高效前向纠错和信道交织编码技术，提高了数据抗随机干扰和突发干扰的能力，在信道误码率为10-2时，可得到实际误码率10-5~10-6。另外单个模块传输距离远，1200bps传输距离最大可达200m，支持透明数据传输，拥有256个可编程信道。

RF1100-232模块使用宽电源输入设计，直流电源供电，其工作电压范围+2.7V~+5.5V。RF1100-232无线收发模块提供TTL电平接口，直接连接串口设备。如需连接PC的RS232口（需要调试底层软件，或通过PC远程控制终端设备），可连接TTL转RS232的电平转换板。

RF1100-232是半双工工作的，收发一体模块，即每个模块既可以收，也可以发。如果要发送数据，只需要把该字节数据通过串口写入模块，模块收到该字节

数据就通过无线发出；如果收到无线数据，则模块自动把该字节数据从串口送出；一次连续发的数据或字符串长度不要大于30，也就是说如果数据长度大于30，则需要分开发送。该模块的4脚（Rxd）接单片机的P3.1（Txd）口,5脚(Txd)接单片机的P3.0（Rxd）口，3脚和6脚接电源，剩余两脚未用。当P3.4口=0时，单片机通过串口与该模块通讯。终端收发模块自动进行编码和发送数据，主机收发模块进行信号的接收和译码。

为了节约单片机系统资源，剩下的I/O口用于驱动显示电路。由于动态扫描的方式占用CPU资源，有延时作用，且扫描显示的数据较暗同时影响串行传输的波特率，为此本系统采用静态扫描的方式驱动4位数码管。P2.0—P2.3作为4为数码管的位选端，P0.0—P0.6扫描4位数码管的七段。正常情况下P2.0—P2.3，P2.4口为高电平，三极管Q1—Q5处于截止状态，当收到火灾信号后，P2.0—P2.3，P3.4立即变为低电平，三极管Q1—Q5导通，进行数码管的位选，同时P0.0—P0.6开始扫描数码管显示编号提醒火灾发生的位置，蜂鸣器得电发声报警。SB为报警确认(解警)按键接终端监测点的P3.4口。

电源适配器输出5V/1A，为系统提供稳定的电压。此外，为了保证系统能稳定、可靠的火灾报警，另给系统加上了直流备用电源。正常工作状态下电源适配器的电压为5V，而直流电源端的电压为4.8V，使得直流电源端二极管处于截止状态，整个系统由电源适配器供电。当火灾情况发生时，若交流线路被烧断或线路停电，则直流电源端的电压大于电源适配器端的电压，二极管导通，直流电源为整个系统供电。电池电压检测电路的作用是随时检测备用直流电源电压跌落，以保证系统能正常工作。该电路由稳压管D1，晶体管Q1及电阻R1组成。当电池电压在正常情况下，稳压管D1处于击穿状态，晶体管Q1导通，输出低电平。当电电到终止电压时，稳压管D1处于截止状态，晶体管Q1由导通变为截止，输出高电平。此时单片机P3.2检测到高电平后，由终端向主机发送电池电压跌落报警信号，并指出是哪路线路电源问题，提醒工作人员更换电池。

第四部分系统设计方案。完成硬件和软件设计，实现系统报警功能。采用C语言编程实现整个系统控制。采用模块化设计方法，并在Keil uVision3环境下调试。系统上电后完成初始化，使STC89C52RC复位。终端设备器的气体传感

器和电池电压检测电路采集信号，若P3.2或P3.3为高电平，则终端自动通过RF1100-232无线收发模块编码和发送将该信号。主机如果不能对终端进行访问，则通过中继表查询能与主机通讯的终端设备器，访问该终端被测点。主机的RF1100-232无线收发模块收到某一路有火情、者备用电池电量不足、手动报警信号后，驱动显示电路工作和驱动蜂鸣器报警。

3.研究背景

火在人类生活中是不可缺少的，但火灾也给人类造成巨大的经济损失和人员伤亡。火灾探测与报警技术作为一门多学科、多专业的综合应用科学已发展成为人类同火灾斗争的重要手段。火灾自动报警系统就是将火灾信号（烟、热、气、火焰等）转换成声、光等报警信号，并同时输出启动消防设备的控制信号，该系统具有火灾报警、火警电话、火灾事故广播、防火设施与自动灭火系统联动、显示控制等功能。其主要组成为：探测器和控制器。

基于火灾自动报警系统的巨大重要性和国家相关部门的重视，火灾自动报警系统已经得到了很大的发展，国内外的发展也较为均衡。与火灾自动报警系统有关的研究最早是19世纪末，在英国，人们根据金属热膨胀原理制成了温度传感器件，用于火灾自动报警探测器中，自动通报火警。直到现在，感温火灾报警探测器仍大量用于火灾自动报警系统中。20 世纪，英国制定相关的安装标准。瑞士西伯乐斯公司于20 世纪四十年代，发明了感烟火灾探测器。感烟火灾探测器的应用，实现了火灾的早期报警，是火灾自动报警术上的一大飞跃。这在很大程度上提高了产品的灵敏度、稳定性、可靠性等。此后，有关火灾探测产品标准、工程建设标准、检验指标、安装规范、注册制度等陆续由英，美，日等西方发达国家于七十年代后先后制定。我国火灾自动报警系统研究比西方国家晚些，主要安装在大型计算机中心，高层建筑等地，其工程技术水平还相对落后，存在着一些比较突出的问题，由于各种原因，存在很多火灾隐患，一旦发生火灾，后果不堪设想。而在这些地方，有的没有任何预警措施，有的也只采用人工巡逻，人工报警等方式预防，人为因素较多，而且很难做到24小时全天候监测，本文对使用单片机来对火灾进行监测及报警进行了一些探索，并设计了单片机火警报警系统。给系统能对被测点自动探测，一旦出现火险能立即报警，指出

火险地点，为快速而准确的扑灭火灾提供有力的前提。

为了更方便快捷的实现报警，维护人们的生命和财产安全，在外观上更加美观，实施起来更加安全可靠，因此推行出无限网络报警系统。

4.研究前景

现有的火灾报警系统，多采用有线技术进行火灾传感器网络的组建。目前基于有线技术的火灾报警系统已趋于成熟。然而有线通信方式扩展性能差，布线繁琐，影响美观，而且由于采用硬线连接，线路容易老化或遭到腐蚀、鼠咬、磨损，因此有线报警系统故障发生率和误报警率较高。采用无线传输方式构建的无线火灾报警网络则可以避免这些问题。无线报警系统是近几年来在国内外发展起来的新型火灾报警系统，与传统的火灾报警系统相比有它独特的优势并孕育着巨大的市场潜力。相对于有线方式而言，无线的方式比较灵活，不需布线，网络的基础设施不再需要掩埋在地下或隐藏在墙里。此外新节点加入和退出网络都非常方便，避免了重新布线的麻烦，这有利于网络的扩充，而不需要大规模的重新布局与规划。由此可见，无线网络可以很好地适应移动或变化的需要，可以认为无线网络是火灾报警网络的发展趋势。随着近年来微电子机械系统、无线通信、数字电子等技术的发展，对于无线火灾自动报警系统的研究已在国内外发展起来，并走向了实用化。

目前国外最大的无线报警系统的生产厂家是美国松柏公司（ITI公司），该公司成立于1981年，其生产的产品占全美无线报警市场的90%，该系统既可作为火灾报警，也可作为保安系统，两者兼用，是一种高科技的无线保安系统。松柏公司创办人除发明第一代全监控无线警报系统外，还于1983年推出第一代可靠性可与有线系统媲美的无线报警系统，此后十多年来在行业内一直处于领先地位，目前的第三代技术属世界上最先进的无线报警技术，而第四代产品亦将于短期内陆续推出。我国在线火灾报警系统发展方面滞后于国外，但随着近年来无线传感器网络技术的发展，国内部分高校和生产厂商也开始研究无线技术在火灾报警系统中的应用。目前，国内市场上有些厂商已经推出了基于蓝牙技术的无线火灾自动报警系统。

5.文献综述结论

通过短期的网上搜索和书籍查询，我对基于无线网络的火灾报警系统有了新的认识，首先知道了Zigbee是属于单片机的模块，它像单片机其他模块一样，有自己的结构和特点，不仅要了解CC2530芯片的Zigbee模块，还要掌握基本的Zigbee协议，这样才能更好的利用它。火灾探测系统的基本原理也是设计的重点，在本科阶段，我有接触到火灾探测的知识，了解了一些关于火灾报警的组成框架，对于报警部分的设计，我的思路是当发现警情时，探测器将警报信号通过传感器接口送入单片机模块,单片机的报警中断程序开始运行，通过设计的信号调理电路发出报警。报警器的硬件设计，其中包括了报警器各部分的设计过程及其元件的应用和介绍。系统的软件部分的设计，主要有数据采集软件设计、火灾判断程序设计、报警程序设计。

在本次毕设中，我主要用到的传感器是烟雾传感器和温度传感器，这些传感器的设计和室内的形式、架构有密切的关系，如房屋的层高和面积，房屋的作用等。现阶段，我还处于基本了解的状态，对于Zigbee模块如何实现操作还没有思路，需要继续的学习和研究。

通过毕设课题我更加加深了对单片机的了解和应用，融入计算机技术的现代火灾自动报警系统已经显示出巨大的优势，它必然成为今后火灾报警技术的发展方向。

参考文献

[1] 王忠民, 郝静,张瑜编; 基于单片机的语音数字网火灾报警器设计;《现代电子技术》2004 年第10 期总第177 .

[2]张毅坤编. 《单片微型计算机原理及应用》;西安电子科技大学出版社, 1998.1

[3]胡汉才编. 《单片机原理及其接口技术》;清华大学出版社 ,2002年7月.

[4] 雷丽文.微机原理与接口技术.电子工业出版社[M].1997. P146-156

[5] 涂时亮等编. 《单片微机控制技术》. 上海:复旦大学出版社,1994.

[6]赵娜，无线火灾报警控制器的研制。硕士学位论文，哈尔滨工业大学，2006年6月.

[7]刘玉梅，基于ZigBee的无线火灾报警系统设计。硕士学位论文，华中科技大学。2008年5月28日.

[8]黄继昌，适用报警电路[M]．北京：人民邮电出版社,2008.

[9]PHILIPS：80C51-Based 8-bit Microcontrollers, 1988.

[10]MOTOROLA公司：Microcotroller and Peripherial Date,1990.

[11]Microchip公司：PIC16/17Microcotroller Date Book,1995.

[12]Intel公司：8-Bit Embedded Controller Handboo,1989