基于ZigBee的烟雾温度传感系统设计Word格式.doc
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基于ZigBee的烟雾温度传感系统设计Word格式.doc
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关键词:
ZigBee;
无线传感系统;
下位机;
射频收发模块;
通讯协议
ABSTRACT
Wirelesssensingtechnologyhavesprungupdaybydaymature.Ithaslowcost,lowenergyconsumption,nowiring,andtheadvantagesofnoelectricalinterferencebetweeneachother,cateringtotheenergysavingofthepublic,convenienttousethepsychologicaldemand.ThispaperdesignedakindofsmoketemperaturesensingsystembasedonZigBeetechnology.Therearetwomajorparts:
thedataacquisitionsystem(wirelessterminalsunderamachine)anddatareceivingsystem(PC).Uppermachineandlowermachinepresentsaone-to-manyrelationship.UsingCC2430modulethroughtheZigBeeprotocolimplementationofuppermachineandlowermachinedataradiotransceiverfunctions.Inthispaper,accordingtotherequirementsofprojectdesign,completedthesmokesensor,temperaturesensor,LCDdisplay,rftransceivermoduleselection,designincludingpowersupplymodule,sensormodule,wirelessdatatransmissionmodule,serialportmodulecompositionsystemsuchastherelevantcircuit,establisheddatawirelesscommunicationprotocol,compiledtherelevantprocedures,andhascarriedontherelatedexperimentaldebugging.Thewirelesssensorsystem,highcostperformance,strongadaptability,lowcomplexity,greatlyincreasethesystemreliability,flexibilityandrangeofdetection,lowerthecostofthesystem,hasgoodapplicationprospect.
Keywords:
Wirelesssensorsystems;
Sensormodule;
RFtransceivermodule;
Communicationprotocol
目录
摘要 I
ABSTRACT II
1课题背景及意义 1
1.1课题背景及研究现状 1
1.2研究目的和意义 2
2系统总体设计方案 3
2.1ZigBee协议规范研究及分析 3
2.1.1ZigBee网络拓扑结构 3
2.1.2ZigBee数据传输机制 3
2.1.3ZigBee节能技术探讨 4
2.2方案选择 5
2.3系统整体设计 5
2.4芯片选择 6
2.4.1无线射频模块 6
2.4.2单总线温度传感器DS18B20 7
2.4.3气敏传感器MQ-2 7
2.4.4液晶显示模块 7
2.5系统硬件结构 7
3无线传感系统的硬件设计 9
3.1无线传输模块的电路设计 9
3.2温度采集电路设计 13
3.3烟雾采集电路设计 14
3.4声光报警电路设计 14
3.5液晶显示电路设计 15
3.6远红外遥感电路设计 16
3.7串口电路设计 17
3.8整机电路图 17
4系统软件设计 18
4.1终端测量节点加入无线网络 18
4.2终端节点信号采集 19
4.3数据传送 20
4.4系统主流程 21
5系统性能调试 23
5.1终端实验板 23
5.2上位机界面 23
6抗干扰设计 26
6.1存在的干扰表现 26
6.2抑制干扰的措施 26
结论 27
参考文献 28
致谢 30
附录A 31
附录B 33
-39-
1课题背景及意义
1.1课题背景及研究现状
建筑物内的安防问题一直是关系社会环境安定和人身安全的重大问题。
由于现代化的城市布局不断扩大,城市人口拥挤,各种电器设备在使用过程中可能出现可燃气体泄露、短路、负载过大等不安全的因素,所以建筑物内具有火灾隐患,据官方统计火灾的发生率呈上升趋势[1]。
目前火灾体现出复杂化、立体化、扩展快的特点,对公众的生命和财产造成极严重的威胁和损失。
为保障公众的生命财产安全,相关当局除了要加强宣传消防教育,提高公众消防意识,加强公共消防设施建设,建立消防安全长效管理机制以外,还需要从科学技术上强调创新,消防设施注重更新换代,从而形成一个有效的消防监控系统,便于时刻监控建筑物内的情况,达到防灾减灾的作用。
当监控系统监测到异常情况时,系统会自动发出报警信号,便于工作人员及时采取应对措施,最大程度的减少灾难带来的损失[1]。
然而目前市场上涌现的监控系统多采用有线通信,系统成本较高,布线繁琐,系统扩展性能差,线路老化快,抗干扰能力差,因此有线传感系统故障率和误报警率较高[2]。
将智能的无线传感报警系统应用于消防领域,进行建筑物内的环境监测[3]和救援人员车辆的定位追踪[4],将大大地改善传统有线火灾自动报警系统的弊端,而且人性化的智能无线传感系统克服了有线通信的很多弊端,使用方便,便于维修保养[5]。
目前ZigBee技术应用较广,其技术相对成熟,将ZigBee技术融入到无线通信技术中,使其各种设备和主控系统都能够在功耗极低的状态下运行,这使得整个系统的运行成本得到有效的降低[6]。
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),该系统既可作为火灾报警[2],也可作为保安系统,两者兼用,是一种高科技的无线安保系统。
现在各种不同的无线通信技术正迅猛发展,从先前的广域网(Internet、GSM/GPRS/3G)到后来的基于IEEE802.11系列的无线局域网(WLAN:
WirelessAreaNet)、基于蓝牙的无线个域网(WPAN:
WirelessPersonalAreaNet),再到后来的基于ZigBee的低速无线个域网(LR-WPAN:
LowRate-WPAN)等[1][2]。
国内市场上也已经推出了多种无线通信传感系统,例如基于蓝牙技术的无线火灾自动报警系统[7]、基于ZigBee的家居安防系统的设计[8]、基于ZigBee和以太网的大学生宿舍防火防盗监控系统[9]等。
ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术,主要适合于自动控制和远程控制领域,可以嵌入到各种设备中,同时支持地理定位功能。
随着技术的发展,可将多种探测技术进行综合,将现有分布智能式有线报警系统与ZigBee无线技术相结合,建设新型分布智能型复合探测无线消防报警系统。
本文将设计一种基于ZigBee技术的烟雾温度传感系统,此系统性价比较高,可以提高系统的可靠性、灵活性和检测范围,降低系统的成本。
本系统主要有两部分组成:
数据采集系统(无线终端下位机)和数据接收系统(上位机)。
上位机和下位机呈现一对多的关系。
1.2研究目的和意义
鉴于市场上现有的火灾报警系统的缺陷,本设计采用TI公司的ZigBee协议栈,设计一款无线传感系统,不仅可以取代传统的有线传感系统,降低整个监测系统的复杂度,关键是无线传感系统在很大程度上提高了系统的可靠性和稳定性,实现了火灾预警和报警的高速反应和快速动作功能,极大的符合现今要求的节能观念潮流[4],社会受众率高。
本系统在低耗待机模式下,2节5号干电池可供1个节点工作6--24个月,甚至更长时间,而若给蓝牙供电仅能工作数周、WiFi仅仅工作数小时。
火灾报警的节点穿墙安装方便,无线布线,大大降低了施工成本,特别是适用于古建筑、旧楼宇加装智能消防系统,为火灾报警系统的推广和普及提供了极大的市场前景[8]。
近年来基于ZigBee技术的烟雾温度传感系统应用场合越来越广,可以实时监测现场信息,以便用来做好对意外情况的预防并制定及时的解决方案,是一种功能完善,适应能力强,应用广的监测装置。
2系统总体设计方案
本设计采用融入ZigBee的无线传输技术,设计火灾报警安防系统,其主要功能是传感器能够检测建筑物内的烟雾浓度和温度,然后将采集到的信号经过无线传感系统发送到CC2430芯片内部集成的8051内核,内部微处理器作出相应的判断和处理,处理后的信号再由无线发射模块传送至上位机,上位机显示各个传感器组上采集到的信息,若烟雾浓度或者温度超过系统设定的阈值,CC2430芯片内部集成的8051内核将驱动声光报警控制器,发出报警信号。
2.1ZigBee协议规范研究及分析
ZigBee技术是近几年快速发展起来的一种无线通讯技术,符合IEEE802.15.4协议标准,网络支持三种拓扑结构[10]:
星型结构(Star)、树状结构(Tree)和网状结构(Mesh)。
下面将简要介绍ZigBee技术在无线烟雾温度传感系统应用背景中解决的几个关键问题:
网络拓扑结构的定义、数据传输机制和节能技术[11]。
2.1.1ZigBee网络拓扑结构
IEEE802.15.4/ZigBee协议中明确定义了上述3种网络拓扑结构,如图2.1所示。
无线传感器系统在实际应用中,根据应用需要,经常要灵活地选择适合的拓扑结构。
结合建筑物内烟雾温度无线传感系统的应用,星型结构(Star)和树状结构(Tree)适合该应用背景。
一个Zigbee的星型网络拓扑结构最多可以容纳254个从设备和一个主设备,而且一个区域内可以同时存在多达100个ZigBee网络,网络之间组成较灵活。
树状网络可以定期发送信标,使拓扑结构内部节点能够做到很好的同步,便于节点定期进入休眠状态,从而降低系统功耗,延长拓扑结构寿命。
因此星型结构与树状结构的层次融合,必将是ZigBee技术网络拓扑结构的一个重要发展方向。
2.1.2ZigBee数据传输机制
采用ZigBee协议传输数据,由于ZigBee协议规范中的网络拓扑结构有多种,所以系统的数据传输确认机制也不同。
ZigBee协议中的数据传输模式有以下三种[11]:
(1)终端设备作为发送端,协调器作为接收端
(2)协调器作为发送端,终端设备作为接收端接收数据
(3)多个终端设备之间互相传送数据
在传输数据时,首先需要建立数据传输链路,传输数据帧时可以采用CSMA.CA数据传输机制,沿着星型和树状结构进行点对点传输,直到完成所有数据帧的传输。
本文在设计ZigBee烟雾温度无线监测的参数采集时,拟采用该种数据传输机制。
2.1.3ZigBee节能技术探讨
ZigBee技术通常应用在对带宽要求较低的场合,大部分时间,其节点可以工作在睡眠模式[12],从而节省了电池能量。
当接收到信号时,ZigBee节点被唤醒,并且可以迅速发送数据,发送完成之后重新工作在睡眠模式。
在15ms或者更短的时间内,ZigBee节点可以由睡眠模式进入活动模式,因此睡眠模式下的网络节点也可以获得适合的低时延。
星型结构树状结构
网状结构
图2.1ZigBee网络拓扑结构
2.2方案选择
目前市场上具有ZigBee协议功能的芯片有很多种,运用ZigBee技术的无线传感系统的方案[13]主要有以下三种:
(1)ZigBeeRF+MCU:
如TI公司的CC2420+单片机MSP430、Freescale公司的MC13XX和GT60、Microchip公司的MJ2440和单片机PICMCU等下位机控制模块;
(2)单芯片集成SoC:
如TI公司新推出的CC2430/CC2431(8051内核)模块、Freescale公司生产的MC1321X、EM250等;
(3)内置ZigBee协议栈的单芯片再外挂其他功能芯片,如Jennic公司的SoC+EEPROM、Ember公司的260和MCU的组合等。
相比较而言Jennic公司的芯片内部无法存放用户程序,只有ROM(只读存储器),系统若要实现存储程序的功能,必须要外加一个EEPROM,用户所用的全部程序必须存储在这个外加的EEPROM内。
若用户选择使用Jennic公司的无线芯片,把程序存放在外加的EEPROM内,使用时调用较繁琐,而且最让用户头疼的是自己开发的代码没有安全保障,不能加密,外人很容易就盗版了自己的劳动成果。
Freescale的无线射频模块是两个芯片通过SIP(系统级封装)实现的,使用过程中会出现通讯问题,不利于大量生产。
相对于前两家公司生产的无线射频模块而言,TI公司推出的ZigBee无线单片机系列芯片性能稳定,价格低廉,便于使用。
而结合本设计中的无线传感系统考虑,将采用TI公司新推出的一款无线传感芯片CC2430[14],相对于CC2420芯片而言,该芯片内部集成了8051微处理器,只需要简单的外设电路,就可以实现对烟雾温度的无线传感功能,而且内置ADC,无需外接模数转换电路。
电路设计简单,整个系统使用方便,易于维修。
该芯片是满足IEEE802.15.4标准的片上SOCZigBee产品,具有DSSS(直接序列扩频)功能,与上位机之间连接有标准的串口接口,具有五种操作模式,即接收、发送、睡眠、命令和空模式,工作频率为2.4GHz。
同时该模块具有体积小、功耗低、接口简单、易于组网以及升级方便等优点,适用于较低数据速率的短距离通信应用,尤其是在智能无线传感系统设计中有着广阔的应用前景。
2.3系统整体设计
本设计采用CC2430芯片作为无线射频元件,进行必要的外围电路设计,实现对环境内的烟雾温度进行实时监测,烟雾传感器和温度传感器采集完信号以后,将程序移植到发送端的ZigBee节点模块上,使之与数据接收端CC2430无线射频模块兼容,使每一个ZigBee模块在系统搭建的网络平台上,实现对烟雾温度的无线采集、发送和显示。
接收端无线模块接收到数据后,通过串口连接到PC机上,从而实现对更大范围的烟雾温度进行实时监测,本系统的整体结构图如图2.2所示。
图2.2系统总体架构
2.4芯片选择
本设计紧密围绕ZigBee技术在烟雾温度传感系统中的应用这一核心主题,目的是实现对环境内烟雾温度的实时监测,主要芯片包括CC2430射频通讯芯片、温度传感器DS18B20、烟雾传感器MQ-2、液晶显示12864等。
2.4.1无线射频模块
本系统的无线射频模块采用的是TI公司新推出的一代专门实现嵌入式ZigBee协议功能的片上系统,支持2.4GHz的ZigBee协议。
CC2430是一片集成了多种高性能模块的芯片,主要有延用了CC2420RF收发器、增强工业标准的8051微处理器、8KBSRAM以及32/64/128KBFlash等。
其中CC2430芯片内部集成的8051内核,是一种带4K字节FLASH存储器的低电压、高性能CMOS8位微处理器[15],可编程可擦除只读存储器的微处理器,可以反复擦除1000次,而且比51系列单片机处理数据的速度快8倍。
与工业标准中的MCS-51系列芯片指令集相兼容,现已为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性较高且价格低廉的设计方案。
由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中,因此CC2430芯片内部集成的8051内核是一种高效微控制器。
此外MCS-51系列芯片诞生了30多年,为用户所熟知。
RF收发器技术是业界领先水平,具有极高的抗干扰性能和接收灵敏度,体积较小,只需要一个晶体就可以组网。
CC2430具有21个通用I/O引脚,既可以作为ADC的输入,也可以支持多种串行通讯协议的USART,开发工具强大,方便实用。
2.4.2单总线温度传感器DS18B20
考虑到建筑物内温度采集点较多,所以系统中要使用的温度传感器个数较多。
美国DALLAS公司生产的温度传感器DS18B20是单总线数字式,它可以把采集到的模拟量的温度信号转换成串行的数字信号直接输出,其转换速度为200ms,不再需要ADC转换器,转换后的数字信号可以直接接CC2430的IO口,供8051内核处理。
多个DS18B20芯片可以挂接在一条总线上,无需任何外加硬件,直接构成多点温度监测系统,这种特性使得DS18B20的应用场合较广。
DS18B20温度传感器的测温范围较广,可测温度为-550C~+1250C,适合本设计中温度的测量范围。
2.4.3气敏传感器MQ-2
MQ-2烟雾传感器的气敏材料是二氧化锡(SnO2),这种材料在清洁的空气中的电导率较低。
当传感器所在的环境中存有可燃气体时,随着环境中可燃气体浓度的增加MQ-2的电导率会自动增大,再使用简单的外围电路就可以将烟雾传感器的电导率的变化转换为与对应气体浓度相对应的电压信号,从而输出电压信号。
普敏烟雾传感器MQ-2可检测多种可燃性气体,其性能稳定,成本低廉,是一款适合多种应用的气体传感器。
2.4.4液晶显示模块
12864液晶显示芯片可以显示文字或者图形,可以显示智能传感器采集到的信息,同时附加数据的采集日期和时间。
该芯片有两种连接方式,即串行和并行,可以直接与CC2430相连接。
芯片内部置有升压电路,工作电压较低,且低功耗。
12864液晶显示芯片共有20个管脚,体积较小,功能相对强大,具有七种特定功能,可以实现全屏幕点阵,有助于解决系统的能耗和体积问题,适合本设计中的节能目的。
2.5系统硬件结构
本设计中,在建筑物内相对较高的位置,放置无线射频模块CC2430,这样做法可以尽量避免障碍物的遮挡,使天线信号更好,CC2430既可以作为发送模块也可以作为接收模块。
一般情况下,建筑物内区域较宽广,需要测量多个地方的烟雾和温度,一个空间内需放置多个传感器来检测,将这些传感器与下位机的无线传输模块连接起来,利用网络拓扑结构,使一定空间内的多个测量点组成网络节点。
多个测量节点与测控中心建立无线数据传输网络,将测量节点采集的信号通过无线传输网络,传到监控中心,单个系统硬件结构如图2.3所示。
图2.3系统硬件结构图
3无线传感系统的硬件设计
本课题研究设计的主要内容包括:
(1)IEEE802.15.4无线网络通信协议,以及ZigBee网络拓扑结构设计,其节点类型包括终端型和路由型;
(2)设计各硬件部分电路,给出系统总体电路图;
(3)数据采集接口设计包括烟雾、温度采集系统设计,软件逻辑框图;
(4)编写程序,焊接简易实物,调试实物,实现相应功能。
3.1无线传输模块的电路设计
该模块电路的核心芯片是CC2430,作为无线传输模块,需要三片CC2430,两片作为发送传感器采集的信号模块,如图3.1所示;
一片作为接收模块,控制声光报警电路和液晶显示电路,如图3.2所示。
本设计中采用的是星型拓扑结构,两片发射模块相当于星型网络中的无线终端设备,接收模块相当于协调器。
CC2430可以工作在不同的电源模式下,以达到低功耗运行的目的。
CC2430[14]内部的振荡信号即可以来自外接电路的有源晶体,也可以来自芯片内部电路。
但是由芯片内部电路提供时,需要另外焊接两个负载电容和晶体振荡器,这两个负载电容的值取决于输入的容抗和晶体的频率等参数。
本设计将使CC2430的无线射频模块只能工作在32MHz的晶振频率下,将使用内部晶体振荡器,另外采用关闭RC振荡器的工作方式,目的也是为了达到整个系统的节能,其中这两个负载电容C8和C9的值均为27PF。
CC2430芯片具有上电复位和掉电检测功能,上电复位是使CC2430在上电期间正确初始化,掉电检测可以在供电电压调整期间保护CC2430内部存储器的内容,二者可以在设备上电初始化时,保持设备处于复位状态。
CC2430的Flash存储器专门用来存储程序代码,通过使用编程命令,启动Flash存储器实现写数据功能,写操作可以编程存储器里的任意的字。
CC2430有21个I/O引脚,可以作为通用数字I/O,也可以用作USART或定时器等外部设备,P0口可以作为ADC的输入端,具备上拉和下拉能力,21个I/O口都可以作为外部中断源的输入,外部中断可以唤醒CC2430的睡眠模式,目的同样也是为了整个无线传输系统的低功耗。
图3.1CC2430发送模块
如图3.1所示,由于CC2430芯片内部集成了8051内核和A
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