毕业设计-基于ZigBee技术的智能火灾报警逃生系统设计.doc

毕业设计(论文)基于zigbee技术的智能火灾报警逃生系统设计系 别自动化工程系专 业机械工程及自动化班 级50718姓 名李易航指导教师汪晋宽年 月 日 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 页摘要近年来，随着国内的新建建筑趋于高层化，高层建筑的防火防盗系统也成为各机构研究的重点。随着通讯技术和防火防盗探测器的快速发展，智能建筑的理念正逐步走进我国，所谓智能建筑，也就是让建筑具有一种人性化的体现。高层建筑一般分为民用和商务用两种，本设计主要应用于商务用的高层建筑，利用了了火灾逃生箱、plc编程控制技术、 防火防盗探测器、区域火灾及防盗报警控制器，根据商务大厦的实际情况，设计出了一套适用于商务大厦的智能化防火防盗系统。 关键词：plc 火灾报警系统 逃生箱体 防盗系统 商业大厦 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 页目录 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 页第1章 绪论1.1引言火灾是世界上发生频率较高的一种灾害，几乎每天都有火灾发生，据联合国“世界火灾统计中心（wfsc）2000统计资料”，全球每年发生火灾600万至700万次，全球每年死于火灾的人数约为65000人至75000人。欧洲和北美发生的火灾较多，死亡人数却相对较少，这与欧美发达国家的生活水平高以及消防设施完善有关；亚洲居住人数最多，发生火灾次数较少，但死亡人数较多，这与亚洲经济发展程度不高，消防设施不完善等因素有关。火灾早已成为我国常发性和破坏性以及影响力最强的灾害之一。随着经济和城市建设的快速发展，城市高层、地下建筑以及大型综合性建筑日益增多，火灾隐患也大大增加，火灾发生的数量及造成的损失呈逐年上升的趋势。我国每年的起火次数较少，但死亡人数较多，这说明我国的消防保护体系对保护生命安全还有一定的差距，因此现阶段有必要提高全民的防火安全观念，提高我国消防设施水平。火灾做为危害人类生存的大敌，越来越受到人们的重视。一旦发生火灾，将对人的生命财产造成极大的危害，于是人们开始寻求一种早期发现火灾的方法，以便控制和扑灭火灾，减少损失，保障生命安全，火灾报警系统就是为了满足这一需求而研制出来的，并越来越受人们所接受，其自身技术水平也随着人们需求的不断提高，在功能、结构、形式等方面不断地完善。1.2火灾自动探测报警技术的发展历史随着人类社会的发展，人们生活、工作、居住的地方越来越集中，火灾的隐患也越来越大，如何将火灾造成的损失降低到最低限度成为火灾报警技术研究的重点，其中最有效的办法就是早期发现，并在蔓延前将其扑灭，纵观一百多年来，火灾自动报警技术主要经历了以下一些发展阶段。初期阶段是用一些简单的分立元件构成的火灾报警系统，从19世纪40年代一直延续到20世纪40年代，这期间感温探测器占主导地位，但由于感温式火灾探测器灵敏度比较低，探测火灾的速度也比较慢，尤其对阴燃火灾往往不反应，因此，它一直无法很好的实现火灾报警的功能。第二阶段从20世纪50年代至70年代，在这期间感烟探测器得到了很大的发展，感温火灾探测器出于次要地位。“先见烟后见火”用感烟的方法探测火灾使人类在实现火灾早期报警方面迈出了一大步，此时的系统一般是多线制（n1线或更多线），其特点是稳定性，可靠性差，布线复杂，调试难度大。这期间的火灾探测器设置了固定阀值的开关量探测器，控制器有逻辑集成电路、可控硅、继电器和分立器件构成。这种报警系统存在着明显的弊病。首先报警是由探测器控制的，无论是火情还是周围环境的变化，如空气湿度、温度变化、气流大小及气压高低等，只要探测器探测的信息变化达到了其设定的阀值，就发出报警，误报率高。其次，探测器于控制器之间连线繁多，线路出现故障的可能性大，并且安装和维护十分困难。第三阶段从80年代开始至今，总线制火灾自动报警系统蓬勃兴起，它同以前的产品相比有了很大的飞跃，布线工作显著减少，安装调试变得容易，降低了安装和维修费用，其最大优点是施工简单并能精确确定报警部位，因而得到了较普遍的应用。为了解决多线制报警系统的诸多弊病，人们对其进行了改进。首先，用计算机cpu做控制器的中央处理器，使原来的某些硬件电路功能用原件代替，使系统硬件的可靠性得到改善，加上灵巧的程序设计，可靠性进一步提高。时至今日，火灾自动报警控制系统随着各种新工艺、新技术的涌现而不断得到发展，其发展趋势将是有有线网络变无限网络，不同的场合应用不同的报警系统，其发展趋势还在于网络型火灾报警控制系统将得到大力发展，并为建立城市自动消防通讯指挥系统创造条件。1.3国内外火灾报警控制系统的现状及发展情况1.3.1火灾报警系统在国外的发展情况国外一些较发达的国家，具有火灾预防、报警、扑救，善后处理等比较完善的消防体系。政府每年都要拨出大笔资金用于消防设施更新、人员培训以及消防设施维护。德国、日本、美国等国家就采用计算机与用户终端的传感器或者用户终端信号采集器相连，对火灾自动报警设备实时监控以及故障远程传输。例如，美国、加拿大、澳大利亚、日本等国家在建设和应用城市火灾自动报警监控系统方面均有可供借鉴的成功经验。他们将自动火灾报警作为公共报警手段接入公共监控系统，并有效运行多年，使消防指挥中心能够快速准确判断火灾地点、火灾类型、并调度消防部队迅速到达现场，自动报警监控系统再此起到了很大的作用。此外，这些国家在监控系统管理方面比较规范，专门成立一个监控服务机构，该机构的责任是保障火灾报警数据通信通畅，为用户服务，对用户负责，同时向消防部队传送可靠的火灾消防信息，而消防部门的主要职责是对此类服务机构进行资质审查及监督管理。这种管理运作方式已经取得了良好的效果。1.3.2火灾报警系统在国内的发展情况我国火灾报警系统起步较发达国家晚几十年，从上世纪70年代我国才开始研制生产火灾报警系统产品。进入80年代后，国内主要厂家也多是模仿国外产品，或是引进国外技术进行生产，没有真正意义上的核心技术，并且市场也刚刚开始发育。火灾报警产品真正发展是在90年代以后，随着政府逐渐开放国门，国外企业开始大量进入中国消防市场，带来先进技术的同时也促进了市场的成熟。这时期，我国生产火灾报警产品的企业也得到了快速发展，部分企业进行了合资生产、技术合作，取得了不菲的成绩，也造就了先进市场上很多有实力的商家，部分技术已接近或赶上了国际水品。1.4无线火灾报警系统在国内外的发展情况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。我国在无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。1.3课题提出的意义和主要任务1.3.1课题提出的意义当今社会火灾频发，无情的吞噬了广大人民群众的生命及财产，智能火灾报警及逃生已成为全世界关注的重点话题之一，而公共场和楼宇中的火灾报警逃生系统又是其中的重中之重。在我们的日常生活中，电气短路和人为的疏忽等种种因素都可以引发火灾，在做好火灾防范的同时，火灾逃生对我们而言也同等重要，众所周知，火灾致人伤亡的主要因素有以下三点：1、火焰高温，指火焰对人身的灼伤。2、有毒气体，火灾产生的有毒气体包括co、co2、丁烷等，导致人中毒或窒息身亡。3、逃生不当，由于不能及时得到逃生器材和火场中人们慌张的心理，导致逃生不当而引发伤亡。根据以上三点可以看出火灾报警系统和逃生器材的使用成为了减少火灾造成人员伤亡的重要因素，而现有的火灾报警逃生系统存在着火灾逃生用品品种单一且数量少、火灾报警与逃生分离、占用空间大及逃生用品不方便逃生人员获取等问题。本设计中利用防火耐温钢板焊接技术制作主箱体，电子元器件由温度传感器、烟雾传感器、单片机控制的火灾报警电路 、电磁铁、报警灯、扬声器组成，具备火灾监控、报警、提供逃生器材等功能，将火灾逃生器材和报警系统有机的结合在一起。同时，本设计取材普通、成本较低，人性化的外形设计既节省了空间，又方便了客户对产品的搬运、使用、及维修。同时，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。这类方案的特点是扩展性能差，布线繁琐，影响美观。由于采用硬线连接，线路容易老化或遭到腐蚀、鼠咬、磨损，故障发生率较高，误报警率高，难以实现联动控制。基于以上原因，本设计提出基于zigbee技术的wsn智能火灾报警逃生系统，将无线射频芯片与单片机相结合,火灾现场与监控指挥中心相联动,报警设备和逃生装置相统一，可以实现火灾信号的探测、报警以及联动指挥和人员逃生。本毕业设计的目的、意义（有个切入点，为什么做这个课题，比如说中国现在这方面不够好，所以。）我国许多工厂没用，加个较贵，旨在设计一种简单的机械手，价格便宜，能满足基本要求。1.3.2本设计的主要任务（1）完成机械手整体结构的设计，包括底座、腰部、臂部和爪部的设计；（2）完成对驱动系统的设计和元件的选型；（3）完成cad图的绘制，并将爪部的实物做出来，进行组装调试，使其能满足夹持工件的要求；（4）将整体结构的三维图做出来，并完成机构的运动仿真。1.4本章小结本章简要介绍了火灾报警系统基本概念及其在国内外发展现状和趋势，设定了本毕业设计的任务和目标，为以后的工作奠定了一定的基础。第2章楼宇智能火灾报警逃生系统总体方案设计2.1火灾报警逃生系统的系统工作原理 本系统将无线射频芯片与单片机相结合、火灾现场与监控指挥中心相联动、报警设备和逃生装置相统一，可以实现火灾信号的探测、火灾报警以及联动指挥和火场人员逃生。我们拟采用zigbee标准的射频芯片cc2500和stc89le516ad单片机作为无线火灾报警系统的核心；利用stc89s51单片机作为智能火灾报警逃生箱核心控制器。报警器和逃生箱无线传感器1无线传感器nzigbeezigbee数据集中器监控与指挥平台 图1系统总体结构框图如图1所示。无线传感器将探测到的火灾信号通过zigbee无线通信方式发送至数据集中器；数据集中器将收集的数据送至火灾监控中心，再由火灾监控中心对这些数据进行计算处理和统计评估。火灾信号判断的原则不是简单的非准则，而需要同时考虑其他多种因素。根据预先设定的有关规则，将这些数据转换为适当的报警动作指标。2.2.火灾报警逃生系统的各部分组成 第3章火灾报警逃生箱的设计原理3.1火灾报警逃生箱的设计理念 3.2火灾报警逃生箱的工作原理图3-1左右旋丝杠平移型夹持器如图3-1所示，为产品工作原理图，本产品中的温度、烟雾传感器在平时保持对所在场所的火灾监控，当火灾发生时，温度和烟雾浓度达到传感器报警临界值，由传感器将信号传给单片机，单片机执行的程序中产生中断，由单片机控制电路通电，使得电磁铁通电并吸起锁头，打开锁紧装置，随后由箱体弹开装置将活动箱体打开。箱体的三个活动面将下落至与不动箱体垂直的角度，各箱体内部的逃生器材将全部呈现给逃生人员，同时，箱体内部的led灯及箱体顶部的声光报警灯通电，为火灾逃生者提供照明和火灾报警，如图3-2所示，为本产品展开结构图。 3-2箱体展开结构图3-3火灾报警逃生箱的选材本产品主箱体采用0.8mm防火耐温钢板，活动箱体用活页连接，箱体弹开装置由三根相互成梯形的铁管组成，铁管内部装有弹簧，活动箱体采用减速弹簧作为减速装置。电路部分主要元器件为：12v电池组、tau/hcne11564电磁铁、103报警灯、温度传感器ad590、气体传感器tgs202、数模转换专用芯片adc0809。 第4章火灾报警逃生箱的结构分析4-1主箱体本产品的主箱体由0.8mm防火耐温钢板焊接而成，主要分为不动箱体、正面活动箱体、侧面活动箱体。本产品高120cm，宽28cm，长60cm，在不动箱体的顶部有左右两个悬挂点，用于将产品悬挂在墙上使用，使用时一般将箱体挂在距地面1 m处，因产品也可根据需要将不动箱体镶嵌在墙体内部使用，将活动箱体露出即可。本产品的体积和长度在设计时考虑到人体的高度以及产品的摆放空间，方便了火灾逃生人员拿逃生器材，同时在日常火灾监控中不妨碍用户的工作与生活。箱体的正面和两个侧面是活动箱体，活动箱体与主箱体采用减速活页连接，每个活动箱体顶部留有锁孔，平时由电磁铁锁住活动箱体。为保证活动箱体在下落过程中不会与电子元器件盒底部发生摩擦，特作了箱体下落轨迹测试实验，实验结果表明在电子元器件盒底部与活动箱体顶部留有2mm间隙，将有效的避免摩擦。不动箱体和活动箱体内部都装有0.5mm防火板的隔层，隔层上装有火灾逃生器材，考虑到防毒面具和防火毯在火灾逃生中对每个人的重要性，将其装在空间很大的正面活动箱体以及背面不动箱体中，而逃生绳和破窗锤将放置于两个侧面活动箱体中，所有的隔层外部用皮筋加固，防止逃生物品在箱体下落时掉落。本产品在对逃生用品的摆放上充分考虑了逃生用品的用途以及其摆放空间。如图3，为箱体的闭合结构图。 图4-1箱体闭合结构图4-2电子元器件盒本产品的电子元件盒外部的0.8mm的防火耐温钢板焊接而成，电子元件盒的底部装有锁孔，平时用锁锁住，维修时电子元器件盒上部可打开，置于产品上部的电子元件盒既方便了维修人员检修又有效的防止了人为破坏。电子元器件盒内部装有电路板和电磁铁。 图4-2电路工作原理图如图4-2，为电路工作原理图，当火灾发生时，温度传感器ad590在输出端vt获得与火灾中绝对温度成正比的电压量，此电压量输入到数模转换芯片adc0809的in0引脚，另外由于火灾中气体烟雾主要是co2和co，为增加电路可靠性，当火灾发生时， tgs202气体传感器能探测co2，co使传感器的内阻变小，va迅速上升，同样va端电压输入数模转换芯片adc0809的in1引脚，adc0809的通道选择地址a，b，c分别由89c51的p00p02经地址锁存器74ls373输出提供。当p2.7=0时，与写信号 wr共同选通adc0809。图中ale信号与st信号连在一起，在wr信号的前沿写入地址信号，在其后沿启动转换。而adc0809的转换结束状态信号eoc接到89c51的int1引脚，当a/d转换完成后， eoc变为高电平，表示转换结束，产生中断。在中断服务程序中，将转换好的数据送到指定的存储单元。从而实现对温度传感器和烟雾传感器输出的模拟量进行转换。转换之后的数字量传给单片机，单片机程序检测出该电压值已达到报警要求，于是p1.6和p1.7输出高电平，p1.6引脚的高电平使d1导通，比例电磁铁得电并吸起箱体盖的开关，使箱体盖打开，而p1.7的高电平使三极管导通，使得复合型声光报警器两边接在了12v电源上，开始工作发出报警声和报警灯光。下图4-3为电子元器件的电路图。 4-3电子元器件电路图4.3箱体弹开装置本产品的箱体弹开装置置于电子元件盒的下方，由三根呈t型外形的铁管组成，铁管内部装有弹簧。平时活动箱体顶部将压力弹簧压紧，用电磁铁锁住，箱体展开时由压力弹簧将活动箱体弹开。为使弹簧的弹力刚好能打开箱体，又不会因为力过大而砸伤人，经过反复的压力弹簧设计实验，选择了簧丝直径2.0mm ,外径22mm ,总圈数5.5圈的弹簧。如图4-4，为箱体弹开装置结构图。图4-4箱体弹开装置3.5 箱体锁紧装置本产品的锁紧装置将由电器元器件盒内的电磁铁和活动箱体顶部的锁孔组成，锁紧装置共有3个电磁铁，分别锁紧3个活动箱体，电池阀的锁头在电池元件盒底部伸出，申入至活动箱体顶部的锁孔将活动箱体锁住。考虑到活动箱体的自身重量，特对电磁铁的吸力做了测试实验，实验表明在本设计中，电磁铁选型为tau/hcne11564，锁头为5mm时，吸力为16n，满足要求。如图4-5，为箱体锁紧装置平面图。 图4-5箱体锁紧装置平面图第三部分 火灾报警逃生箱的动力及运动分析3、1产品的动力分析本产品中由单片机控制的火灾监控及报警需要电源供电，而在火灾中，电源往往被损坏，为保障产品的可靠性，我团队将采用独立电源为产品供电。本产品中除了单片机外的元器件都统一由12v的电池组电源供电，主要考虑到系统中大多数电器元件的额定电压都是12v，使用统一的电源可以简化电路，以免因为使用过多电源而降低系统的可靠性。同时，本产品采用的声光报警灯电压为12v、功率25w，电磁铁电压12v、功率5w，该电源完全满足电压、功率的要求，也相比较于多电源节省了许多空间。且其储存电量大，足够整个系统使用一年左右，而本产品的检修期为半年，可靠性高，保证出现火情时有足够的电量来驱动报警灯和电磁阀动作。单片机起控制作用，是整个系统的中枢，而它的工作电压范围是45.5v，因此用一个单独的5v电源给它供电，保障单片机的正常工作。3、2 产品的运动分析3、2、1电磁铁的选型本产品的锁紧装置采用了电磁铁，为此，我团队考虑到活动箱体的重量、内部火灾逃生用品的重量及减速弹簧的弹力，特进行了对电磁铁吸力的测试，测试表明电磁铁的吸力在伸缩量为5mm为10n，为保障可靠性，特选用型号为tau/hcne1-1564的电磁铁，其参数如下表所示;距离/mm012345吸力/n744832221816 表3-1 tau/hcne1-1564电磁铁参数表3、2、2箱体的运动分析为了避免活动箱体顶端运动时与电池盒底部发生碰撞，电池盒底面与活动箱体顶面要留至少1.4mm的距离，为保险起见本作品中留了2mm的距离。其运动路线图及运动轨迹图如下;图31 活动箱体运动路线图 图3-2 活动箱体运动轨迹图第四章火灾报警逃生箱的应用价值4、1火灾报警逃生箱的创新点本产品功能齐全、设计以人性化为主，主要表现及倡导更好的使用火灾逃生用品的理念。主要创新点为以下几个方面：1、本产品既可提供火场逃生用品，又兼具火灾自动报警及监控功能，将火灾监控、报警及逃生有机的结合在一起。2、箱体整体结构设计合理，逃生者可以从各个角度拿到所需的逃生用品，节约逃生时间。3、箱体底部装有减速弹簧，弹簧的弹性选择恰当，减速弹簧在箱体内布局合理，起到缓冲活动箱体下落的作用。4、采用电磁铁设计而成的锁紧装置，锁紧效果好，可靠性高。5、通过单片机控制火灾报警、监控、及电磁阀打开装置，使得本产品功能齐全，节省空间，实现全自动化。4、2 火灾报警逃生箱的升级本团队在设计本产品时留有很大的升级空间，用户可以根据自身情况对本产品进行升级。1、箱体底部可以装万向轮，使得本产品搬运方便。2、本产品可根据用户实际需要升级拥有手动遥控装置，可用手动遥控装置打开本产品。3、产品可做成单体模块，四周加凹槽，由客户根据需求自行选配。4.3火灾报警逃生箱的成本分析本产品的成本主要由三部分组成，技术成本，产品制造成本，维护成本。以下将逐一分析：1、技术成本：本产品的技术是在现有火灾报警系统上进行创新，添加了电磁阀动作部分使箱体打开，成本较低。2、产品制造成本：本产品的构造主要由箱体部分和硬件电路组成，主箱体由0.8mm的防火耐温钢板焊接而成，主要分为不动箱体、正面活动箱体、侧面活动箱体，加工方便，材料价格低廉，制作简单，成本较低。硬件电路所用元器件都是常用器件，接线简单，最后将所有电路焊在实验板上，成本也较低。3、维护成本：本产品有单独的电气元件盒，各部分工作时联动效果好，并且维修时装取方便，各部分可单独维修更换，所选元器件都是常用器件，更换方便。所以维护成本低。本产品由于创新点巧妙，整体成本较低，同时，现有的设备保障了所需功能的实现。4.4 产品的推广应用价值1、本产品集成了火灾监控、报警及提供逃生用品等功能，功能齐全，用户在使用全新产品的同时，大大减少了使用成本。2、本产品成本低廉，且产品的电路部分自主供电，维修简单，且维修期在半年以上，便于批量生产。3、本产品外观简洁、节约空间，便于放置且使用简单。4、本产品的升级空间巨大，人性化的设计又使得本产品有很强的竞争力。第五章基于zigbee技术的楼宇无线防火网络的设计5.1zigbee技术的简介zigbee技术是近期发展起来的一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术，它是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术提案，主要用于近距离无线连接。zigbee技术主要用于无线个域网(wpan)，是基于ieee802.15.4无线标准研制开发的。ieee802.15.4定义了两个底层，即物理层和媒体接入控制(mediaaccess control，mac)层;zigbee联盟则在ieee 802.15.4的基础上定义了网络层和应用层。zigbee联盟成立于2001年8月，该联盟由invensys、三菱、摩托罗拉、飞利浦等公司组成，如今已经吸引了上百家芯片公司、无线设备公司和开发商的加入，其目标市场是工业、家庭以及医学等需要低功耗、低成本、对数据速率和qos(服务质量)要求不高的无线通信应用场合。zigbee这个名字来源于蜂群的通信方式：蜜蜂之间通过跳zigzag形状的舞蹈来交互消息，以便共享食物源的方向、位置和距离等信息。5.2zigbee技术在本设计中的特点1、功耗低：工作模式情况下，zigbee技术传输速度低，传输数据量很小，因此信号的收发时间很短，在非工作模式时，zigbee节点出于休眠模式设备搜索时延一般为30ms，休眠激活时延为15ms，活动设备信道接入时延为15ms。由于工作时间较短，收发的信息功耗较低且采用了休眠模式，使得zigbee节点非常省电，zigbee节点的电池工作时间可以长达6个月至两年左右。zigbee省电的特点延长了火灾报警系统的维修时间。2、数据传输可靠：zigbee的媒体接入控制层（mac层）采用talkwhenready的碰撞避免机制在，当有数据传输需要时则立即传送，发送的每个数据包都必须等待接收方的确认信息，并进行确认信息回复，若没有得到确认信息的回复就表示发生了碰撞，将再传一次，采用这种方法可以提高系统传输的稳定性，确保了整个防火系统的可靠性。3、成本低：zigbee协议简单且所需的存储空间小，这极大降低了zigbee的成本，每块芯片的价格仅2美元，而且zigbee协议是免专利费的。同时，由于zigbee防火网络是无线的，减少了很多布线的费用。5.3zigbee技术的协议（1）应用层：主要有与网络层连接的aps、zigbee设备对象、装置应用行规，主要负责把不同的应用映射到zigbee网络层上。其中包括：安全与鉴权、多个业务数据流的汇聚、设备发现及业务发现。（2）网络安全层：由zigbee联盟制定，网络层主要实现节点加入或离开网络、接受或抛弃其他节点、路由查找及传输数据等功能，支持多种路由算法，支持星形、树形、网络等多种扩扑结构确保mac层的正确操作，提供合适的链接应用层得接口。（3）媒体访问控制层遵循ieee802.15.4协议：负责设备间无线数据链路的建立、维护和结束；确认模式的数据传送和接受；可选时隙，实现低延迟传输；支持各种网络扩扑结构。（4）物理层ieee802.15.4定义了2.4ghz物理层和868915mhz物理层两个物理层标准，两个物理层都基于dsss，使用相同的物理层数据包格式，区别在于工作频率、调制技术、扩频码片长度和传输速率的不同。总之，zigbee所具有的功耗低、传输可靠、无需布线、低成本的特点使得zigbee非常适用于商务大厦及家庭防火报警系统中，zigbee系统的全球联网，使得整个防火系统的后续升级及防火联动有了保障。5.2无线火灾监控及报警网络的介绍本系统采用zigbee标准的射频芯片cc2500和stc89le516ad单片机作为无线火灾报警系统的主控mcu；利用stc89s51单片机作为智能火灾报警逃生箱核心控制器。因现有的火灾报警系统，多采用有线技术进行消防传感器网络的组建。这类方案的特点是扩展性能差，布线繁琐，影响美观。由于采用硬线连接，线路容易老化或遭到腐蚀、鼠咬、磨损，故障发生率较高，误报警率高，难以实现联动控制。无线的方式则比较灵活，避免了重新布线的麻烦，网络内的基础设施不再需要掩埋在地下或隐藏在墙里，无线网络可以适应移动或变化的需要。由于火灾报警系统的性能直接关系到人类的生命和财产安全，因此对火灾报警系统有一些严格的要求。系统需要可靠、稳定地运行，一旦发生火警，应能立即上报，并且应尽量减少误报和漏报。根据国家相关标准，火灾报警器应能实时感知环境的参数变化并且报火警的延时不应该超过10秒，火灾报警网络应具有故障修复功能以保证网络正常运行。对于大规模建筑而言，构建一个火灾报警系统有可能需要成千上万个传感器节点，而且各个探测器节点通常是由电池供电。因此除了要求系统具有较好的可靠性，稳定性和实时性外，我们还希望火灾报警器的成本较低，方便我们大规模地在楼宇内布置节点。此外系统应做到尽可能的节能，以便系统长时间运行，避免频繁更换电池给用户带来的麻烦。在选择组建无线火灾报警网络的无线技术时，必须考虑到火灾报警系统的这些需求。主要包括以下几个方面:（1）火灾报警和联动控制当探测区域发生警情时，探测节点能够及时将预警、火警信号报告给中心火警控制器，火灾控制器收到火警信息后能够立刻启动火灾现场的消防控制设备，例如。对其进行消防联动控制。（2）网络连接状态实时监测由于回路是一个无线网络，节点有可能出现网络故障问题，为了保证网络的可靠性，系统应能实时监视网络中各节点的工作状态，一旦出现网络故障，应能及时发现并进行修复。（3）节点信息登记和地理位置关联系统对节点的加入和退出进行管理。新建网络时，系统应记录下网络中各个节点的类型和地址，并对各个节点进行地理信息关联，以便系统对单一节点进行操作，网络出现异常时准确判断异常节点所处的位置。采用无线传输方式构建的无线火灾传感器网络虽然可以避免现有的火灾报警系统的各种问题，但无线通信技术在火灾监控领域的应用相对还是很少。这主要是因为之前没有一项无线通信技术适合在火灾监控领域进行广泛的推广，而且一些无线通信产品的价格偏高，导致无线通信技术在火灾监控中的应用停滞不前。随着近年来人类在微电子机械系统、无线通信、数字电子方面取得的巨大成就，使得发展低成本、低功耗、小体积、短距离通信的多功能传感器成为可能。zigbee技术的出现就解决了这些问题。使用无线zigbee传感器网络，可以大大提高火灾报警系统的可靠性。正是由于zigbee技术具有功耗极低、系统简单、组网方式灵活、成本低、等待时间短等性能，相对于其他无线网络技术，它更适合组建较大范围的无线火灾报警逃生系统。5.3无线火灾报警网络的总体框图报警器和逃生箱无线传感器1无线传感器nzigbeezigbee数据集中器监控与指挥平台 图51系统总体结构框图如图1所示。无线传感器将探测到的火灾信号通过zigbee无线通信方式发送至数据集中器；数据集中器将收集的数据送至火灾监控中心，再由火灾监控中心对这些数据进行计算处理和统计评估。火灾信号判断的原则不是简单的非准则，而需要同时考虑其他多种因素。根据预先设定的有关规则，将这些数据转换为适当的报警动作指标。从网络逻辑结构上分析，zigbee火灾报警系统内的数据集中器是zigbee网络中的网络协调器；数据集中点是路由节点；无线传感器是终端设备，根据传感器安置的位置，也可设为路由节点。一个zigbee网络最多支持65 535个节点，完全可以满足需要。系统硬件结构主要由数据采集端和数据接收端构成。数据采集端由传感器、mcu和无线收发芯片等组成。mcu与无线收发芯片通过spi总线连接，二者构成无线传输模块。数据接收端使用相同的无线收发模块，并利用rs232异步串口与pc机通信。其功能相当于一个接入点，一方面将主机向数据采集端发送的控制信号以无线的方式发射出去，另一方面接收采集数据并上传给主机。5.4无线火灾报警网络的硬件结构stc89le516adcc2500cc2500stc89le516ad传感器pc逃生箱报警器rs232romspispi数据采集端数据接收端监控与指挥平台图52系统硬件结构框图主控mcu是stc89le516ad单片机，为51内核增强型8位单片机，与intel mcs51系列单片机完全兼容。stc89le516ad有丰富的片上存储功能，具有64 kb flash和512字节 ram。单片机自身固化有isp程序，通过串口下载程序。cc2500是一款低成本、低功耗、高性能的无线收发芯片。其工作频段为2.4 ghz的ism频段；具有良好的无线接收灵敏度和强大的抗干扰能力；在休眠模式时仅0.9 a的流耗，外部中断或rtc能唤醒系统；在待机模式时少于0.6 a的流耗，外部中断能唤醒系统;硬件支持csma/ca功能；电压为1.83.6 v；在传输模式下，当输出功率为-12 dbm时，电流消耗为12 ma。cc2500的接收器敏感度为-101 dbm（在10 kbps时）；数据速率可在1.2 kbps500 kbps之间变化；带有2个强大的支持几组协议的usart，以及1个mac计时器、1个常规的16位计时器和2个8位计时器。第六章火灾监控及联动系统的设计6.1主机监控界面的设计考虑到商务大厦的实际情况，特采用集散型防火防盗监控系统，即将整个监控区域划分成多个独立的子系统，每个子系统控制商业大厦的一层楼，分别都采用一个控制器进行控制，用以完成本子系统的现场火情探测、火灾报警任务。在商业大厦的报警中心设置一个中央控制器，用以完成对各层控制器之间的协调，监视和指挥各层控制器的工作情况，根据实际情况远程控制子系统中的防火防盗报警器、火灾逃生设备及消防设备。本设计中监控系统的设计理念即集中管理、分散控制，以下为本设计监控系统的组成框图61。图61为了提供可视化的操作，实现远程监控，选择microsoft visual basic6.0设计了上位主机监控界面。microsoft visual basic6.0中提供了大量的控制元器件和对象，对象的事件处理能力足够满足设备的要求。主机通过rs232串口通过rs232/ttl电瓶转换，与zigbee网络master节点进行通信，microsoft visual basic6.0中mscomm通信控制元件提供了标准的事件处理函数和过程，并可以通过属性的设置或者编程的方法设置串口的参数。监控主机界面的主要功能如下。（1）动态的提醒和显示出现火灾或者疑似火灾的地点，并以数据库的形式将其发生时间日期、地点、处理情况等信息保存下来。（2）发送client节点查询命令，以检查client节点是否在正常工作；可以根据需要，在界面里配置各常用串口参数。(3)显示和提供人性化的操作方式，提供对数据库的各种操作，包括生成和打印报表等。6.2火灾报警的联动控制系统本设计中的联动系统主要指在火灾发生时，由主控制室控制消防设备实现其功能，消防设备主要包括灭火门、消防广播、消防泵、喷淋泵等，在报警中心的控制器与消防联动设备之间加入输入、输出模块，输出模块的工作原理是当其接到来自控制器的动作指令后，由其常开或常闭触点来控制消防设备，输入模块的工作原理是当设备产生报警动作时，微处理器控制的电子部件把触点信号通过探测总线传输到控制器。控制器报警后，模块内部电子部件中的发光二极管闪亮以显示报警状态，再由控制器给出相应的信号去联动消防设备。以下为本系统中火灾报警及联动控制系统框图62。参考文献姜继海等主编液压与气压传动北京.高等教育出版社（第二版）2009.5附录源程序#include hidef.h#include non_bank.sgm#include runtime.sgm#define epage_low_bound 0x400u#define epage_high_bound 0x7ffu#define dpage_low_bound 0x7000u#define dpage_high_bound 0x7fffu#define ppage_low_bound (dpage_high_bound+1)#define ppage_high_bound 0xbfffu#define register_base 0x0u#ifndef dpage_addr#define dpage_addr (0x34u+register_base)#endif#ifndef epage_addr#define epage_addr (0x36u+register_base)#endif#if defined(_dpage_)#ifdef _cplusplusextern 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