基于ZigBee的烟雾温度传感系统设计.doc

济南大学毕业设计毕业设计 题 目 基于ZigBee的烟雾温度传感系统设计 学 院 自动化与电气工程学院 专 业 自动化 班 级 仪器0901 学 生 5645136 学 号 49 指导教师 王中华 二一三年六月八日- 1 -济南大学毕业设计摘 要无线传感技术如雨后春笋般日益成熟，其具有成本低、能耗小、无需布线、相互之间没有电气干扰等优点，极大的迎合了公众的节能，使用方便的需求心理。本文设计了一种基于ZigBee技术的烟雾温度传感系统，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。采用CC2430模块通过ZigBee协议实现上位机和下位机数据的无线收发功能。本文根据课题设计任务的要求，完成了烟雾传感器、温度传感器、液晶显示、射频收发模块的选型，设计了由电源模块、传感器模块、数据无线传输模块、串口模块等构成系统的相关电路，制定了数据无线传输通讯协议，编制了相关程序，并进行了相关的实验调试。此无线传感系统性价比较高，适应能力强，复杂度低，极大的提高系统可靠性、灵活性和检测范围，降低系统的成本，具有较好的应用前景。关键词：ZigBee；无线传感系统；下位机；射频收发模块；通讯协议ABSTRACT Wireless sensing technology have sprung up day by day mature. It has low cost, low energy consumption, no wiring, and the advantages of no electrical interference between each other, catering to the energy saving of the public, convenient to use the psychological demand. This paper designed a kind of smoke temperature sensing system based on ZigBee technology. There are two major parts: the data acquisition system (wireless terminals under a machine) and data receiving system (PC). Upper machine and lower machine presents a one-to-many relationship. Using CC2430 module through the ZigBee protocol implementation of upper machine and lower machine data radio transceiver functions. In this paper, according to the requirements of project design, completed the smoke sensor, temperature sensor, LCD display, rf transceiver module selection, design including power supply module, sensor module, wireless data transmission module, serial port module composition system such as the relevant circuit, established data wireless communication protocol, compiled the relevant procedures, and has carried on the related experimental debugging. The wireless sensor system, high cost performance, strong adaptability, low complexity, greatly increase the system reliability, flexibility and range of detection, lower the cost of the system, has good application prospect.Key words：ZigBee；Wireless sensor systems; Sensor module; RF transceiver module; Communication protocol目 录摘 要IABSTRACTII1 课题背景及意义11.1 课题背景及研究现状11.2 研究目的和意义22 系统总体设计方案32.1 ZigBee协议规范研究及分析32.1.1 ZigBee网络拓扑结构32.1.2 ZigBee数据传输机制32.1.3 ZigBee节能技术探讨42.2 方案选择52.3 系统整体设计52.4 芯片选择62.4.1 无线射频模块62.4.2 单总线温度传感器DS18B2072.4.3 气敏传感器MQ-272.4.4 液晶显示模块72.5 系统硬件结构73无线传感系统的硬件设计93.1 无线传输模块的电路设计93.2 温度采集电路设计133.3 烟雾采集电路设计143.4声光报警电路设计143.5 液晶显示电路设计153.6 远红外遥感电路设计163.7 串口电路设计173.8整机电路图174 系统软件设计184.1 终端测量节点加入无线网络184.2 终端节点信号采集194.3 数据传送204.4 系统主流程215 系统性能调试235.1 终端实验板235.2 上位机界面236 抗干扰设计266.1 存在的干扰表现266.2 抑制干扰的措施26结 论27参 考 文 献28致 谢30附 录A31附 录B33- 40 -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 ：Wireless Area Net）、基于蓝牙的无线个域网（WPAN：Wireless Personal Area Net），再到后来的基于ZigBee的低速无线个域网（LR-WPAN：Low Rate-WPAN）等12。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。采用CC2430模块通过ZigBee协议实现上位机和下位机数据的无线收发功能。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。2.1 ZigBee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。2.1.1 ZigBee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。2.1.2 ZigBee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。2.1.3 ZigBee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2.1 ZigBee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）ZigBee RF+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PIC MCU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CC243014，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SOC ZigBee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CC2420 RF收发器、增强工业标准的8051微处理器、8KB SRAM以及32/64/128KB Flash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CMOS 8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-2MQ-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）IEEE 802.15.4 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。CC243014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3.1 CC2430发送模块 如图3.1所示，由于CC2430芯片内部集成了8051内核和ADC，所以本系统中无需外接微处理器和模数转换电路，P0口是模拟量的输入口，烟雾传感器MQ-2输出的是模拟量，所以必须接CC2430内部ADC的模拟量输入端16，即使用了CC2430内部的ADC，所以寄存器ADCCFG的对应位必须设置为1。ADC可以执行序列转换，通过DMA可以直接把转换结果移动到存储器，不需要CPU干预，但是ADCCFG寄存器会影响转换序列。如果在ADCCFG的设置内禁止了ADC的模拟输入，那么这个ADC引脚的输入通道将被自动忽略。本系统设置的CC2430的工作频率为32GHz，ADC的转换时间取决于选择的抽取率，转换时间公式为： （3.1）如公式3.1所示，当抽取率为128时，抽取滤波器的时钟周期便为128个4MHz，此时的ADC转换时间为36。图3.2 CC2430接收模块由于传感器模块的供电电压是5V，而无线射频模块CC2430的供电电压是3.3V，所以若要这两个模块之间实现数据传输功能17，必须设计电源电路，电源电路的设计如图3.3所示。图3.3电源电路的设计图3.4 CC2430的部件结构 如图3.4所示，CC2430芯片的集成度较高，主要分为三大部分，即CPU模块，无线模块，电源和时钟分布模块。其中USART串口可以通过RS-232与上位机相连，从而实现下位机的实时监控，上位机的人机界面显示终端的现场状况。若终端设备有异常，CC2430的接收模块可以第一时间驱动声光报警电路，提示现场出现状况，然后将异样的信号发送给上位机监控室，一方面可以减少火灾的发生，另一方面减少人力消耗。本设计中的难点之一是天线部分的设计，为提高天线的性能，采用单极不平衡天线，CC2430和天线之间由巴伦电路与三个电感和四个电容组成，如图3.1和图3.2所示。这种设计使天线的体积较小，而且起到阻抗变换的作用，CC2430无线射频接口的最优阻抗值为115+180j，而天线部分的匹配阻抗为50，每个地线引脚上串接了电容，其作用是增强系统的抗干扰能力。在CC2430的内部使用了发送接收开关电路，本系统中使用的两片CC2430芯片，可以相互配合实现接收终端传感器采集的信号后，经无线传输模块，将现场采集的信号发送至接收模块，再经RS-232串口通讯，将处理后的信息传到上位机。3.2 温度采集电路设计本系统的终端传感器为多点温度测试，温度传感器DS18B20的供电设备即可以采取寄生供电，也可以使用外部电源供电17。为了尽可能的减少使用CC2430的I/O口，本次设计所有各硬件部分电路均采用外部电源供电方式，这样做有两方面的优势。一方面是I/O线上不需要加过大的上拉电阻，而且在转换温度信号期间，一线总线控制器不需要一直保持高电平状态，与此同时，总线上可以传输其他数据。另一方面当环境温度高于1000C时，若使用寄生电源，DS18B20温度传感器的漏电流较大，影响通讯。但需要注意的是加外部电源供电时，GND引脚必须接地而不能悬空。单条总线上挂接的温度传感器的数目最好不要超过8个，不然就需要考虑总线驱动14的问题，其硬件连接电路如图3.5所示。图3.5 DS18B20温度传感器3.3 烟雾采集电路设计MQ-2气敏烟雾传感器内部的敏感材料是微型Al2O3陶瓷管、SnO2 敏感层。固定在塑料或不锈钢制成的腔体内的敏感元件是由测量电极和加热器构成的，其中加热器为传感器提供了必要的工作条件。现在市场上销售的封装好的MQ-2传感器仅有6只针状管脚，其中1、3、4管脚接+5V的电压，2、5、6脚直接接地。MQ-2采集到的烟雾信号通过1K欧姆电阻后输出的是05V的电压信号，但CC2430整个芯片的最大工作电压为3.3V，所以烟雾传感器输出的模拟信号在进入CC2430内置ADC的模拟输入端之前，必须先经过电压转换，将其变成3.3V的电压信号。MQ-2的基本电路图如图3.6所示，其中滑动变阻器R7的阻值为20K，其作用是用来调节输出的电压信号的大小。图3.6 MQ-2烟雾传感器3.4声光报警电路设计CC2430的接收模块控制声光报警电路，P2.0口控制声光报警器的信号灯，蜂鸣器由P2.1口控制，该部分的电路设计如图3.7所示。当系统处于正常工作状态时，声光报警电路中的光电二极管发光，当无线传感系统监测到的室内环境超过设定的阈值（由烟雾传感器电路中的电位器R7的阻值决定）时，微处理器驱动声光报警电路，LED熄灭，蜂鸣器发出报警信号。图3.7 声光报警电路 如图3.7所示，LED报警指示灯和蜂鸣器分别有两个管脚控制，当报警命令出现时，可给连接LED的CC2430的P2.0管脚低电平，连接蜂鸣器的P2.1高电平，可实现声光报警同步进行。3.5 液晶显示电路设计12864液晶显示芯片和单片机之间的通讯方式有两种，即并口通讯模式和串口通讯模式，若选择串口通讯模式，可以使第15号管脚PSB接低电平，也可以将模块上的第八号管脚和“GND”用焊锡短接。若选择使用并口通讯模式，可以让PSB一直处于高电平状态，也可以将模块上的J8和“VCC”用焊锡短接。本设计中选择使用并口通讯模式，液晶显示模块电路设计如图3.8所示。图3.8 液晶显示电路如图3.8所示，3号管脚和2号管脚之间的电位器R8的阻值为10K，其作用是对比度调整。714号管脚作为三态数据线，占用CC2430的P1口。在使用过程中需要注意的是，该模块在接收微处理器的指令前，芯片内部的BF=“0”状态，即表示可以随时接收外部传送的。但是如果在传送指令之前不检查BF的状态，可能会产生一段较长的延迟时间，即等待前一个指令确定执行完成后，方可执行下一个指令。3.6 远红外遥感电路设计本设计中运用了红外线遥控装置，目的是为了便于通讯，而且可以有效的隔离来自其他电气的干扰。本系统中应用的是三洋（LC7461）彩电遥控器，具有功能强、成本低、功耗低、体积小等特点，实物图如图3.9所示。图3.9 LC7461彩电遥控器实物图LC7461遥控器由发射和接收信号两大功能，应用编/解码专用集成电路芯片来进行控制操作。发射过程及发射部分如图3.10所示，接收过程及接收部分如图3.11所示。图3.10 发射信号的过程图3.11 接收信号的过程3.7 串口电路设计CC2430的USART是串行通信接口1819，可以运行异步UART模式也可以运行同步SPI模式。要实现CC2430的输出信号能与上位机进行通讯，利用上位机配置的异步通讯适配器，可以很方便的实现二者之间的数据通信。一般情况下，采用相对应的电平转换器就可以实现数据通讯，最常用的RS232电平转换器是MAXIM公司生产的MAX3232芯片。UART模式可以进行全双工异步传送数据，接收数据时不影响发送功能。本设计采用的是异步通讯模式，其中UxCSRMODE必须设置为1，MAX-3232的电平转换电路如图3.12所示。图3.12 MAX3232电平转换电路MAX3232系列的接收器的关断模式功耗较低，特别适合电池供电系统，供电电压为3.3V，外部只需要几个简单的电容，就可以实现电平转换功能。3.8整机电路图本设计电路原理图由两部分组成，即无线终端下位机整机电路图和上位机电路图，整机电路图见附录A。4 系统软件设计本系统软件开发以IAR7.20为开发平台，使用TI公司开发的Z-Stack协议栈，用C语言编写程序。4.1 终端测量节点加入无线网络终端设备上电工作前，首先要经过节点初始化20，需要调用ZDO层的初始化函数，然后设置初始化事件，设备对象的任务事件负责处理初始化函数，对网络初始化这一事件进行相应的处理，并根据事件情况，调用网络层发现网络请求函数，执行相关发现网络动作后，NWK层将发现网络的消息传送至ZDO层，ZDO接收到消息后，自动修改设备状态，将执行请求加入网络事件，随后NWK层将接收到请求加入网络反馈，将加入网络指示消息再次传送给ZDO层，ZDO层接收到消息后，自动修改设备状态，任务事件处理函数执行ZDO的网络状态事件，启动搜索功能，寻找在应用层注册的端点号，即终端设备组网过程结束21，其软件流程图如图4.1所示。图4.1 终端设备组网流程图4.2 终端节点信号采集本设计中的数据采集主要是对温度传感器和烟雾传感器的信号数据采集22。温度传感器采集到的温度信号可以直接输出数字量，但是烟雾传感器MQ-2采集的烟雾浓度是模拟量的形式，需要将MQ-2的输出端接CC2430芯片的ADC输入端，CC2430芯片内部的ADC将模拟量的信号进行换算即可得到相应的实际数据。终端设备采集信号的流程图如图4.2所示：传感器组上电后，要初始化设备，接下来选择通讯通道，CC2430无线传输模块准备接收信号，调用ZigBee协议应用层函数23，自动判断是否接收请求，如果系统不接收请求，将返回上层，继续准备接收信号；如果接收请求，系统再次判断本次请求是否合法，若系统判断本次请求不合法，也将继续返回准备接收信号阶段；若请求合法，将驱动无线终端设备，传感器组开始采集信号，发送采集的现场环境。当系统判断采集、发送工作完成之后，无线终端设备将暂停采集工作。图4.2 信号采集流程图如图4.2所示，系统在接收到合法请求的情况下才会开始采集发送数据，而且只有一帧数据采集结束之后才会进行下一次数据采集。4.3 数据传送本系统设计的烟雾温度传感系统主要功能是通过温度传感器DS18B20和烟雾传感器MQ-2测量各测点的温度和烟雾浓度，将采集到的数据由ZigBee发送模块发送到检测中心的接收模块，再经过串口上传到PC机，系统传送数据流程图如图4.3和图4.4所示。 图4.3 数据发送流程图 图4.4 数据接收流程图如图4.3和图4.4所示，无论是接收或者发送的数据的时候首先初始化模块，避免数据传输混乱，只有控制器收到接收或者发送的命令时才会开始进行数据传输，这更保证了数据传输的准确性。4.4 系统主流程图4.5 主程序流程图如图4.5所示，系统上电后，关闭中断，初始化ZigBee协议Stack RAM、各硬件的I/O口、HAL层驱动、CC2430芯片的FLASH以及数据链路层24，系统自动分配64位长地址，然后读取CC2430的所有任务条目，继续初始化操作系统抽象层，打开总中断，设置定时器，操作系统抽象层任务轮回循环，系统做一次判断，是否有事件发生，如果判断结果是“否”，系统将自动返回上一层，若结果是有事件发生，系统将再次判断发生的事件是否有优先级别，若有优先级别，系统将调用事件处理程序，调用处理之后，最后判断是否完成，如果完成，本次工作将完成，系统自动终止任务，若未完成，系统将自动返回，再进行判断是否有事件发生。由于本设计程序较长，调试过程中做了详尽的注释，详细的程序见附录B。5 系统性能调试5.1 终端实验板本系统设计的是多点信号采集，在终端可以挂接多个烟雾传感器和温度传感器，通过编写ZigBee协议程序，运用网络拓扑结构，实现多点组网。但在做实物实验板时，为了节省成本，终端只挂接了一个相应的传感器，如图5.1所示，进行本设计系统的可行性测试。图5.1 无线终端采集下位机实验板5.2 上位机界面基于ZigBee技术的烟雾温度传感系统可以实现对建筑物内烟雾和温度的实时监测，上位机显示实测信息，可以设置报警方式，本系统的上位机画面显示以组态王25软件为依托，本着实用简单，人机结合的观念设计的。如图5.2所示，在组态王软件的工程管理器对话框下新建一个工程，名为温度监控系统。在新建的工程路径下，生成的数据文件不能直接修改。本系统需要建立一个上位机监控中心，现场采集的数据可以直观的显示在监控界面上。如图5.3所示，显示的是温度监控画面，表明实时温度为240C。本系统设置的报警温度为350C，若现场温度超过设定的阈值后，组态王软件内有COM包，可以实现短信报警功能，如图5.4所示，可以设置和修改报警电话号码。若现场采集的信息没有超过设定的阈值，本系统也可以定时给工作人员发送短信，如“运行正常！”等信息，实时报告现场环境，如图5.5所示。系统的主界面如图5.6所示，可以通过上位机键盘输入，修改设定的报警阈值。各个画面可以通过画面中设定的按钮，实现画面之间的随意切换，人性化的界面设计，显示的现场信息易读易懂，可以迎合用户的使用心理，具有极大的市场前景。图5.2 新建工程图5.3 温度监控画面 图5.4 修改报警电话 图5.5 通讯界面图5.6 上位机主界面6 抗干扰设计6.1 存在的干扰表现经过系统的设计和实物的调试，发现影响本系统可靠性和安全性26的主要原因有系统内部其他电器和附近工作环境中的电器干扰，系统的整体结构设计，元器件型号的选择、联接和工作环境条件等，这些诸多因素对本系统产生的干扰，主要表现在下列四个方面：（1） 传感器采集的数据误差比出厂规定的大（2） 控制系统的状态灵活性较低（3） 数据在传输过程中受到干扰从而发生变化（4） 系统程序在运行过程中发生失常现象6.2 抑制干扰的措施工作时间较长，各元器件可能由于空气中灰尘和室内温湿度等外界因素的影响，必然会影响信号的采集和数据的传送，因此要求整个系统在设计时必须具有较强的抗干扰27能力。一般来说，无线传感系统的可靠性要求主要包括以下四个方面：（1） 选择抗干扰性强的元器件（2） 元器件之间的联接要求焊接精细（3） 采用硬件抗干扰技术，如滤波、屏蔽、接地等抑制干扰技术。（4） 采用软件抗干扰技术，如采用ZigBee技术中的直序扩频技术，使原本高功率、窄频率的信道扩为低功耗、宽频率22。结 论通过前期的资料查询，后期的硬件选型和设计以及软件的设计和调试，基于ZigBee技术的烟雾温度传感系统基本上达到了毕业设计方案中预期的结果，主要包括以下几个部分：（1） 组建一个ZigBee烟雾温度自动报警网络系统，该网络系统是由PC机、无线通讯模块以及含有传感器和报警器的无线终端构成。终端传感器为温度传感器DS18B20及烟雾传感器MQ-2等，该网络系统可以将终端传感器采集到的数据实时发送到控制台系统。（2） 控制台可以实现对整个网络系统进行实时监控，可以显示各个终端传感器采集到的数据及采集时间，当某一采集点的数据超出阀值时可以发出报警信号，并可以在PC机上定位显示出该采集点的终端，可以设定终端传感器触发报警的阀值。当某一信息超过设定的阈值时，CC2430接收模块可以驱动报警电路，实现终端下位机的声光报警。（3） 通过ZigBee烟雾温度自动报警系统网络实现对含有传感器的终端及进入网络覆盖范围的携带终端设备的移动设备进行实时定位，并通过网络系统将数据传输到控制台系统。 本系统的设计难点是ZigBee协议的学习和使用，作为一名本科生，我在本次毕业设计中仅简单了解和学习了ZigBee协议栈，所以关于ZigBee技术还有待于学习和使用，希望在以后的工作和学习中，继续了解ZigBee相关的应用。参 考 文 献1 张辉, 陈古典. 基于物联网的城市消防远程监控系统J. 信息化研究, 2010, 36(10): 55-582 张翔. 基于物联网技术的火灾自动报警系统研究J. 防灾科技学院学报, 2011,13(1): 51-553 段胜安, 葛泉波, 杜明. 新型智能消防系统的硬件平台构建与研发J. 计算机研究与发展, 2011,48(2): 284-2894 施邦平. 基于ZigBee的无线传感器网络在灭火救援中的应用J. 消防科学与技术, 2009, 28(2): 2-45 刘静, 赵望达. 基于ZigBee技术的火灾报警系统设计J. 单片机与嵌入式系统应用, 2007.1:56-596 周怡寤, 凌志浩, 吴勤勤. 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