基于ZigBee的城市消防系统设计

PAGEPAGE31哈尔滨工业大学毕业设计（论文）I-摘要目前，无论是大学还是中小学，中学宿舍的安全条件都不令人满意。随着传感器，网络技术，管理技术，通信技术的迅速发展，学生公寓的现代化，动态管理。住房和宿舍安全减少了工作事故，减轻了学生和学校的负担，一些大学增加了对住宅安全的投资。长期发展和迅速发展，现在许多学生公寓都是手工操作的，宿舍是安全的。因此，为了减少人力资源，学生的生命和财产受到某种保护。发展学生公寓智能安防管理系统迫在眉睫。本设计是为了早期发现火灾、防止入室盗窃而设置在宿舍中或其他场所的一种自动检测装置，实现高校宿舍的防火、防盗、防爆。本系统由烟雾传感器、电流互感器、模/数转换电路、红外传感器等传感器组成。烟雾传感器选用MQ-2，MQ-2感烟探测器，电流转换器LXK-50，核心部分选用51系列单片机，系统之间无线数据传输选用ZigBee模块，声音报警部分由蜂鸣器及蜂鸣器驱动电路组成，利用继电器模块来实现控制断电安全保护，通过单片机对外围电路的控制实现宿舍的安防监测。关键词：宿舍安防；烟雾传感器；无线数据传输；监测

AbstractAtpresent,nomatterinuniversitiesorprimaryandsecondaryschools,thesafetyconditionsofmiddleschooldormitoriesarenotsatisfactory.Withtherapiddevelopmentofsensor,networktechnology,managementtechnology,communicationtechnology,themodernizationanddynamicmanagementofstudentapartments.Safetyinhousinganddormitorieshasreducedworkaccidents,reducedtheburdenonstudentsandschools,andsomeuniversitieshaveincreasedinvestmentinhousingsafety.Longtermdevelopmentandrapiddevelopment,nowmanystudentapartmentsaremanuallyoperated,dormitoryissafe.Therefore,inordertoreducehumanresources,students'livesandpropertiesareprotected.Itisurgenttodeveloptheintelligentsecuritymanagementsystemofstudentapartment.Thisdesignisfortheearlydetectionoffire,preventburglaryandsetupinthedormitoryorotherplacesofanautomaticdetectiondevice,toachievetheuniversitydormitoryfireprevention,anti-theft,explosion-proof.Thesystemiscomposedofsmokesensor,currenttransformer,mode/numberconversioncircuit,infraredsensorandothersensors.SmokesensorselectionMQ-2,currenttransformerselectionLXK-50,infraredsensorselectionHC-SR501,corepartoftheselectionof51seriesofmicrocontrollers,wirelessdatatransmissionbetweenthesystemusingZigBeemodule,thesoundalarmpartbythebuzzerandbuzzerdrivecircuitcomposition,theuseofrelaymoduletoachievecontrolofpowerlosssecurityprotection,throughthemicrocontrollercontroloftheperipheralcircuittoachievethedormitorysecuritymonitoring.Keywords:DormitorySecuritySmokeSensorWirelessDataTransmissionMonitoring

目录TOC\o"1-3"\u摘要 IAbstract II第1章绪论 11.1课题研究背景 11.2研究现状 21.2.1国外研究现状 21.2.2国内研究现状 21.3本课题研究内容 3第2章系统总体方案设计 32.1系统总体架构 42.2ZigBee技术概述 52.3器件选择 52.3.1防盗检测模块 62.3.2火灾烟雾检测模块 72.3.3电流检测模块 82.3.4控制模块 92.4网络层设计方案 92.5上位机的选择 11本章小结 11第3章系统硬件设计 123.1系统硬件总体设计 123.2Zigbee模块电路 123.4传感器节点电路设计 143.4.1电流检测节点 143.4.2火灾检测节点 143.4.3防盗检测节点 153.6USB转串口电路设计 163.5控制电路设计 16本章小结 17第4章系统软件设计 184.1整体设计 184.2ZigBee程序设计 194.2.1协调器程序设计 194.2.2传感器节点程序设计 214.2.3无线组网程序设计 234.3上位机程序设计 24本章小结 25第5章系统联调测试 265.1硬件测试 265.2软件测试 27本章小结 28结论 29致谢 错误!未定义书签。参考文献 错误!未定义书签。附录1译文 错误!未定义书签。附录2英文参考资料 错误!未定义书签。附录3原理图 错误!未定义书签。附录4程序清单 错误!未定义书签。第1章绪论1.1课题研究背景这是第一个社会，第一个家庭，第三个学生的家，也是他们生活的主要场所。其他地方的学生把宿舍带回家。只有房子。但中国学生仍然没有足够的公寓。安全事故频发，如火灾、盗窃、诈骗等。学生宿舍是学生学习、生活和休息的重要场所。目前，几乎所有的计算机操作都在大多数学校进行。然而，宿舍安全系统继续人工操作。需要强大的人力资源支持，以确保传统的工作场所的安全，安防管理各项信息的准确性也较差。实现一整套关于学院学生宿舍安防管理系统的软硬件平台来实现一些基本防火、防盗、防爆，为减轻我校后勤人员的负担，从根本上解决了后勤人员工作量大、出错风险大的问题，同时，这也是今后高校和学生安全发展的必然趋势。首先，对学生来说，隐藏火灾风险是最重要和最重要的问题。此外，根据规定，学生使用的是耗能丰富的电器，为了及时发现问题，采取适当措施防止事故发生，管理者必须随时监控寝室的环境状况。确保学生个人财产安全。建议。近年来，预防营火和盗窃尤为重要。学校也寻求有效和快速的方法来预防此类事故。现代信息和通信技术的迅速发展。将微型计算机应用于学校的日常安防管理已是势必所然，将各类安防管理系统应用到学校宿舍的重要区域，这不仅将在学校安全管理方面带来前所未有的变化和出乎意料的好处，而且还将为学校的全面和迅速发展提供无限的潜力。经研究分析，宿舍安防管理智能化、远程化后，它可以取代大多数管理者的工作，大大减少基本要素的工作量，更大程度上保护学生的生命财产安全。将学生公寓智能安防管理系统通过ZigBee模块接通控制台，落实宿舍安全员、远程控制、智能房管，及时开展宿舍安全工作，它能及时获取寝室环境信息，预防事故发生，提高员工寝室管理效率；提高学习报告质量。针对学生住宅结构的统一性，考虑到电缆传感器系统的高密度、布线的复杂性和电缆传感器的高密度，采用基于ZigBee技术的无线传感器网络技术对高校校舍进行实时监控。该系统具有低可用性和可扩展性，大大提高了系统的准确性。宿舍的智能化水平为学校和学生提供了极大的舒适感。1.2研究现状虽然人类社会在学会如何利用火灾方面发生了变化，但它也对人身和财产的安全构成了重大威胁。特别是，随着世界经济的迅速发展，由于人口密度高，火灾风险也在增加。随着电力设备的不断增加，火灾安全变得越来越困难，一般而言，火灾的规模和火灾安全管理也带来了严重问题。大学和大学的火灾有80%以上是人为因素造成的，生活场所，如学生宿舍、车库、各类临时居民的租赁场所，是火灾频繁的地区。许多研究和实验机构表明，许多类型的火灾和爆炸物、许多火灾和电力、许多旧建筑物的基础设施陈旧不堪，如供水、能源和天然气、许多旧建筑物、许多工程。此外，经常发生违规和违规行为，消防教育和提高认识的细节不受欢迎，安全管理经常被视为火灾的原因。1.2.1国外研究现状火灾探测器是150多年前开发出来的，1874年，联合王国安装了世界上第一个城市火灾警报系统，1890年，联合王国开发了温度敏感火灾警报传感器。1970年代，设计了烟花探测器，1980年代末，出现了基于总线系统的火灾探测器。近几年随着技术的发展，西门子建筑科技有限公司新的Guartoeasy安全系统已全面实施到学生住宅的安全现状中。西门子的新产品结合了视频、音频和视频监控、飞行警报（“有线或无线连接”）、火灾探测器、危险气体探测器等的音频。不监控学生住宅安全报警总线（号）的设计，符合直接进入安全系统的原则。目前，许多国家正在使用火灾管理应用，美利坚合众国、加拿大和德国等国也在使用火灾管理应用，使用全球定位系统（混合的地理信息系统：(1)美国使用远程红外线火警报警系统和森林保护设备监测火灾。(2)加拿大利用卫星旅游监测森林火灾。(3)德国火灾监测系统。1.2.2国内研究现状我国最重要的系统是以无线传感器网络为基础的火灾监测系统和以移动平台为基础的短期火灾警报系统，1980年代后期，大多数国家都在国外仿效了这一系统。在没有基本技术的情况下发展了先进的设备。1990年代，中国逐渐放松了外交政策，外国企业开始放松，中国的火警设备生产开始增长，中国企业与中国企业合作。国外企业.逐渐发展国内消防报警设备的生产。在现代火灾警报系统中，由于火灾现场环境的复杂性和火灾环境中火灾探测器的复杂性，火灾探测器本身的性能从开关水平提高到了模拟水平，但时间的流逝目前，火灾探测器只探测到一个物理数量的火灾，其他因素也影响到虚假警报的出现，数据处理能力和智能系统的火灾系统将大大降低。提高系统报销能力是引导现代火灾探测和警报技术。1.3本课题研究内容宿舍安全系统是一种自动检测装置，用于卧室或其他地方早期检测防火和防盗，实现高校宿舍的防火、防盗、防爆。本系统由烟雾传感器、电流互感器、模/数转换电路、红外传感器等传感器组成。烟雾传感器选用MQ-2，电流互感器选用LXK-50，红外传感器选用HC-SR501，核心部分选用51系列单片机，系统之间无线数据传输选用ZigBee模块，声音报警部分由蜂鸣器及蜂鸣器驱动电路组成，继电器模块选用常见的JQC3F-05VDC-C，控制实现宿舍的安防监测。基于上述原理实现以下功能：1.设计传感器电路实现对烟雾浓度检测，人员检测等；2.实现单片机最小系统电路，进行数据的处理、接收等；3.如果系统检测到环境内的烟雾浓度等超过预定的阀值则采取措施；4.设计控制装置，当发生漏电后通过控制装置切断电源；5.通过各个ZigBee节点向上位机汇报数据，上位机可以同时监测所有宿舍节点的状态。第2章系统总体方案设计传统的有线消防系统目前主宰着城市消防系统，但传统的有线电缆有许多局限性和困难。与有线电缆相比，Zigbee无线电缆宣布传统的火灾，主要解决问题。系统布线和睡眠系统结构的设计和操作成本较高。2.1系统总体架构传统的有线消防系统目前在城市消防系统中占主导地位，但传统的有线消防系统有许多局限性和困难。布线和睡眠系统的建造和运行成本很高：.(1协调节点可从其组织网络的所有传感器节点（燃气浓度、烟雾浓度、温度、距离）接收信息，并在消防中心显示位置信息和火灾监测区。(2)ZigBee火灾报警系统应高度自动化，手动操作更少，安装和维护成本更低。(3)远程监控信息和区域。基于ZigBee的宿舍安防系统设计与实现硬件框图如图2-1所示。烟雾传感器烟雾传感器电流互感器红外传感器ZigBee终端声光报警继电器模块ZigBee终端ZigBeeZigBee协调器上位机图2-1系统硬件框图上述功能需要网络层来执行以下功能：(1)从网络的所有传感器节点收集的信息可以通过有限数量的跳跃传输到协调阶段。(2)就是自组织网络的功能。打开并保存后，它将自动搜索网络并连接到网络。如果Zogbee网络中的某些节点无法离开网络，则通过该节点传输数据的其他节点将自动传输数据。您可以找到使用的新路径，连接到网络，结束不妨碍网络数据采集过程的网络节点。2.2ZigBee技术概述在快速自动化的时代，高速和通信协议是许多研究设施的管理，但是ZigBee协议是不同的。ZigBee协议在低速、短程无线通信、无线传感器网络以及智能家居中智能药物的不断发展等方面有着以下优异的特征：(1)低速率：在2.4GHz时最高码率250Kbps:(2)低功耗：终端传感节点在采集信息时，电流可以达到微安级;(3)低复杂度：比其它网络协议更简单的通信协议:(4)低成本：与Zigbe8051核心的合同是免费和具有成本效益的:(5)近距离：第一层的通讯距离是10米到几公里;(6)自组网：网络是独立创建和维护的，通信是逐步转移的，网络通信的范围很大。24GHz带宽的专利在全世界免费提供，消防通信系统也可在这方面开发。ZG-BEE技术具有诸如快速搜索节点装置、睡眠后激活装置等特征。连接线等，很少用于数据收集。当传感器节点中发生火灾时，平均功率处于微振水平，正常电池单元可以使用3个月到2年。节点设备是灵活的，可以支持星星、星星和其他。在不确定数据传输路径的情况下灵活改变连接和输出节点的树和栅格，搜索所有进入互联网的手段，然后选择传输数据的最佳方式。使用CSMAC信道连接技术以确保MAC级数据传输的可靠性。ZigBeeNetwork是一个多级的网络跳跃。网络覆盖可以通过多次跳无限扩展。两个zgbee装置不能直接沟通，可以通过多个跳跃的中间设备来支持。因此，zgbee网络的大小可以通过多次跳跃来支持，zgbee网络有非常大的容量。理论上它可以达到6535个设备。所有的设备都可以协调。网络容量可以无限并符合网络连接控制要求。ZigBee协议分为四级，物理层和MAC层是IEE802.15.54协议，在此基础上，由GBEE协议网络层（NWK）和应用层（APLVEN）定义的ZG-BEE协议水平是最高的服务器和，当容量可用时，通用数据库提供标准数据，将其分成传输和管理服务，称为“服务接入点D”（“SAP”）的层间接口，通过SAP提供相关的服务功能。2.3器件选择按照物联网系统层次的划分，对各个层次中所需主要器件进行挑选。通过多项指标，比如精度、可靠性、功耗、节能等多个方面进行对比，最终选择可行性高的方案。感知层的主要作用是对各寝室中的参数进行采集，比如；防盗检测，火灾烟雾检测和电压检测，这就需要选择多种便于开发和系统设计的传感器。在建设硬件平台的初期阶段，必须选择不同的设备使用它们。为该系统选择的传感器类型必须与有待最后确定的许多因素联系起来。应根据传感器的类型和工作条件，确定下列具体问题：传感器的来源、导线或非接触测量；国内或进口的，无论价格是否真实。2.3.1防盗检测模块方案一：使用振动传感器SW-188010，SW-1880P传感器便宜实用，形状好，阻力强大，传动结构紧凑，易于携带，方便安装。传感器工作电压在3.3v-5.v之间，振动传感器图像是开关，振动时开关处于耦合状态，输出位于在底部水平，在国际空间站板上的绿色指示灯，当收音机振动时，断路开关，当输出位于与一个相关的上一级显示器面板，不是明亮的，所以你可以检查环境振动通过一个微型计算机和输出。振子广泛应用于智能领域，如智能机，防盗装置，电动玩具。作为一个前报警装置，振捣器是非常重要的模块。基本上，这是一个警报器的接收，但缓慢的反应不考虑选择。方案二：红外传感器hc-sr501，红外线火石传感器是一种常用的传感器，可探测到恒温动物和人，并在人被激活时获得相应的代码，这导致低功率。如果有人在这个范围内，低水平的结束。从待机模式到高水平检测范围3-5米，DC5V-20v波段工作电压，时间监测人的传感器模块有两个运行模式：重复起动模式（L）和重复运行模式（H）。通常我们选择连续运行模式反应速度是理想的，所以让我们看看这些系统的设备。红外传感器检测恒温动物和人，并在激活时获得相应的代码，如果有人在该范围内，则该终端电平为低。人口传感器模块5S-30S-6808-60HC包括两种操作模式：重复起动模式和重复操作模式。防盗检测传感器实物图如图2-2所示。图2-2防盗检测传感器实物图2.3.2火灾烟雾检测模块本文使用MQ-2传感器采集室内停车场的火灾烟雾度信息。mq-2气体检测器材料SNO2。如果在传感器环境中存在可燃气体，传感器的传导性就会随着空气中可燃气体浓度的提高而增大。可以使用简单的方法。将电线转换为输出信号的电路，相应的气体浓度。mq-2传感器检测原理是使用具有非常低的空气导电率的sno2半导体作为一种天然气管道。mq-2传感器检测100-0000ppm范围内的可燃气体和烟雾浓度，体积浓度1ppm=1cm3/1m3.半导体界面能产生与潜在电位相当的电位。mq-2传感器对液化气、丙烷和氢气具有很高的灵敏度，也是检测天然气和其他可燃气体的理想传感器。该传感器可感测各种易燃气体，是一种经济高效的传感器，适用于多种应用。MQ-2传感器如图2-3所示。图2-3MQ-2气体传感器2.3.3电流检测模块电流互感器是测量一次侧大电流的重要测量装置，用于获取能源系统二次侧的一次保护装置侧电力系统运行状态的重要手段。正确配置和选择电流互感器对整个电力系统的安全运行有着极大的作用。电流互感器可根据适用范围分为电流互感器和保护变压器。测量用的电流互感器主要用于以这种方式将主边电流传输给次级继电器的保护装置及其控制元件。从而保证电力系统的安全正常运行，所以对测量用电流互感器的测量准确度有较高的要求。目前，根据国家规定，额定电流是变压器1A或5A的二次侧。当电流传感器在二次侧工作时，通常是短路，而二次侧的操作电压非常低。通常电流互感器一-次侧匝数较少，即1匝到几压，二次侧匝数较多。精度等级分为0.2/0.5/1/3/10五类。当电力系统运行发生故障时，保护用电流互感器用于检测电力系统电流并将此时电流信号有效传给二次侧，使继电保护设备能够正常工作进行跳闸、重合闸等操作。电流互感器具有较多分类，以应对不同的工作需求，保护用电流互感器有不同的准确级。在电力系统发生故响时，短路电流、电压会瞬间增大，引发较大的电动力和热动力，整个电网的各个设备都会受到影响，严重时甚至会造成电网裂解和崩溃。保护用变压器必须在极端条件下运行，因此电流互感器的选择必须考虑电力变压器需要能够耐受大电流，短路电流通常是正常运行时的几倍到几十倍，能够承受电动力和热动力，并且需要保证有足够的准确度。当电路发生故障时，边电流产生一条带子，使交换机的核心饱和，形成二次侧感应电流波形畸变，不能正确反映一“次侧电力系统的运行状态，影响继电保护装置正常动作。LXK-140型零序互感器实物图如图2-4所示。图2-4LXK-140型零序互感器实物图2.3.4控制模块本系统中用到三种模块，输入模块：只接受速度而不需要发送信号的模块，它只用于连接输入设备，如信号灯和显示灯。输出模块：现在通常由连接控制模块代替。它分为一个输入模块和两个输入输出模块，控制模块的前两部分提供信息和操作，工业控制中常采用PID等，但是开发难度较大，本系统采用继电器模块来控制。控制继电器模块实物图如图2-5所示。图2-5继电器实物图此常闭图采用jqc3f-05VDC继电器接点。主要技术参数为:1.工作电压：5V；2.电阻：55-70欧姆；3.最大输出电压：250V；4.最大输出端：10A5.正常温度范围：-40℃~+85℃。2.4网络层设计方案本设计中选用无线网络来实现数据传输，由于室内停车场环境复杂，区域较多，检测点也较多，采用无线传输方式便于无线组网和数据采集。.短距离无线通信和其他通信技术之间的主要区别是短距离传输；低速度，与各种传感器的自由连接的可能性，终端和其他电子设备，连接设备和信息传输能力。目前无线通信技术种类繁多，各有优缺点，如：蓝牙技术、WiFi技术、ZigBee技术等。方案一：蓝牙技术是一种实用的、短距离的无线通信技术。蓝牙技术可以为智能手机等移动设备之间的通信提供更舒适的环境，使这些设备与互联网之间的通信和数据传输更快、更高效。蓝牙技术是连接互联网和外设的桥梁和纽带。蓝牙技术将断开互联网和设备之间的数据传输。但是蓝牙常用于建立点对点式网络，且常建立临时性网络。方案二：Wifi技术采用IEEE802.11系列协议，目前，许多小组被用作模块，如ESP8266WiFi.ESP8266是一个完全独立的局域网模块，允许您创建所有网络应用程序，具有强大的片上处理和存储能力。同时它能配合低功率操作，价格适中，抗干扰能力强。组网方式灵活，移动性好，传输距离较远能达到百米，速率也较高，但是此技术节点数量受限，不能实现大面积区域组网。方案三：ZigBee技术基于iee802.15.4协议。它是一种新型的无线网络数据传输技术，具有距离短、复杂度低、成本低、功耗低等特点，可以与成千上万的传感器进行协调通信，特别是智能家居系统、煤矿等。等，用于电子设备之间的无线数据传输，具有低距离和高传输速度。每一个Zigbee网络可以最大化为255节Zigbee网络。许多节点都有控制设备，而另一个单元是机器。它可为网络联络点安装多达64000个终端和路由器，以便连接到网络。网络连接后，协调中心将与网络连接。网络覆盖范围将继续扩大。所以本系统选择用ZigBee技术作为网络搭建方式。CC2530Ti是SOC的一个可行的解决方案，适用于2.4ghziee820.15.4，ZigBee和RF4CE，并允许建立非常低的材料成本的出口网络节点，其优势在于生产力的稳定性、功耗低。从芯片及其软件开发环境、系统集成度和芯片的成本来考虑，经过对价格、性能比、功能、功耗等参数的对比，并且考虑到本设计节点规模较大，无人化等特点要求。本文主要考虑的是芯片的成本、集成度、性能和功能性从而选择的硬件平台。所以选择方案三。TI的CC2530芯片符合本次毕业设计的要求。ZigBee模块实物图如图2-6所示。图2-6ZigBee模块实物图2.5上位机的选择本文的主要工作之一就是设计室内停车场监测系统的上位机界面，人机交互界面的开发是重点内容之一，上位机界面不仅仅是数据显示作用，同时也在系统质量保证和管理方面起到重要作用。因此，选择正确的开发软件非常重要。目前，通常使用的GUI包括微型视窗、QT、UC/GUI、Minigui、GTK+ETFLTK.每个发展方案都有其特点和弱点。本设计中分为上位机和下位机两部分，其中应用层的数据显示界面属于上位机开发部分。上位机和下位机的操作方式为：上位机是指能直接发送控制指令的计算机或软件，下位机是指：直接控制设备以获得设备状态的计算机或软件。根据上位机界面上的触生成相应命令，下位机将命令传给下位机后，下位机必须利用该命令对相应的时间信号控制相应的设备或机器，下位机不时从设备状态接收数据，将数据转换为数字信号，并由相应的上级将数据重定向到计算机。QT是面向桌面、嵌入式和移动应用的平台级应用开发概念，支持的平台包括Linux、Windows、VxWorks、Android等。在网络、数据库、OpenGL、web技术、传感器、通信协议、XML和JSON处理、打印、PDF生成等领域。本设计中的上位机软件运行在PC上，主要功能是实现在PC机上显示室内停车场检测的数据结果，如车位、火灾险情、光照强度等。本章小结本章首先对宿舍安全系统进行了总体设计。根据系统应用环境的要求，进行了合理的选择各类传感器元件和控制器件。其次考虑到实用性和经济性方面，选择了无线组网方式，并选择了CC2530模块为核心处理器。最后选择了上位机的开发方式。

第3章系统硬件设计ZigBee住房保障系统的设计与实现包括传感器、通信技术和计算机技术的结合，从线路上获取和控制环境信息，为学生创造安全舒适的生活条件。3.1系统硬件总体设计为了对宿舍进行环境审计，实时检查环境和安全信息，检查报警和中继，以及系统终端控制单元，将数据控制和系统配置功能结合起来。在同一印刷电路板上安装监视功能不仅降低了计划开发成本，而且还确保了系统的可持续性。最终需要包括信息模块、CC2530模块、电源模块、控制模块等，数据收集功能通过各种传感器进行测试。终端，传感器模块有烟雾和热红外传感器。CC2530模块是主要模块。它的主要功能包括数据处理，A/D转换和无线通信，A/D转换和信号处理，环境参数分析和无线传输。电源模块的主要功能是为系统的各种功能提供电源，以及正常工作的稳定电源。控制单元控制电磁继电器的开关，控制环境参数的适应和控制工作，实现环境的自动控制，当有火灾烟雾产生，开启报警器。3.2Zigbee模块电路本文购买的ZigBee终端结集成模块还具有以下特点：1.丰富的界面资源，支持传感器插插即用，避免传统的短路盖插件故障；2.底板和核心模块的模块化设计，适合不同模块的更换；3.便捷的USB转串口电路，方便各种用户的使用；4.多个便于模块调试和扩展的IO端口；5.支持OLED视图和联机调试；6.增加了串口收发器信号以监测通信状态；7.使用进口的贴纸生产部件，质量保证更高；8.电传更方便；9.底板尺寸：5*5.1cm；10.串行通信；11.支持多种电源模式：USB，DC2.1，电源插座；12.支持传感器的各种功能接口，与标准Ti模拟工具兼容。CC2530芯片引脚图如图3-1所示。图3-1CC2530最小系统电路图该系统使用Zigbee模块的网络功能来创建无线Zigbee专用网络来监视该项目，然后利用Zigbee模块的网络功能将多个传感器集成到Zigbee无线网络的管理中。该专用网络通过ZigBee无线网络传输协议将不同类型的数据打包并传输给ZigBee协调器。由于ZigBeecoordinator的数据转换功能，所有数据类型都是统一的，并且所有统一格式的数据都被发送到上位机进行显示。3.4传感器节点电路设计传感器由传感器和ZigBee数据检测，放火、防盗和防断电情况进行检测，分别对烟雾、陌生人进入和电流过大进行检测。3.4.1电流检测节点电流互感器内部电路主要分为2个支路，一个等效励磁支路，另一个等效负载支路。考虑剩磁、漏磁等影响因素，主电流和二次电流不是严格线性的，因此，在设计中，电流变换器的二次侧负载应小于激励阻抗，从而负载电流大于激励电流，使一次侧电流和二次侧电流能够最大限度的保持线性关系。在电源系统短路故障的情况下，产生电流波，并且电流变换器在饱和区内工作。短路电流由周期分量和非周期分量组成，这两种分量都会加剧电流互感器的饱和。一般来说，非周期分量是变压器在饱和区工作的主要原因，当电流互感器在饱和区工作时，变压器的饱和主要是由一个临时分量引起的，称为饱和交流，二次侧不能线性的表示出一次侧的电流，电流波形会发生畸变。电流检测电路原理图如图3-2所示。图3-2电流检测电路原理图3.4.2火灾检测节点本设计当中火灾检测节点电路由MQ-2传感器和Zigbee模块电路两部分组成。Mq-2具有高品质的双面板设计。它在网络显示器和TTL信号输出中发出TTL和AO模拟信号。来自TTL的有效信号处于低电平（如果低功率输出信号可以直接连接到MCU或继电器模块），则输出信号为电压信号，当检测到信息变大时，输出也跟着变大，对CO，甲烷等气体有很高的静态特性。有四个孔可以很容易地确定；产品尺寸：32（稳定和快速的反应。输出值AO：0.1-0.3v）相对无污染，最大电压集中在4V左右。在给传感器上电后，通常先持续大约20秒，目的是为了使测量更加准确，一般情况下传感器都会有一定发热，那是因为其内部结构决定的，倘若温度过高就是异常，需要断电进行处理。插销1-VCC：连接正极电源）5V，插销4-GND：连接负极电源，插销2-Ao：模拟输出信号，插销3-开关：TTL，引脚3接底板P07口。MQ-2引脚电路如图3-3所示。图3-3火灾检测电路原理图3.4.3防盗检测节点在大自然中，任何温度高于绝对温度的物体产生红外光谱，由不同温度的物体发射的红外波长各不相同。热电解质效应是某些强大介电材料的表面温度变化的上升或下降。温度偏振。热释放的红外电传感器的原理是，某些介电材料在温度上升或下降时具有强烈的自发偏振效应。温度根据热辐射变化。表面诱导的负载变化。热释电红外传感器输出电压信号只有高电平和低电平两种状态，所以可看作是数字信号，单片机可以直接识别，输出为三线输出方式，其中2引脚与ZigBee模块P20引脚相连。防盗检测电路如图3-4所示。图3-4防盗检测电路原理图3.5USB转串口电路设计在设计系统时，在监测中心安装了协调中心，该设计使用USB接口转换ch340芯片和USB接口，在转换后，可以连接到PC或可转换成异步和同步的模块接口。Usbdm接口和usbdp接口分别，与CC2530USB.P02，P03PCBs接口和ch340芯片的RXD和TXDPCBS接口连接，这将连接到节点和更高的机器接口。USB转串口电路原理图如图3-5所示。图3-5USB转串口电路原理图3.6控制电路设计当烟雾传感器检测到烟雾浓度超过临界值时，通过ZigBee模块组网，通过无线网络将信息传递给控制节点，由ZigBee模块和蜂鸣器设计报警电路，实现报警提示功能。其中，ZigBee模块P14引脚与三极管基极相连。报警电路如图3-6所示。图3-6报警电路原理图控制模块主要控制待完成的外部设备的工作地下停车场内的烟雾检测后的报警器电路。控制模块由继电器和相应的驱动程序组成。继电器通过驱动电路连接到CC2530模块，从而防止输出CC2530。如图1引脚为IN连接件连接到CC2530模块的P13主轴，该主轴将中继器连接到输入端、输出端和中继电路，如果中继器发射的功率低，则中继器的电磁阀通常开放的接触被关闭。当诸如开关的控制装置相反时，电磁阀被释放，并且当螺栓的效率较高时，该装置不再工作。继电器电路原理图如图3-7所示。图3-7继电器电路原理图本章小结本章中首先对硬件模块进行了整体设计，包括ZigBee模块最小系统电路等。其次设计了传感器节点电路如电流检测采集电路、火灾检测电路和防盗检测电路。最后设计了控制电路如断电和报警电路，以及上位机接口电路。为整个后期的设计工作打好了基础。

第4章系统软件设计完成系统硬件设计后，下一步是基于系统硬件编写程序。本章主要介绍主控模块以及部分功能模块的单片机程序。软件设计主要包括两个部分的工作，一个是下位机主程序设计，各个传感器程序设计以及无线组网程序设计，其次是上位机可视化界面的设计与实现。4.1整体设计传感器节点与Zigbee模块之间的数据传输通过通用异步收发（UART）完成。终端节点定期收集信息状态，当信息状态发生变化时，转发给协调节点的ZigBee模块。此外，电流检测节点以及火灾烟雾检测等节点检测的数据，也是发送到协调器，协调器经过串口再PC端上位机显示数据。而当检测数据没满足设定值时，发出相应控制指令，如开启继电器，火灾报警等。主程序流程图如图4-1所示。图4-1主程序流程图4.2ZigBee程序设计通信协议是一系列通信标准，标准协议由一组协议执行，其功能类似于图书馆的功能，允许用户访问通信协议和协议堆的通信功能。容易理解的收发节目的开发。ZigBee协议栈类似于微软的基本类。所有的协议都作为一个函数实现，并提供给应用程序接口的开发人员，即直接调用。ZigBee制造商提供ZigBee软件开发人员。在这个项目中，我们使用TI输入zstack协议。它是一个集成的IAR-MCS-51。在Z-Stack协议中，stackuser可以编辑现有的osal函数（操作系统抽象层）来调用相应的函数。库中还包含了d-communication协议的其他功能，关于ZigBee协议棒的实现细节，Z-stack协议棒可以看作是一个小型操作系统，通过任务轮换进行操作。4.2.1协调器程序设计Zigbee网络坐标在整个Zigbee网络中起着不可或缺的作用，没有坐标节点，整个Zigbee网络无法运行和分配。网络服务协议和Zigbee模块在协调中心，在Z堆栈协议中加入的Z堆栈协议必须完成，如果项目设置了Zigbee通信模块和每个节点的数据传输程序。ZigBee有三种主要的通信类型：广播、按需和多播。在通信过程中，只有两个设备和通信信息不能从第三方接收。多播的目的是将网络中的节点分成若干组，每个组的成员发送的消息只能由成员接收。组的发送意味着节点发送的信息可以从网络中的所有其他节点接收。在Zigbee模块接收由路由器节点或终端节点发送的数据的程序中，该系统和任务管理功能首先被初始化。然后，启动主函数的样本功能，输入系统事件查询周期。当事件同时发生时，必须比较事件的优先次序、高优先次序事件的处理优先次序和事件的优先次序“初始化”。然后调用事件处理功能，事件处理功能定义系统消息。如果消息被接受，然后启动SampleApp功能，允许处理MSGCB包）。最后，检查事件的序列号是否是在初始化登记的序列号，而不是序列号，在MSGCB消息记录的启动功能，然后在数据包。在这个项目中，我们使用的每一个终端节点和路由器的要求，我们必须将收集到的数据发送到协调中心。最初的短标识符的节点是0x0000，所以每个节点都有一个目标地址0x00000。协调器节点程序流程图如图4-2所示。图4-2协调器程序流程图协调器节点部分程序如下所示：switch(pkt->clusterId)//判断数据包中的序列号{caseSAMPLEAPP_POINT_TO_POINT_CLUSTERID:HalUARTWrite(0,"Igetdata\n",11);//提示接收到数据HalUARTWrite(0,&pkt->cmd.Data[0],6);//十六进制发给PC机HalUARTWrite(0,"\n",1);//回车换行break;caseSAMPLEAPP_POINT_TO_POINT_CLUSTERID1:temp=pkt->srcAddr.addr.shortAddr;//读出数据包的16位短地址if(pkt->cmd.Data[0]==1)//路由节点HalUARTWrite(0,"ROUTERShortAddr:0x",19);//提示接收到数据if(pkt->cmd.Data[0]==2)//终端HalUARTWrite(0,"ENDDEVICEShortAddr:0x",22);//提示接收到数据break;caseSAMPLEAPP_FLASH_CLUSTERID:flashTime=BUILD_UINT16(pkt->cmd.Data[1],pkt->cmd.Data[2]);HalLedBlink(HAL_LED_4,4,50,(flashTime/4));break;}4.2.2传感器节点程序设计传感器节点的功能是收集、处理和传输在卧室中收集的数据，并随时从协调节点接收控制指令。启动初始化程序后，主机开始搜索网络，连接后进入休眠模式，直到计时器停止和醒来，节点将开始要求每个传感器的数据，然后发送节点的数据。然后确定控制指令是否返回，如果不归还，它将返回到睡眠状态，以完成这一循环等等。等待下一个周期的开始。如果智能指令返回，开始控制设备，并重新访问传感器的参数，直到它们低于阈值。初始化后，采集传感器数据，由A/D模块CC2530ad转换数据，然后评估CC2530的Flash是否满，如果满，必须先删除Flash，然后保存到Flash，发送数据前，如果状态与上次采集相同，则不必发送。如果状态与上次采集不同，则必须根据需要将数据发送给协调器，然后通过Ziggie射频模块发送数据，Z堆栈调用发送函数，它必须预先定义发送事件的序列号，如果在指定的时间内没有路由器需要的反馈或协调码，数据将被中继，如果收到反馈，它将处于睡眠模式，等待定时中断唤醒，并进行数据采集，传感器需要的功能如下：：if(AF_DataRequest(&SampleApp_Periodic_DstAddr,&SampleApp_epDesc,SAMPLEAPP_PERIODIC_CLUSTERID,data,&SampleApp_TransID,AF_DISCV_ROUTE,AF_DEFAULT_RADIUS)==afStatus_SUCCESS){}else{//Erroroccurredinrequesttosend.}在电流检测传感器的情况下，将检测到的电信信号引入CC2530模块的P1.5引擎，并通过将A/D转换成数字信号传输给控制单元。定义ADC命令字，收集数据并转换为AD，转换采集值，处理收集的数据并将其传输到CC2530模块，其程序流程图如图4-3所示。图4-3电流检测程序流程图在规划程序时，首先将方向I/O设置为输入，然后重置学员的alADC配置模块CC2530的标志部分，然后将控制AD.CC2530设置为自动提升形容词位，然后在转换完成后减小加法器的位置。Adch中存储的传感器是采样值。车位检测传感器具有简易的数字接口，传感器检测到数据后，把数据读到ZigBee节点的发送函数中去。传感器初始化函数如下所示：voidInit_CheWei(){Single_Write_CheWei(0x02,0x00);Single_Write_CheWei(0x01,0x40);}0x02为传感器模式寄存器的地址，写入0x00表示正常测量配置。0x01为配置寄存器的地址，写入0x40表示设定传感器的增益为440/高斯，输出范围为-2048―2047。4.2.3无线组网程序设计网络建设的两个阶段——网络初始化和节点连接、ZGBE网络的启动：第一步是确定网络的焦点，每个节点激活扫描并发送信标请求命令。如果信标请求命令响应，则已经有协调员。如果在指定的时间内没有接收到响应。在海滩上没有协调节点，节点将该节点用作网络协调节点，然后连续生成一个信标；第二步：扫描ZiggBee的所有信道，删除不符合ZiggBee通信标准要求的信道，并扫描其余处于活动状态的信道，以确定域中是否有其他协调节点；同时，如果域中有ZiggBee的其他节点，则扫描设备，设备设备被分配给网络的网络标识符。到目前为止，网络的初始化原则上已经完成。一旦初始化，网络节点在自动连接之后发现网络，协调节点自动连接到第一响应节点，并且等待当其它节点连接时，父亲节点请求访问网络权限分配地址。在传感器节点的网络过程初始化之后，如果传感器节点希望加入该网络，则该传感器节点自动被第一响应协调员连接。在该网络的正常输入之后，该传感器节点与父节点通信。组网程序流程图如图4-4所示。图4-4组网程序流程图4.3上位机程序设计在设计基于ZigBee的卧室安全系统时，软件设计开发环境和在上位机监控中的使用是qtcateor，可以更好地设计一个人机界面良好、功能实用的监控软件平台，方便管理和系统维护，保证系统安全，系统还开发了登录界面，用户必须输入正确的用户名和密码才能进入监控系统，保证系统参数的安全管理。主界面的设计是实现上位机监控功能的关键，软件设计的一般过程是：打开软件进入欢迎界面，设置2秒，进入系统安全管理界面。进入监控系统主界面前输入用户名和