基于ZigBee技术的仓储火灾报警系统设计

在现代物流仓储管理系统中, 火灾探测报警系统是其重要的子系统之一。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, 线路容易老化或遭到腐蚀, 在火灾现场中极易被破坏。

无线传感器网络 (WSN, wireless sensor networks) 是由大量体积较小、能源受限, 具有一定计算、存储和无线通讯能力的传感器节点组成的网络, 其综合了传感器、嵌入式、无线网络、分布式信息处理等技术。Zig Bee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据传输速率、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等领域, 可以嵌入各种设备中。

随着WSN技术的发展, 将无线Zig Bee技术和传感器技术相结合, 组建一个无线火灾探测网络, 可以大大提高火灾报警系统的可靠性, 降低成本。

Zig Bee是于2004年底通过的一组基于IEEE802.15.4无线标准研制开发的有关组网、安全和应用软件方面的技术标准。它采用DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum, 直接序列扩频) 技术, 主要工作在无需注册的2.4GHz ISM频段, 可以提供16个信道和250Kb/s的传输速率, 在低成本、低功耗、低速率的场合有广泛的应用。

Zig Bee协议栈由应用层、网络层、介质存取层和物理层组成, 其结构如图1所示。IEEE 802.15.4标准制定物理层和介质存取层协议, 与底层硬件相关;对于网络层之上的标准以及高层应用、测试和市场推广方面的工作则由Zig Bee联盟负责。

在Zig Bee网络支持三种不同的网络拓扑结构:星形 (Star) 、树形 (Cluster Tree) 和网状 (Mesh) 网络。其中最简单的是星型结构, 如图2 (a) 所示, 它由一个协调器和多个终端节点构成, 协调器作为整个网络的中心, 终端节点分布在其覆盖范围之内。星型网络构造简单, 一般用于设备数量较小、物理范围较小的场合。网状网络如图2 (c) 所示, 其中的每个节点都可以作为协调器或者是路由器, 具有很高的可靠性。而树型网络则集合了星型结构和网状结构的优点, 具有较高的可靠性和较低的功耗, 如图2 (b) 所示。

Zig Bee网络按照节点类型来分, 支持3种节点:主节点、路由节点以及终端节点, 在逻辑功能上分别对应网络协调器 (PAN Coordinator) 、路由节点 (Router) 和终端设备 (End Device) 。

Zig Bee协议根据设备所具有的通信能力, 可以将节点从器件上分成两类:

1) 全功能设备 (FFD, Full Function Device) , 可作为网络协调器, 管理和构建网络, 拥有足够的存储空间来存放路由信息并且处理能力也相应增强;

2) 简化功能设备 (RFD, Reduce Function Device) , 只支持星型结构, 不能成为协调器, 内存较小, 功耗低, 实现简单。

主节点是网络的核心, 负责建立一个网络并下发地址, 由一个FFD构成。路由节点也是一个FFD, 搜索网络并加入, 给加入路由的终端节点分配地址。路由节点仅是网络中的一个无线收发器, 负责转发通信和维护网内路径。终端节点是网络中最简单的节点, 可以是一个FFD或者RFD。以下讨论的是终端接点。

整个火灾报警系统包括有线和无线网络两部分。通过有线传感器网络实现数据的聚集传输, 通过无线传感器网络实现采样数据的传输。该系统由多个终端节点 (无线传感器) 与汇集节点 (网关节点) 决定检测区域的范围, 各终端节点监测数据通过自组织的多跳路由网络传送至网关节点并将接收的数据进行初步处理, 然后通过串行通信接口 (有线网络) 传送至监测预警终端服务器, 由它来对接收到的数据进行分析和报警处理。

传感器网络节点通常是一个微型的嵌入式系统, 是网络的基本单元, 负责采集数据以及与其它节点和网关通信。节点的稳定运行是整个网络可靠性的基本保证, 所以在设计时力求简单可靠。

系统终端节点由数据采集单元、数据处理单元、数据传输单元、电源管理单元四部分功能模块组成, 如图3所示。

数据采集单元负责采集监视区域的信息并完成数据转换, 主要包括烟雾、温度、CO传感器。

烟雾传感器利用OP231、OP801SL红外对管, 按照最佳角度安装在迷宫型内壁为黑色粗糙面的集烟盒内, 利用了烟雾微粒对光的散射作用, 在一定的烟雾浓度范围内, 散射光的强度与烟雾的浓度成比例, 这种漫散射的光使光电三极管的阻抗发生变化, 从而实现了将烟雾信号转变为电信号的功能。

温度传感器采用瑞士SENSIRION公司生产的SHT71温湿度一体传感器。该传感器具有体积小、低功耗的特点, 采用两线制的串行接口与内部的电压调整, 提供全量程标定的数字输出, 使外围系统集成变得快速而简单。相对湿度 (RH) 测量范围是0~100%, 分辨率为0.03%, 最高精度为±3.5%;温度测量范围是-40~120℃, 分辨率为0.01℃, 响应时间小于15s。

CO探测选取TGS2442传感器, 其特点是低功耗、对CO的灵敏度高、长寿命、低成本, 对湿度的依赖性低, 工作于极短的脉冲加热方式 (在1s工作周期内, 仅14 ms加热) 。

在选择处理器时应该既要考虑系统对处理能力的需要, 又要考虑功耗问题。从处理器的角度看, 无线传感器网络节点基本可以分为两类:一类采用以ARM处理器为代表的高端处理器, 另一类节点采用低端微控制器, 如ATMEL公司的AVR系列单片机、MICROCHIP公司的PIC单片机和TI公司的MSP430等超低功耗系列处理器等。而目前市场上常见的支持Zig Bee协议的芯片制造商有Chipcon公司和Freescale半导体公司。这些方案都是处理器芯片加无线射频模块的方案, 电路设计麻烦。

CC2430芯片是Chipcon公司 (2006年被德州仪器 (TI) 收购) 的全球首款支持IEEE802.15.4协议并集成增强型8051内核的芯片。它延用了以往CC2420芯片的架构, 在单个芯片上整合了Zig Bee射频 (RF) 前端、内存和微控制器。它使用1个8位MCU (增强型8051) , 具有128KB可编程闪存和8KB的RAM, 还包含8路12位模拟数字转换器 (ADC) 、几个定时器 (Timer) 、AES128协同处理器、看门狗定时器 (Watchdog Timer) 、32k Hz晶振的休眠模式定时器、上电复位电路 (Power on Reset) 、掉电检测电路 (Brown Out Detection) , 以及21个可编程I/O引脚。芯片采用0.18μm CMOS工艺生产, 工作时的电流损耗为27m A。在接收和发射模式下, 电流损耗分别低于27m A或25m A。CC2430的休眠模式和转换到主动模式的超短时间的特性, 特别适合那些要求电池寿命非常长的应用。

相对于其它处理器芯片加无线射频模块的方案, 采用CC2430为核心构造无线传感器网络节点的方案只需要在CC2430芯片外接少量晶振、电容、电阻等无源器件, 不仅能够满足整个系统的数据采集、无线通信等功能的需求, 而且具有功耗低, 电路简单, 节点体积小以及成本低廉等优势, 电路图如图4所示。由于考虑到节点体积的限制, 都采用了0402的封装, 大大简化了电路的设计。

该模块中的难点在于天线部分的设计。我们使用了单极不平衡天线, 占用的体积比较小。按照数据手册的建议, CC2430射频接口最优的阻抗为115+j180Ω。为提高天线的性能, 天线部分增加了巴伦 (平衡/不平衡转换器, 在天线系统中起到阻抗变换的作用) 电路, 该电路由C341、L341、L321、L331和PCB中的细长导线组成。天线部分的匹配阻抗为50Ω。另外, 在部分每个电源引脚和地线之间, 并联了电容用于电源的滤波, 以增强系统的抗干扰性。

按下S1键时, RESET_N引脚上得到低电压, 即进入复位。由于CC2430的射频模块只能工作在32M的晶振频率下, 因此CC2430外接了32M的石英晶振振荡电路。

无线传感器网络节点一般采用电池供电。电池种类很多, 且无线传感器网络节点的电池一般不易更换, 所以系统采用单片3.6V锂电池来给CC2430供电。另外还采用Sipex公司的DC/DC升压稳压器芯片SP6641B把输入电压升到5V, 为各传感器提供5V电源。SP6641B的输入电压为0.9—4.5V, 输出电压为5V, 输出电流500MA。高效开关模式电源方案能够提供更长的电池寿命、更少的热量和更小的尺寸。

Zig Bee的数据传输方式有帧模式与流模式两种。帧模式是通过片上RAM来缓存处理的, 而流模式则是通过数据寄存器来进行单个字节处理的。系统设计采用可变帧长的帧格式。一个完整的满足l EEE 802.15.4规范的协议帧至少要包含9个字节的数据。同步头包括4个字节的帧前导字节 (Preamble) 和1个字节的帧开始标志SFD (Start of Frame Delimiter) 、1个字节的帧长度标志FLI (Frarne Length lndicator) 、1—125个字节的数据净荷 (Payload Data) 和2个字节的帧校验 (FCS) 组成的, 具体格式如下:

数据采集端系统的软件包括初始化程序、发射程序和接收程序。初始化程序主要是对单片机、射频芯片等进行处理;发射程序将建立的数据包通过射频发生模块输出;接收程序完成数据、命令的接收并进行处理。数据采集端软件流程如图5所示。

上电后, 系统首先完成初始化工作, 包括I/O接口和外设的初始化, 定义系统的时钟信号、工作频率以及网络层、MAC层的参数等。接下来进行信号的采集、处理、数据的收发等处理。

基于Zig Bee技术的仓储火灾报警系统利用无线传感器网络提高了数据传输的抗干扰性, 同时也减少了现场布线带来的各种问题, 具有节点多、组网灵活、成本低廉和低功耗的特点, 在实验条件下取得了较好的运行效果。近年来随着微型制造技术、无线通信技术的发展, 特别是低成本低功耗的Zig Bee技术, 将进一步扩大无线传感器网络的应用范围。

本文作者创新点:使用Chipcon公司最新的Zig Bee芯片CC2430为RF收发器来实现了无线通信, 介绍了Zig Bee节点的硬件及Zig Bee通信协议和协议栈, 完成了软硬件一体化设计, 实现了系统的低功耗、低成本和低复杂度的设计要求。