无线楼宇节点数据采集系统及利用该系统的火灾监测系统的制作方法

本实用新型属于消防安全
技术领域：
，特别涉及一种无线楼宇火灾监测系统。
背景技术：
：随着中国城市化发展的不断扩大，集中式住宅已成为城市发展的趋势。由于人们缺乏消防安全意识，一些易燃材料被无意间带入住宅建筑，导致消防隐患重重，火灾已成为发生率高、危害大、损失重的灾难。对于火灾，人们开始从被动的扑救灭火转向主动的监测预防，火灾防治已成为城市消防发展的趋势。在《建筑设计防火规范》(GB50016-2014)中，已明确提出贯彻“预防为主，防效结合”的消防工作方针。火灾监测报警技术开始受到人们的极大关注，并快速发展起来。面对日益严峻的火灾灾难，伴随着科学技术的发展，楼宇火灾监测系统孕育而生。传统火灾探测报警系统的出现，在一定程度上减少了火灾带来的人员和财产损失。传统的火灾探测报警系统采用总线式分布，布线规模大，投资成本较高，在前期设计完成后，后期更改线路较难，特别在一些不易布线的建筑中，火灾发生率居高不下。针对传统火灾探测报警系统存在以上缺点，楼宇火灾探测报警系统急需进行一次升级改造。自楼宇火灾探测报警系统问世以来，由于技术的限制，使得楼宇火灾探测报警系统发展缓慢。从现有的研究成果可以看出，将无线传感器网络应用于楼宇火灾监测的研究与设计面临巨大的机遇和挑战，建筑灾难现场环境复杂恶劣，监测工作又有特定的行业规范，无线传感器网络既要在保证数据安全可靠的同时，又应体现其减少布线繁琐的独特优势。这就要求从提高网络可靠性，及时性和准确性等品质指标方面展开研究，拓展无线传感器网络技术内容。技术实现要素：为了克服上述现有技术的缺点，本实用新型的目的在于提供一种无线楼宇火灾监测系统，减少了繁琐的布线，同时又可保证数据安全可靠，适应复杂恶劣的建筑灾难现场环境，具备网络可靠性，及时性和准确性。为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：无线楼宇节点数据采集系统，以单节点的方式采集所处位置的与火灾相关的多个物理量数据，包括：包括火灾传感器模块、ZigBee模块以及电源模块，其中，火灾传感器模块包括与火灾相关的多个物理量的模块电路，ZigBee模块采用单芯片集成方案，由片上MCU单元、储存单元、I/O接口以及RF收发器组成，电源模块为整体节点的正常运行提供能量，电源模块根据不同节点能耗采取不同的设计方案，分为电池供电和交流供电两个方式。所述ZigBee模块以CC2530为核心，在设计上分为两种类型，第一种是不加PA的传统ZigBee模块，用于空间相对空旷，对传输距离要求较低的区域，第二种是加PA的新型ZigBee模块，用于需要穿透墙壁或楼层传输，以及对传输距离较远的区域；在第一种类型中，CC2530的硬件外围电路设计包括电源滤波电路的设计，在芯片周围设置去耦电容过滤CC2530供电电源上的高频干扰和芯片对外部电路产生的脉冲干扰，并设置用于滤除低频干扰的电容，以及解决电源与IC引脚间的EMC问题的0Ω电感，同时在引脚与地之间连接56K的高精度电阻，为CC2530的RF模拟电路提供一个偏置电流；采用阻抗匹配电路进行CC2530两个射频端口与单端口天线的连接，并以电容电感组成巴伦电路以实现差分信号转单端信号，第二种类型是在不加PA模块的基础上增加了RFX2401C作为功率放大芯片，通过CC2530的P1.4口和P1.5口分别来控制RFX2401C的RXEN和TXEN端口，RFX2401C芯片外接2个去耦电容，RFX2401C的RF两端分别设计一个阻抗匹配电路，连接天线部分采用π型匹配电路实现，连接CC2530部分采用了巴伦电路进行阻抗匹配，使得RFX2401C两端阻抗均为50Ω。所述与火灾相关的多个物理量包括温度、湿度、烟雾浓度以及火焰，采用温湿度传感器、烟雾传感器和火焰传感器实现监测，其中温湿度传感器选用SHT20，烟雾传感器包括适用于可燃气体探测的MQ-2传感器和适用于烟雾颗粒探测的HIS-07传感器。所述SHT20的供电范围为2.1-3.6V，选用电压为3.3V，电源和接地之间连接一个100nF的去耦电容，且去耦电容的位置尽可能靠近SHT20，SDA引脚用于传感器的数据输入和输出，为避免信号冲突，微处理器必须只能驱动SDA和SCL在低电平，需各要一个外部10kΩ的上拉电阻将信号提拉至高电平，CC2530的P1.0口和P1.1口引脚分别与SHT20的SCL和SDA端口相接；所述MQ-2的4脚输出随烟雾浓度变化的直流信号，4引脚同时连接到CC2530的I/O引脚和比较器LM393的2脚，R6构成比较器的门槛电压；当烟雾浓度较大、输出电压高于门槛电压时，比较器输出低电平，此时LED2亮报警；当浓度降低传感器的输出电压低于门槛电压时，比较器翻转输出高电平，LED2熄灭；调节R6以调节比较器的门槛电压，从而调节报警输出的灵敏度，R1串入传感器的加热回路以保护加热丝免受冷上电时的冲击，MQ-2模块的AC引脚接CC2530的P0.7口，通过CC2530的片内A/D转换即可得到需要的模拟信号；HIS-07模块和MQ-2模块原理大致相同，唯一区别在于HIS-07设置一个+9V的电源驱动，不需要额外的放大电路，同时增设了LM393双电压比较器，通过设定门限值的方式进行判断；所述火焰传感器的AC引脚接CC2530的P0.0口，通过CC2530的片内A/D转换得到需要的模拟信号，同时增设了LM393双电压比较器，通过设定门限值的方式进行判断；所述电源模块使用正稳压场效应管LN317和AMS1117-3.3作为稳压芯片。本实用新型还提供了利用所述无线楼宇节点数据采集系统的火灾监测系统，包括：所述节点数据采集系统；数据无线传输系统，基于ZigBee网络和TCP/IP网络，ZigBee网络以协调器节点为中心，其他节点将处理后的采集数据通过无线的方式传送到ZigBee网络，数据最终被送至协调器节点，随后协调器节点通过ZigBee—WiFi网关或串口将数据传送至数据监控中心；数据监控中心，对数据处理和存储，对建筑内情况进行实时监控，并基于设定的报警数值实现异常节点实时告警，并根据异常节点的位置信息，对隐患区域进行及时处理。所述ZigBee—WiFi网关主要由ZigBee模块、WiFi模块、网关控制器模块、显示模块四部分组成，ZigBee模块采用ZigBee协调器，负责ZigBee网络建立和节点数据的收集；WiFi模块采用集成芯片方案，主要负责将数据发送至互联网中；网关控制器模块是ZigBee模块和WiFi模块的桥梁，主要负责将ZigBee模块传送过来的数据通过中转处理后发送给WiFi模块；显示模块通过液晶显示网关配置的整个流程状态，方便用户操作。与现有技术相比，本实用新型依据楼宇火灾监测系统的基本要求，从传感器的选型与设计、无网络节点的选型与设计、双模无线网关的选型与设计、以及数据监控中心服务器的设计等方面入手，系统地完成了基于无线传感器网络的楼宇火灾监控系统，在实验室环境中该系统的基本功能已基本得到实现。本实用新型的主要特点包括：⑴针对传统火灾探测报警系统存在布线规模大，投资成本较高，在前期设计完成后，后期更改线路较难等缺点，本实用新型弥补了传统火灾监测系统的不足，丰富了火灾监测系统的种类。⑵根据建筑环境的不同，本实用新型设计了两种类型的节点模块，保证了建筑环境内节点间数据的有效传输。⑶本实用新型设计的数据监控中心软件，实现了每个节点信息的增删、实时数据的监控、历史数据的查询功能，同时通过局域网内的其他终端也可以对每个节点数据进行远程监控。⑷本实用新型自下而上的对整个系统进行了测试，包括节点的通信能力，双模网关的抗干扰性，数据监控中心的实现等。测试结果表明，本实用新型设计的节点能够准确的采集建筑物内火灾参数，及时以无线方式发送至服务器。⑸针对节点网络拓扑结构配置了相应的路由算法，根据系统性能的测试结果，同时参照节点部署在国家标准规范中的要求，本实用新型制定了节点的部署方案，加强了节点间的传输能力，提高了无线传感器网络的稳定性。附图说明图1是本实用新型系统框图。图2是本实用新型无线火灾监测节点硬件结构图。图3是本实用新型ZigBee-WiFi网关硬件结构图。图4是本实用新型ZigBee不加PA模块硬件原理图。图5是本实用新型ZigBee加PA模块硬件原理图。图6是本实用新型SHT20模块的电路原理图。图7是本实用新型MQ-2模块原理图。图8是本实用新型HIS-07模块原理图。图9是本实用新型火焰传感器模块原理图。图10是本实用新型节点电源模块原理图。图11是本实用新型网关模块核心板原理图。图12是本实用新型协调器模块的工作流程图。图13是本实用新型传感器节点的程序流程图。图14是本实用新型SHT20模块程序流程图。图15是本实用新型MQ-2模块、HIS-07模块、火焰传感器模块程序流程图。图16是本实用新型ZigBee-WiFi网关模块程序流程图。图17是本实用新型直接转发方式程序流程图。图18是本实用新型循环队列方式程序流程图。图19是本实用新型循环队列缓存区结构图。具体实施方式下面结合附图和实施例详细说明本实用新型的实施方式。本实用新型基于无线传感网络的楼宇火灾监测系统是火灾探测报警系统和火灾预警系统的集成，它是整个火灾自动报警系统的一部分。本实用新型主要分为以下四部分：传感器节点的设计，ZigBee-WiFi网关的设计，数据监控中心的设计以及无线传感器网络的节点部署。楼宇火灾监测的主要目的是为了掌握建筑物内部各环境参数的实时状态和历史数据的变化趋势，为监测人员预测和控制火灾提供有效依据，因此，楼宇火灾监测系统必须具备实时数据的采集、历史数据的查询、节点信息的查看以及报警值的设定等基本功能。本实用新型楼宇火灾监测系统主要针对一些不适宜大规模布线和传统楼宇火灾监测系统无法覆盖的建筑，包括工业和民用建筑。从应用角度出发，系统的主要功能分为：(1)数据采集①对常规火灾参数进行采集，采集的参数必须与被测环境相一致，避免数据不准确的现象发生，保证数据的准确性。②将所有采集到的数据信息以无线方式传送至远程的服务器，同时验证采集到的数据，及时对掉包数据进行二次传输，保证传输的有效性。(2)数据监控①对接收到的数据依次进行处理，将处理后的数据实时显示，同时将这些数据和参考值进行比较分析，对有灾情的节点进行报警，通知管理人员查看。②存储各监测点的节点信息、数据信息以及分析结果，为后期算法预测火灾和逃生路径规划提供数据依据。根据火灾监测的相关国家规范要求，火灾监测系统应具有高稳定性、实时性以及易布置等特点。传统火灾监测系统存在布线繁琐的缺点，导致在一些不能布线的特殊场所，进行火灾监测十分困难。虽然目前已经出现无线火灾报警设备，但均处于单节点方式，不能像有线方式一样实现联网采集。如图1所示是本实用新型基于无线传感网络的楼宇火灾监测系统，该楼宇火灾监测系统主要由节点数据采集、数据无线传输和数据监控中心组成。节点数据采集是以单节点的方式采集所处位置的温度、湿度、烟雾浓度、火焰等众多物理量。数据无线传输为ZigBee网络和TCP/IP网络，ZigBee网络以协调器节点为中心，其他节点将处理后的采集数据通过无线的方式传送到ZigBee网络，数据最终被送至协调器节点，随后协调器节点通过ZigBee—WiFi网关或串口将数据传送至数据监控中心。数据监控中心实现了对数据的处理和存储，报警数值的设定，对建筑内情况进行实时监控等功能，同时，移动终端或其他网络用户也可以通过访问局域网服务器的方式远程监控各个节点的信息。一旦发现建筑物内部有火灾情况，数据监控中心或其他远程用户可根据这些异常节点的位置信息，对隐患区域进行及时的处理。根据火灾监测的规范要求，本实用新型设计了火灾监测节点的硬件。如图2所示，火灾监测节点的硬件由火灾传感器模块、ZigBee模块以及电源模块三部分组成。火灾传感器模块包括温度、湿度、烟雾浓度、火焰等模块电路。ZigBee模块采用单芯片集成方案，这类芯片由片上MCU单元、储存单元、I/O接口以及RF收发器组成，同时考虑到建筑物内相对封闭的环境以及2.4GHz信号相对较弱的穿透性，在模块设计上又将其分为两种类型，第一种是不加PA的传统ZigBee模块，用于空间相对空旷，对传输距离要求较低的区域，第二种是加PA的新型ZigBee模块，用于需要穿透墙壁或楼层传输，以及对传输距离较远的区域。电源模块为整体节点的正常运行提供能量，电源模块根据不同节点能耗采取不同的设计方案，主要分为电池供电和交流供电两个方式。当大量数据进行传输时，串口方式就不能保证数据传输的快速性和有效性，为了防止这种情况的发生，本实用新型设计了TCP/IP的传输方式。ZigBee网络又与TCP/IP协议不同，所以本实用新型进行了ZigBee—WIFI网关的设计。如图3所示，该网关主要由ZigBee模块、WiFi模块、网关控制器模块、显示模块四部分组成。ZigBee模块采用ZigBee协调器，负责ZigBee网络建立和节点数据的收集；WiFi模块采用集成芯片方案，主要负责将数据发送至互联网中；网关控制器模块是ZigBee模块和WiFi模块的桥梁，主要负责将ZigBee模块传送过来的数据通过中转处理后发送给WiFi模块；显示模块通过液晶显示网关配置的整个流程状态，方便用户操作。本实用新型火灾监测节点硬件设计包括：1、硬件选型(1)ZigBee芯片选型TI提供的Zstack-2007协议栈是免费开放的，同时其具备全功能，包括网状网络拓扑的全功能协议栈，而其他公司的产品均采用有偿方式进行使用。CC2530/CC2531采用FLASH存储器+MCU+ZigBeeRF芯片集成方案，而其他ZigBee厂商的芯片都需要额外的硬件支持，综合评比，其性价比不能和单芯片方案竞争，所以选用CC2530/CC2531芯片，具备高性价比优势。CC2530详细参数如下：标准增强型的8051CPU、高性能的RF收发器、具有2个USART、8位和16位定时器、看门狗定时器、8路输入可配置的12位ADC、21个GPIO、AES128协同处理器，硬件支持CSMA/CA、数字化的接收信号强度指示(RSSI)/链路质量指示(LQI)和强大的DMA功能，可支持5种工作模式；CC2530有四种不同的Flash版本：CC2530F32/64/128/256，它们分别具有32/64/128/256KBFlash存储器。归纳起来，采用通用MCU，免费全功能协议栈，高性价比，本实用新型选择了CC2530F256芯片作为ZigBee模块的主控芯片。(2)PA芯片选型虽然单纯的CC2530芯片方案可以在墙壁放置预埋线安装中继路由器，解决ZigBee遇到障碍物传输的问题，但预埋线的处理方式无疑增加了工程量，这也与本系统真正意义上的零布线设计初衷相违背，该方案并不能有效解决穿墙传输数据问题。TI官方提出了通过增加PA芯片，有效的解决了这一问题。目前市场上主要是TI官方的实验方案：CC2530+CC2591方式，本实用新型通过大量的数据对比分析发现，RFX2401C与CC2530相结合，同样可以取得了很好的效果。对比CC2591和RFX2401C，不难发现CC2591的外围元器件过多，参数整定繁琐，软件配置更改较多，而RFX2401C具有优越的性能，高灵敏度和效率，噪声低，外形尺寸小，成本低，外围原件少，有效兼容ZigBee网络，且其实际的测试效果明显优于CC2591方案。(3)传感器选型对火灾报警系统来说，传感器的优劣影响着整个系统数据的准确性，本系统分别使用了温湿度传感器、烟雾传感器和火焰传感器，下面是对传感器性能的具体要求。温度检测：0～50℃，误差≤4％；湿度监测：0～100％，误差≤4％；烟雾检测：0～500ppm，误差≤5ppm；火焰检测：0～3.3V，误差≤0.1V。除了传感器性能参数外，各种传感器选型的主要依据还包括元件的性价比、封装等。①温湿度传感器本实用新型使用的温湿度传感器选用的是SHT20，具有体积小，精度高的特点，主要性能参数如下：RH范围：0％to100％，RH精度：3％，输出类型：Digital，接口：I2C，分辨率：12bit，14bit，全温准确度：+/-0.3℃，工作电源电流：150nA，最大工作温度：+125℃，最小工作温度：-40℃，最大电源电压：3.6V，最小电源电压：2.1V。②烟雾传感器烟雾传感器根据监测对象的不同分为两种，第一种是气敏传感器MQ-2，其属于二氧化锡半导体气敏材料，是表面离子式N型半导体的一种，适合放置在厨房等场所。第二种是离子式烟雾传感器HIS-07，专用于感烟探测。两种传感器的主要性能参数分别如下：MQ-2：测量范围：液化气和丙烷(100ppm-10000ppm)、丁烷(300ppm-5000ppm)甲烷(5000ppm-20000ppm)氢气(300ppm-5000ppm)酒精(100ppm-2000ppm)，工作电压：5.0V±0.2V；敏感体表面电阻(RS)：3kΩ-30kΩ(1000ppm异丁烷)、浓度斜率(α)：0.6。HIS-07：测量范围：0％～5％；工作电压：9V；测量误差：±0.1V；UL217标准大气中输出电压：5.6±0.4V；工作湿度：≤95％RH；棉芯2％/foot烟灵敏度：0.6±0.1V；集电极平衡电位：5.5±0.3V；绝缘体漏电电流：≤0.5pA；电离源活度：0.5μCi(18Kbq)±10％；电离室25cm处辐射剂量率：0.03mGy/年。根据上述分析可知，MQ-2传感器适用于可燃气体的探测，而HIS-07传感器适用于烟雾颗粒的探测。③火焰传感器本实用新型选用的远红外火焰传感器可以用来探测火源或其它一些波长在700纳米～1000纳米范围内的热源，主要性能参数如下：探测波长：760纳米～1100纳米，探测角度：60°，最佳探测：红外光波长在940纳米，工作温度：-25℃～85℃。2、ZigBee模块设计为了方便后期的维护，增加模块的二次利用，本系统硬件均按照模块化设计的思想，其中ZigBee模块设计分为不加PA模块和加PA模块，下面分别介绍这两类模块。(1)加PA模块CC2530的硬件外围电路设计包括电源滤波电路的设计，如图4所示，在芯片周围的C4、C5、C6、C7、C9均为去耦电容，目的是过滤CC2530供电电源上的高频干扰和芯片对外部电路产生的脉冲干扰，C2、C3用于滤除低频干扰，L1采用0Ω是解决电源与IC引脚间的EMC问题。RBIAS主要引脚与地之间连接56K的高精度电阻，为CC2530的RF模拟电路提供一个偏置电流。RESET_N引脚外接复位电路，用于系统复位。系统采用两个晶振，分别为32MHz和32.768KHz的晶体振荡器。CC2530使用RF_P和RF_N两个差分端口来实现RF的收发，其射频端口采用了两个端口，而SMA-KE是单端口天线，所以本实用新型采用了阻抗匹配电路进行端口连接，图4中的L2，C12，L3，C14组成巴伦电路用以实现差分信号转单端信号的功能，巴伦电路的L、C计算公式如下式所示。式中：Zout和Zin分别是芯片射频端口和天线端口需要匹配的阻抗值。根据TI的CC2530的芯片手册，系统在工作频率，射频端口的阻抗是(69+j29)Ω，SMA-KE天线的特征阻抗是50Ω，可以计算得到各元件参数值。图4中的L4、C15、C16等器件组成π型匹配电路，实现与天线阻抗匹配的功能。(2)加PA模块如图5所示，在不加PA模块的基础上增加了RFX2401C作为功率放大芯片，通过CC2530的P1.4口和P1.5口分别来控制RFX2401C的RXEN和TXEN端口，RFX2401C芯片外接2个去耦电容，RFX2401C的RF两端分别设计一个阻抗匹配电路，连接天线部分采用了π型匹配电路实现，连接CC2530部分采用了巴伦电路进行阻抗匹配，使得RFX2401C两端阻抗均为50Ω，保证了RFX2401C最佳性能。3、传感器模块设计(1)温湿度检测模块SHT20模块的电路原理如图6所示，SHT20的供电范围为2.1-3.6V，选用电压为3.3V。电源(VDD)和接地(VSS)之间须连接一个100nF的去耦电容，且电容的位置应尽可能靠近传感器，SDA引脚用于传感器的数据输入和输出。为避免信号冲突，微处理器(MCU)必须只能驱动SDA和SCL在低电平，需各要一个外部10kΩ的上拉电阻将信号提拉至高电平。由于SHT20与CC2530之间必须通过I2C方式进行通信，所以本实用新型将CC2530的P1.0口和P1.1口引脚分别与该模块的SCL和SDA端口相接。(2)烟雾传感器模块①MQ-2模块MQ-2模块的电路原理如图7所示，MQ-2的4脚输出随烟雾浓度变化的直流信号，4引脚同时连接到CC2530的I/O引脚和比较器LM393的2脚，R6构成比较器的门槛电压。当烟雾浓度较大、输出电压高于门槛电压时，比较器输出低电平(GND)，此时LED2亮报警；当浓度降低传感器的输出电压低于门槛电压时，比较器翻转输出高电平(VCC)，LED2熄灭。调节R6，可以调节比较器的门槛电压，从而调节报警输出的灵敏度。R1串入传感器的加热回路，可以保护加热丝免受冷上电时的冲击。MQ-2模块的AC引脚接CC2530的P0.7口，通过CC2530的片内A/D转换即可得到需要的模拟信号。②HIS-07模块HIS-07检测模块的电路原理如图8所示，根据传感器的特性，HIS-07模块和MQ-2模块电路原理图大致相同，唯一区别在于HIS-07需要一个+9V的电源驱动，其输出值是5V左右，因此不需要额外的放大电路，同时为模块增设了LM393双电压比较器，通过设定门限值的方式进行判断。(3)火焰传感器模块火焰传感器模块的电路原理如图9所示，火焰传感器的特性，其输出值正好是0—4V之间，与HIS-07模块类似，同样不需要额外的放大电路，火焰传感器模块的AC引脚接CC2530的P0.0口，通过CC2530的片内A/D转换即可得到需要的模拟信号，同时为模块增设了LM393双电压比较器，通过设定门限值的方式进行判断。(4)节点电源模块设计节点电源模块的原理如图10所示，本实用新型设计的采集节点需要+9V、+5V、+3.3V的直流电源供电，因此电源模块使用了正稳压场效应管LN317和AMS1117-3.3作为电路的稳压芯片，LN317芯片能承受1.5A的瞬时电流，电压可调，支持5V、5.2V、6V等多种电压，且具有过热过载保护和输出转换SOA保护措施，能很好的完成稳压的工作，AMS1117-3.3是输出电压3.3，电流为1A的稳压芯片。本实用新型火灾监测网关硬件设计包括：1、硬件选型(1)网关控制器选型本实用新型ZigBee—WiFi网关，其核心部分为网关控制器模块，因此网关控制器选择的合适与否，直接影响着了整个系统的数据处理与传输效果。本实用新型网关需要支持三种USART口，同时要有较强的运算速度，在考虑控制器价格的同时，最终选择了STM32F103RBT6微型控制器。STM32F103RBT6主要参数如下：使用高性能的ARMCortex-M332位的RISC内核，工作频率为72MHz，内置128kB闪存存储器，丰富的增强I/O端口和联接到两条APB总线的外设。同时包含2个12位的ADC、3个通用16位定时器和一个PWM定时器，还包含标准和先进的通信接口：多达2个I2C接口和SPI接口、3个USART接口、一个USB接口和一个CAN接口。在性能方面完全满足本实用新型的双模网关的同时又具有低廉的价格。(2)WiFi选型根据本实用新型网关的设计要求，本着高性价比原则，选用ALIENTEK公司生产的ATK-ESP8266-V1.2模块，该模块核心芯片为AI-THINKERESP8266-12F。ESP8266-12F主要性能指标如下：支持802.11b/g/n无线网络；内置10bit高精度ADC；内置TCP/IP协议栈；WiFi@2.4GHz，支持WPA/WPA2安全模式、支持STA/AP/STA+AP工作模式；支持SmartConfi功能(包括Android和iOS设备)；支持HSPI、UART、I2C、I2S、IRRemoteControl、PWM、GPIO；2ms之内唤醒，连接并传递数据包；802.11b模式下+20dBm的输出功率等。2、网关模块设计本实用新型设计的ZigBee—WiFi网关，其核心控制器为STM32F103RBT6，如图11所示，为网关模块核心板原理图。从图中可以看出采用5V/1A电源对其供电，通过1117-3.3进行3.3V电压转换，当系统供电后D1灯亮，STM32F103RBT6有完善的内部复位电路，外部复位电路就特别简单，只需要使用容阻复位方式即可，STM32F103RBT6可以使用外部晶振或外部时钟源，经过内部PLL或不经过内部PLL为系统提供参考时钟，也可以使用内部RC振荡器经过或者不经过内部PLL为系统提供时钟源。当使用外部晶振作为系统时钟源时，外部晶振的频率为4MHz～16MHz，可以为系统提供精确的系统参考源。本实用新型使用8MHz外接晶振为系统提供精确的系统时钟参考，使用32.768KHz低速外接晶振作为RTC时钟电源，连接到芯片的PC14、PC15引脚。本实用新型采用标准的20脚JTAG仿真调试接口。本实用新型中非ZigBee+PA模块采用ZStack-2007协议栈的默认配置，在不同区域内其测试结果如表1所示。表1RFX2401C工作时序图TXENRXEN状态1XTX发送状态01RX接收状态00芯片停止工作注：“1”为高电平状态(>1.2V)“0”为控制引脚低电平状态(<0.3V)“X”为高、低电平状态均可PA模块在ZStack-2007协议栈中的配置步骤如下：①由于默认情况下功放没有启用，需要在文件hal_board_cfg.h中修改#definexHAL_PA_LNA为#defineHAL_PA_LNA。②由于CC2530的P1.4、P1.5引脚分别于RFX2401C的RXEN、TXEN引脚相连接，由表1可知RXEN保持高电平，TXEN决定发送和接收，所以设置P1.4＝1，通过控制P1.5就可以实现RFX2401C的数据收发功能。具体协议栈设置：修改mac_radio_defs.c文件中的macRadioTurnOnPower函数中的代码如下：/*******************************************************************/*P1_5->PAEN*/RFC_OBS_CTRL0＝RFC_OBS_CTRL_PA_PD_INV；OBSSEL5＝OBSSEL_OBS_CTRL0；/*P1_4->EN(LNAcontrol)*/P1SEL&＝～0X10；P1DIR|＝0X10；P1_4＝1；③要提高输出功率，需要在mac_pib.c文件中修改macPibDefaults结构体变量，代码如下：通过修改上段代码中num的值，可在mac_radio_defs.c文件中查看对应的毫瓦分贝，代码如下：本实用新型协调器模块负责将ZigBee无线传感器网络的所有节点的数据收集，并通过串口及时转发给网关控制器模块，同时网关控制器又能将数据监控中心的命令转发给协调器模块，协调器模块收到指令后，通过无线广播的方式下发指令到所有节点，所有节点根据指令内容做出相应的判断回复。图12是协调器模块的工作流程图，协调器上电后，先进行一些协议栈的基本初始化，初始化成功后，选择设定信道，建立ZigBee网络，开启ZigBee网络加入允许，启动定时器OSAL系统进入监听状态。协调器通过轮询事件优先级的方式，进行事件扫描，一旦发现有事件发生，根据事件优先级，依次处理事件响应，同时，在整个事件处理的过程中，OSAL操作系统的事件轮询方式仍在运行，将各个事件以任务号的形式，依次追加到消息处理队列。本实用新型路由节点和终端节点均负责采集传感器接口的数据，处理后向协调器节点定时发送数据。图13是传感器节点的程序流程图，软件总体流程为设备初始化，然后扫描无线信道，请求加入网络，节点加入网络后启动定时器开启OSCL轮询任务，在轮询过程中，终端节点通过事件触发机制，判断若有事件发生则执行对应的事件处理程序，若无事件发生，则进入睡眠模式，直到定时时间到系统重新开始轮询事件发生情况，它负责定时采集传感器数据，针对数据中心的一些请求信息进行相应回应，通过ZigBee网络将这些数据上传给上一级路由或者协调器节点，路由节点在采集数据和回应数据中心请求方面与终端节点相同，不同之处在于路由节点具备数据路由功能，没有休眠模式，因此其必须24小时不间断工作，随时准备数据的转发。为了保证的数据传输无误，路由和中断节点将采集到的数据信息进行重新组织，形成一个完整的数据包进行发送。传感器模块工作流程分别包括：(1)SHT20模块如图14所示，由于CC2530硬件不支持I2C的通信方式，而SHT20只支持I2C的通信方式，所以本实用新型采用了CC2530模拟I2C的方式与SHT20进行通信，在硬件连接上采用了P1.0口和P1.1口分别对应SHT20的SCL和SDA引脚，为保证数据传送的可靠性，标准I2C数据传送必须具备严格的时序要求，具体的操作流程为：初始化I/O端口、启动传输、读取温湿度数据、计算数据。(2)MQ-2模块、HIS-07模块、火焰传感器模块本实用新型MQ-2模块、HIS-07模块、火焰传感器模块均为模拟量数据采集，所以选择了AD转换的方式进行数据读取。CC2530拥有8个独立的12位ADC通道(TI的CC2530由于测试结果没有达到设计要求，所以TI公司将CC2530的分辨率从14位调整至12位)，硬件接口为P0.0～P0.7，分别对应AIN0～AIN7通道，本实用新型采用单通道的单个转换，由寄存器ADCCON3控制，启动方式选择事件启动，这三个模块的程序流程图如图15所示。网关模块配置包括：(1)WiFi模块软件配置本实用新型选用WiFi模块的芯片是ESP8266，WiFi模块以串口透传方式与网关控制器进行通信，结合本实用新型网关的需要，本网关模块必须支持多连接方式，所以选用STA工作模式，STA模式是将ESP8266作为server，即可以连接多个client，表2是用AT指令对ESP8266进行STA模式配置的操作说明。表2ESP8266部分AT指令(2)网关控制器模块软件配置网关控制器是本实用新型网关的设计核心，软件架构的优劣直接影响着整个网关的通信效果，网关控制器选用微控制器芯片，它是连接WiFi模块和ZigBee协调器模块的桥梁，使用其USART3与ESP8266的硬件连接，USART2与ZigBee协调器的硬件连接，USART1作为串口通信方式与PC机通信。图16是整个网关控制器的程序流程图，软件总体流程为系统时钟初始化、中断向量表注册函数、串口初始化、初始化LCD显示、对ESP8266通过串口中断的方式，按照STA模式配置，配置成功后，开始了整个系统的轮询工作。在整个轮询工作中，由于USART2、USART3分别以中断接收方式进行配置，USART2接收到ZigBee协调器的采集数据，将数据保存在一个循环队列缓存区内，USART1、USART3在轮询工作下，将循环队列缓存区内的数据取出，上传给数据监控中心。为了防止WiFi模块和ZigBee协调器模块收发数据过程中，工作时序混乱，本实用新型对USART2、USART3进行了中断优先级的设置，具体设置代码如下：/********************************************************************NVIC_InitTypeDefNVIC_InitStructure；NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2)；NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel＝USART3_IRQn；NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority＝0；NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd＝ENABLE；NVIC_Init(&NVIC_InitStructure)；NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel＝USART2_IRQn；NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority＝1；NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd＝ENABLE；NVIC_Init(&NVIC_InitStructure)；********************************************************************/(3)循环队列的数据缓存区的实现在本实用新型设计的网关中，控制器使用了两个串口中断，在两个串口之间，如何将数据实时完整的转发，本实用新型设计了两种方案，下面逐一将对比介绍。①直接转发方式直接转发方式是采用一个串口接收数据，同时将接收的数据通过另一个串口转发出去。程序实现流程如图17所示，软件总体流程为串口2监测到数据，串口2产生串口接收中断，在串口2的中断处理函数中，将数据通过串口3转发。本实用新型在该方式下的实验中发现：当数据收发间隔时间在5s以上时，收发效果较好，未出现丢包坏包现象；当数据收发间隔时间在5s以下时，出现数据包丢包坏包现象。经分析可知，采用中断方式进行串口数据发送，不符合中断处理程序尽量简短的原则，仅在以固定周期且发送间隔时间较长的情况下，此方案方可行。②循环队列方式循环队列方式是采用一个串口接收数据，同时将接收的数据存放在一个循环队列缓存区内，另一个串口从缓存区内将数据取出。程序实现流程如图18所示，软件总体流程为串口2监测到数据，串口2产生串口接收中断，在串口2的中断处理函数中，将数据存入一个循环队列缓存区内，串口3再从数据缓存区取出数据，进行发送，下面将详细介绍循环队列缓存区建立的过程及原理。循环队列是指头尾相接的顺序储存结构，本设计通过一个结构体定义了循环队列缓存区，该结构体由一百个数据单元、一个头指针、一个尾指针三部分构成，代码如下：图19是循环队列缓存区的结构图，如图所示，front、rear分别指向缓存区的头数据和尾数据，front和rear之间的数据段即缓存区缓存的数据，当一个数据存入缓存区时，front加1一次，当一个数据取出的时，rear减1一次，当front等于rear时，表示缓存区空，当(rear+1)％队列最大长度等于front时，表示缓存区满。采用循环队列方式进行数据采集实验，数据从未出现丢包坏包现象。对比以上两种数据处理方式，本实用新型采用了循环队列方式进行数据处理，在后期的实验中，数据收发及时准确，效果十分理想。本实用新型数据监控中心的一大特点是实现服务器数据的实时远程共享，即在同一局域网内实现多点监控，监控对象可以是局域网的其他客户端，设备包括移动终端或个人PC等。为实现这一功能，监控中心采用了C/S网络架构进行的设计，C/S架构是一种比较成熟的软件架构，主要应用于局域网内。在这之前经历了集中计算模式，随着计算机网络的进步与发展，尤其是可视化工具的应用，出现过两层C/S和三层C/S架构，不过一直很流行也比较经典的是我们所要研究的两层C/S架构[49]。所以本实用新型采用了两层C/S网络架构。数据监控中心(WiFi方式下)需要同时具备两种工作模式，即模式1(客户端模式)和模式2(服务端)。模式1即数据监控中心作为客户端连接ZigBee-WiFi网关(服务端)，数据监控中心与ZigBee-WiFi网关进行相互通信，采集数据并存储到数据库中；模式2即数据监控中心作为服务器，同一局域网内的其他客户端通过IP地址和端口号连接数据监控中心(服务器)，数据监控中心将接收到的实时数据进行转发，各个客户端接收转发数据。本实用新型中，由于数据监控中心必须拥有两种工作模式(客户端模式和服务器模式)，才能满足整个系统的设计要求，为了实现数据的接收、处理以及存储任务和数据的共享任务不冲突，提高整个系统的运行效率，本实用新型采用了多线程方式进行设计。数据监控中心的主线程通过WiFi方式或串口方式进行数据的采集处理和存储，建立服务器模式，随后系统处于监听状态，一旦有客户端请求加入服务器，服务器便会为该客户端创建新线程，与客户端建立连接，进行数据交互，当客户端断开服务器时，触发服务器结束线程事件，终结本次线程。在Qt的线程服务器，基于QTcpServer和QThread类进行开发。在QTcpServer类中，对IP地址和端口的监听，QTcpServer有一个虚函数incomingConnection()，当服务器监听到一个客户端试图建立连接的时候，便会自动调用incomingConnection()函数，在该函数中就实现了新线程的建立[50]。本实用新型将新建的线程放入一个线程池中，通过对线程池的操作，实现线程的管理。在QTcpServer类中，服务器在监听到客户端建立socket请求时，会为此socket分配一个唯一的标识socketDescriptor，再将socketDescriptor传入到Thread中，在QThread类中，通过socketDescriptor建立socket连接，实现通信的建立。本实用新型同时进行了无线传感网络火灾监测抗干扰设计，具体包括：1、ZigBee和WiFi共存设计本实用新型采用了ZigBee-WiFi网关，再加上建筑物内其他WiFi设备的存在，使得Zigbee和Wi-Fi系统共存。如果两者均工作在2.4GHz的ISM频段，彼此间的信号干扰成为一个严重的问题，所以Zigbee和Wi-Fi的共存抗干扰问题必须得到解决。1.1、Zigbee和Wi-Fi的信道分布(1)ZigBee信道分布IEEE802.15.4(Zigbee)工作在ISM(Industrial、ScientificandMedical)频带，它拥有3个频段和27个物理信道，其中868MHz频段占用了一个信道；915MHz频段占用了10个信道，信道间隔为2MHz；2.4GHz频段占用了16个信道，信道间隔为5MHz。具体信道分配如表3所示。表3ZigBee(全球)信道分布信道编号中心频率/MHz信道间隔/MHz频率上限/MHz频率下限/MHzk＝0868.30868.6868.0k＝1,2,…,10906+2(k-1)2928.0902.0k＝11,12,…,262401+5(k-11)52483.52400.0其中2.4GHz是全球通用ISM频段，915MHz是北美的ISM频段，896MHz是欧洲认可的ISM频段。由于我们处于中国大陆地区，所以本实用新型主要考虑ZigBee(中国)在2.4GHz频段的信道分布。(2)WiFi信道分布WiFi协议所用的信道主要集中在2.4GHz和5GHz频段，同时，由于世界各国对于无线电信道用途的差异，所以2.4GHz和5GHz频段的信道开放程度也是不同的。如表4所示，是世界主要国家WiFi在2.4GHz频段信道分布情况，这其中既有出于国家安全的考虑，也有被其他应用占用的情况，由于本实用新型的ZigBee所占信道均处于2.4GHz，所以在此只分析WiFi(中国)处于2.4GHz的信道分布情况。表4世界主要国家WiFi在2.4GHz频段信道分布1.2、Zigbee和Wi-Fi的抗干扰方案通过对比ZigBee(中国)与WiFi(中国)的信道分布图，不难发现，Zigbee和Wifi的信道重叠区域较大，Wifi最常用的信道是1、6、11，其与Zigbee信道无重叠的部分可以是Wifi信道4个边角。Wifi边界频点2.402Ghz偏左，对应Zigbee的11信道，频点2.405Ghz。Wifi的3、4信道间，频点为2.422到2.427Ghz之间，对应Zigbee的15信道，频点2.425Ghz。Wifi的8、9信道间，频点为2.447到2.452Ghz之间，对应Zigbee的20信道，频点2.450Ghz。Wifi边界频点2.483Ghz偏右，对应Zigbee的26信道，频点2.480Ghz，所以要避免Zigbee收到Wifi的影响，比较理想的信道要配置在11、15、20、26。同时根据频段越低，传输距离越远的原理，所以建议还是分配在11信道。在Z-stack中可以在f8wConfig.cfg里设置信道，相关部分如下：/********************************************************************/*DefaultchannelisChannel11-0x0B*///Channelsaredefinedinthefollowing://0:868MHz0x00000001//1-10:915MHz0x000007FE//11-26:2.4GHz0x07FFF800//-DMAX_CHANNELS_868MHZ0x00000001//-DMAX_CHANNELS_915MHZ0x000007FE//-DMAX_CHANNELS_24GHZ0x07FFF800//-DDEFAULT_CHANLIST＝0x04000000//26-0x1A//-DDEFAULT_CHANLIST＝0x02000000//25-0x19//-DDEFAULT_CHANLIST＝0x01000000//24-0x18//-DDEFAULT_CHANLIST＝0x00800000//23-0x17//-DDEFAULT_CHANLIST＝0x00400000//22-0x16//-DDEFAULT_CHANLIST＝0x00200000//21-0x15//-DDEFAULT_CHANLIST＝0x00100000//20-0x14//-DDEFAULT_CHANLIST＝0x00080000//19-0x13//-DDEFAULT_CHANLIST＝0x00040000//18-0x12//-DDEFAULT_CHANLIST＝0x00020000//17-0x11//-DDEFAULT_CHANLIST＝0x00010000//16-0x10//-DDEFAULT_CHANLIST＝0x00008000//15-0x0F//-DDEFAULT_CHANLIST＝0x00004000//14-0x0E//-DDEFAULT_CHANLIST＝0x00002000//13-0x0D//-DDEFAULT_CHANLIST＝0x00001000//12-0x0C-DDEFAULT_CHANLIST＝0x00000800//11-0x0B//这里默认使用的是编号为11的信道********************************************************************/本实用新型无线传感网络火灾监测节点部署如下：当前ZigBee网络的路由算法分为：AODV(AdhocOn-demandDistanceVectorRouting)路由协议和Cluster-Tree算法(树型网络结构路由)。AODV路由协议是一种纯粹的按需路由协议，利用扩展环搜索算法来条件搜索节点，实现节点间的动态自发性路由，使节点获得通向指定目标的路由路径。Cluster-Tree算法则是根据目标节点的网络地址来计算下一跳的算法。AODV路由协议是一种按需驱动路由协议，当源节点向目标节点发送数据包时，源节点才开始在网络中进行路由查找，在完成路由路径的规划后，才进行数据包发送。AODV路由协议的工作原理是一旦有建立连接的需求，网络节点就会立即广播一个连接请求，网络中的其他路由节点则转发该请求消息，并存储源节点地址和返回源节点的临时路由路径。当接收到连接请求的路由节点知道目标节点的路由路径时，便会把这些路由路径信息按照先前记录的路径送回至源节点，于是源节点就开始使用具有最短跳数的路由路径。当链路断掉，路由错误就被回送至源节点，源节点再次发起路由查找的过程。Cluster-Tree是由协调器生成的簇树状网络拓扑结构，不需要存储路由表。该算法原理如下：当一个路由节点(网络地址为A，网络深度为d)收到目标地址为D的转发数据包时，该路由节点先要判断目标地址为D的节点是否为其自身的一个子节点，再根据判断的结果采取不同的方式来处理这个数据。若目标地址为D的节点满足下式：A＜D＜A+Cskip(d-1)则可以判断地址为D的节点是A地址节点的一个后代节点。其中，Lm是网络最大深度，Cm是一个父设备能接受的最大子节点数；Rm是一个父设备能接受的最大路由子节点数；d是设备的网络深度。如果计算结果不满足式A＜D＜A+Cskip(d-1)，则地址为D的节点是A地址节点的父节点。判断后采取的数据包转发措施如下：(1)目标节点是自身的一个后代节点，若地址为D的节点是A地址节点的孩子节点，那么下一跳的地址就是目标地址；若地址为D的节点不是A地址节点的孩子节点，则可利用下式计算出下一跳节点地址。其中int为取整函数；(2)目标节点不是自身的一个后代节点，路由节点则将数据包送交自己的父节点处理。本实用新型节点网络部署采用了ZigBee支持的另一种点对点网络形式——树状拓扑，树状拓扑采用了Cluster-Tree算法与AODVjr算法相结合的路由算法，其中Cluster-Tree算法指的是消息沿着树状拓扑进行传输，其不需要存储路由表。而AODVjr算法则是对AdHoc按需距离矢量路由算法的改进，考虑到节能和便捷性等因素，对AODV的一些特点进行了简化，但是仍然保留了AODV的原始功能。这两种算法在ZStack-2007协议栈中已经打包成库，在其配置文件f8wConfig.cfg中可选择路由算法和通信模式。在树形拓扑结构中，ZigBee协调器(PAN协调器)建立了初始网络，ZigBee路由器组成了分支并转发信息，而ZigBee终端节点作为叶节点且不参与消息路由。ZigBee路由节点可以帮助扩建ZigBee协调器建立的初始网络。数据由A端设备、B端设备到协调器设备的传输过程，而协调器设备即本实用新型的ZigBee-WiFi网关设备。无线传感器网络的节点部署应该遵循国家标准规范的基本要求，国家标准中分为感烟探测器、感温探测器、可燃气体传感器、火焰传感器。本系统节点将以上探测器基于一体，所以在部署上，烟雾传感器根据节点根据使用环境自行选择(MQ-2模块和HIS-07模块)，除烟雾传感器外，不区分探测器类型的进行部署，减少了用户对探测器选型判断的麻烦。根据节点测试结果，本实用新型制定了不同建筑区域的节点选型方案，如表5所示。表5不同建筑区域的节点选型方案除了以上的部署分类建议外，由于建筑物内部环境的特殊性与复杂性，不同的建筑部署方案不尽相同，所以在结合实验数据的同时，还应根据现场的测试情况及时的调整部署方案，以达到最优监测的效果。当前第1页1 2 3