基于ZigBee技术的智能楼宇防火监控系统的研究

摘要

随着社会经济的发展，智能楼宇成为人们日常生活中必不可少的承载体，但其楼宇内环境比较复杂、包含了各种电气设备、装饰材料等，再加上楼层相对较高，楼内居住人员较多、相对空间较小。一旦有火灾发生，其着火区域就会向外迅速蔓延，产生一连锁反应，增加了救援难度，造成重大的人员伤害和财产损失。传统的有线防火监控系统布线复杂、可靠性差、维护成本高，在一些偏僻角落无法实时布线等存在很多的局限性。而随着物联网技术的迅速发展，采用无线传感器网络的火灾监控系统，安装简单便利，无需布线、监控范围广、成本低等，能够较好的在楼宇内运行，完成对火灾的实时监控，应用前景较好。
　　本文针对楼宇环境，在充分考虑了现有各种无线传感器网络的基础上设计了一种基于ZigBee技术的智能楼宇防火监控系统。该系统由终端数据采集节点、路由节点、协调器节点和监控中心四个部分组成，系统通过对楼宇内各环境参数的实时测量来实现对火灾的监控和报警功能。此外，当有火灾发生时，该系统还能够实现对进入火灾现场的消防人员的定位功能，大大提高了灭火的效率和人员的安全。系统的设计分为硬件和软件两个部分，在硬件设计上，系统采用CC2530芯片作为ZigBee节点的主控芯片，在终端数据采集节点通过部署温湿度、烟雾以及CO等传感器来采集楼宇内的环境参数;路由节点通过增加射频前端来实现更远距离的传输，最后通过对串口的设计实现协调器和监控中心的通信。在软件设计上，系统采用树簇形拓扑结构构建成一个ZigBee网络，利用TI公司的Z-Stack协议栈详细设计系统的各功能模块;针对本系统，利用Visual C＃2010开发环境设计出监控系统的上位机软件，并运用RSSI测距算法和Bounding-box定位算法的相结合来实现对消防人员的定位。
　　最后通过测试，系统能够成功组网和进行数据采集工作。在监控过程中数据传输有效，通信距离符合要求，当有异常情况发生时系统能够及时报警，基本满足需求。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 智能楼宇的发展

1．2．2 火灾监控技术的发展

1．3 本文主要研究内容

2 ZigBee技术和WSN定位技术的概述

2．1 ZigBee技术简介

2．2 ZigBee技术的特点

2．3 ZigBee协议体系结构

2．3．1 物理层

2．3．2 媒体访问控制层

2．3．3 网络层

2．3．4 应用层

2．4 ZigBee网络拓扑结构

2．4．1 ZigBee网络设备

2．4．2 ZigBee网络拓扑结构

2．5 无线传感器网络基于测距的定位算法

2．5．1 无线传感器网络定位简介

2．5．2 基于测距的WSN定位算法

2．6 本章小结

3 智能楼宇防火监控系统的总体设计

3．1 系统的需求分析

3．2 系统的总体设计

3．2．1 系统的总体架构

3．2．2 系统的网络节点布局

3．3 系统硬件设计方案

3．3．1 系统各模块的硬件设计

3．3．2 系统硬件平台的低功耗设计

3．4 系统软件设计方案

3．5 本章小结

4 智能楼宇防火监控系统的硬件设计

4．1 ZigBee射频芯片选型

4．1．1 ZigBee射频模块的分析

4．1．2 CC2530芯片介绍

4．2 终端数据采集节点的硬件设计

4．2．1 终端数据采集节点的硬件结构

4．2．2 终端数据采集节点各器件和接口的设计

4．2．3 数据采集节点的电源方案

4．2．4 数据采集节点的性能指标

4．3 路由节点的硬件设计

4．3．1 路由节点的硬件结构

4．3．2 路由节点的电源方案

4．4 协调器节点的硬件设计

4．4．1 协调器节点硬件结构

4．4．2 协调器节点各模块的硬件设计

4．5 监控中心的硬件设计

4．6 本章小结

5 智能楼宇防火监控系统的软件设计

5．1 系统的开发环境与开发工具

5．1．1 IAR EW嵌入式软件开发平台

5．1．2 Z-Stack协议栈开发平台

5．2 终端数据采集节点的软件设计

5．3 路由节点的软件设计

5．4 协调器节点的软件设计

5．5 监控中心PC端的软件设计

5．5．1 监控中心软件的功能模块划分

5．5．2 监控中心PC端软件流程图

5．5．3 数据库设计

5．5．4 PC端软件主要界面

5．6 定位模块的设计

5．6．1 RSSI测距原理

5．6．2 Bounding-box定位算法

5．7 系统测试

5．7．1 系统功能测试

5．7．2 节点性能测试

5．8本章小结

6 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢

作者简介及读研期间主要科研成果