ZigBee無(wú)線(xiàn)火災監控節點(diǎn)及其時(shí)鐘同步算法的設計

　　傳統的火災監控網(wǎng)絡(luò )主要通過(guò)有線(xiàn)的連接方式進(jìn)行連接。有線(xiàn)連接方式具有安裝費用貴、線(xiàn)路易老化和損壞、維護成本高等缺點(diǎn)，系統安裝之后不易擴展，并且系統的故障率高。ZigBee作為一種新興的短距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)[1-2]，憑借其短距離、低功耗、高可靠等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)被廣泛地運用于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )(WSN)。將ZigBee技術(shù)應用到火災報監控網(wǎng)絡(luò )中，構建無(wú)線(xiàn)火災監控網(wǎng)絡(luò )，不但可以擺脫線(xiàn)路鋪設，降低系統安裝維護費用，還可以有效彌補有線(xiàn)火災監控網(wǎng)絡(luò )的不足，提高火災監控網(wǎng)絡(luò )的預警能力和可靠性。

　　1 基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線(xiàn)火災監控網(wǎng)絡(luò )

　　筆者通過(guò)長(cháng)時(shí)間的理論研究，在前人研究的基礎上設計一套基于ZigBee短距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的火災監控網(wǎng)絡(luò )，系統結構如圖1所示。該ZigBee無(wú)線(xiàn)火災監控網(wǎng)絡(luò )由主機、協(xié)調器、路由器、監控節點(diǎn)四部分構成，主機與協(xié)調器之間通過(guò)串口通信，協(xié)調器與路由器、路由器與終端節點(diǎn)之間通過(guò)無(wú)線(xiàn)連接進(jìn)行通信。

　　2 終端節點(diǎn)設計

　　無(wú)線(xiàn)煙霧報警器作為火災報警系統中最重要的傳感器節點(diǎn)，承擔著(zhù)發(fā)現火災、預報火災的重要任務(wù)，設計高性能的煙霧報警器對于及時(shí)有效的發(fā)現火災，避免重大火災的發(fā)生有著(zhù)至關(guān)重要的作用。

　　2.1 硬件設計

　　無(wú)線(xiàn)煙霧報警器主要由中央處理及發(fā)射模塊、傳感器模塊兩部分構成(圖2)。煙霧報警節點(diǎn)采用TI公司的CC2530作為中央處理芯片，它具有高的接收靈敏度和抗干擾性能，可運行在不同的工作模式，且功耗低。它的主要任務(wù)是負責對數據的處理、無(wú)線(xiàn)傳輸等。CC2530可以搭配具備PA和LNA功能的CC2591芯片進(jìn)行工作，增加傳感器節點(diǎn)的無(wú)線(xiàn)信號發(fā)射功率，提高信號傳輸距離，可以有效減少數據經(jīng)過(guò)的路由器數量，減小路由節點(diǎn)的能量損耗。同時(shí)，CC2530芯片可以采用倒F板載天線(xiàn)和外接微型天線(xiàn)的雙天線(xiàn)結構，并可根據實(shí)際情況選擇所需的天線(xiàn)，增加了節點(diǎn)的靈活性[3]。

　　無(wú)線(xiàn)煙霧報警器采用MC145010光電煙霧傳感器，MC145010 是低電流 BiCMOS 煙霧報警器電路。該電路包括功率極低的數模電路，它與紅外光電腔體同時(shí)使用，通過(guò)接收微小的煙霧顆粒所散射的光來(lái)達到檢測煙霧的目的。當檢測到煙霧時(shí)，該電路中的推挽式輸出電路會(huì )驅動(dòng)外圍的蜂鳴器發(fā)出報警聲。煙霧報警器的CC2530芯片可以實(shí)時(shí)采集MC145010的狀態(tài)信息，通過(guò)無(wú)線(xiàn)方式傳輸給無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的主協(xié)調器。本煙霧報警器具備溫度采集功能，報警器采用DS18B20溫度傳感器，DS18B20溫度傳感器具有體積小、抗干擾能力強、測量溫度范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，能夠實(shí)時(shí)監測監控范圍內的溫度，可以通過(guò)CC2530芯片設置監控溫度報警閾值，在很大程度上提高了煙霧報警器的可靠性能。除此之外，CC2530支持14 位的ADC模擬數字轉換，多達8個(gè)可配置通道，通過(guò)寄存器配置，可以將8個(gè)端口配置為內部ADC輸入通道，無(wú)需外置A/D轉換器，可以擴展到使用燃氣傳感器、火焰傳感器、一氧化碳傳感器等多種傳感器，使節點(diǎn)的硬件設計大大簡(jiǎn)化，體積減小，穩定性提高，且擴展方便。

　　2.2 無(wú)線(xiàn)煙霧報警器工作狀態(tài)流程圖

　　無(wú)線(xiàn)煙霧報警器工作狀態(tài)包括正常工作狀態(tài)和報警工作狀態(tài)，報警器上電后即進(jìn)入正常工作狀態(tài)，報警器會(huì )定時(shí)采集報警器狀態(tài)信息并發(fā)送給協(xié)調器，報警器在正常工作狀態(tài)下會(huì )進(jìn)入周期性休眠狀態(tài)，減少節點(diǎn)電量消耗。當傳感器檢測到火災報警信號后會(huì )觸發(fā)蜂鳴器報警并改變工作狀態(tài)進(jìn)入報警工作狀態(tài)，當報警狀態(tài)消除后會(huì )再次進(jìn)入正常工作狀態(tài)。其工作流程圖3所示。