ZigBee無線火災監(jiān)控節(jié)點及其時鐘同步算法的設計

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

　　1 基于ZigBee技術的無線火災監(jiān)控網(wǎng)絡

　　筆者通過長時間的理論研究，在前人研究的基礎上設計一套基于ZigBee短距離無線通信技術的火災監(jiān)控網(wǎng)絡，系統(tǒng)結構如圖1所示。該ZigBee無線火災監(jiān)控網(wǎng)絡由主機、協(xié)調(diào)器、路由器、監(jiān)控節(jié)點四部分構成，主機與協(xié)調(diào)器之間通過串口通信，協(xié)調(diào)器與路由器、路由器與終端節(jié)點之間通過無線連接進行通信。

　　2 終端節(jié)點設計

　　無線煙霧報警器作為火災報警系統(tǒng)中最重要的傳感器節(jié)點，承擔著發(fā)現(xiàn)火災、預報火災的重要任務，設計高性能的煙霧報警器對于及時有效的發(fā)現(xiàn)火災，避免重大火災的發(fā)生有著至關重要的作用。

　　2.1 硬件設計

　　無線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(jié)點采用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。它的主要任務是負責對數(shù)據(jù)的處理、無線傳輸?shù)取?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/CC2530">CC2530可以搭配具備PA和LNA功能的CC2591芯片進行工作，增加傳感器節(jié)點的無線信號發(fā)射功率，提高信號傳輸距離，可以有效減少數(shù)據(jù)經(jīng)過的路由器數(shù)量，減小路由節(jié)點的能量損耗。同時，CC2530芯片可以采用倒F板載天線和外接微型天線的雙天線結構，并可根據(jù)實際情況選擇所需的天線，增加了節(jié)點的靈活性[3]。

　　無線煙霧報警器采用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(shù)模電路，它與紅外光電腔體同時使用，通過接收微小的煙霧顆粒所散射的光來達到檢測煙霧的目的。當檢測到煙霧時，該電路中的推挽式輸出電路會驅(qū)動外圍的蜂鳴器發(fā)出報警聲。煙霧報警器的CC2530芯片可以實時采集MC145010的狀態(tài)信息，通過無線方式傳輸給無線傳感器網(wǎng)絡的主協(xié)調(diào)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，能夠?qū)崟r監(jiān)測監(jiān)控范圍內(nèi)的溫度，可以通過CC2530芯片設置監(jiān)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(shù)字轉(zhuǎn)換，多達8個可配置通道，通過寄存器配置，可以將8個端口配置為內(nèi)部ADC輸入通道，無需外置A/D轉(zhuǎn)換器，可以擴展到使用燃氣傳感器、火焰?zhèn)鞲衅?、一氧化碳傳感器等多種傳感器，使節(jié)點的硬件設計大大簡化，體積減小，穩(wěn)定性提高，且擴展方便。

　　2.2 無線煙霧報警器工作狀態(tài)流程圖

　　無線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)，報警器上電后即進入正常工作狀態(tài)，報警器會定時采集報警器狀態(tài)信息并發(fā)送給協(xié)調(diào)器，報警器在正常工作狀態(tài)下會進入周期性休眠狀態(tài)，減少節(jié)點電量消耗。當傳感器檢測到火災報警信號后會觸發(fā)蜂鳴器報警并改變工作狀態(tài)進入報警工作狀態(tài)，當報警狀態(tài)消除后會再次進入正常工作狀態(tài)。其工作流程圖3所示。