基于ZigBee技術報警定位系統范文

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摘要:火災報警系統是早期探測火災、將火災遏制在萌芽狀態的重要設備。隨著信息與網絡技術的迅速發展,使得分布智能式、大容量、網絡化的火災報警控制器的實現成為可能。本文研究ZigBee無線消防報警定位系統。關鍵詞:火災報替系統;無線傳感器網絡;ZigBee;定位消防一直是關系社會安定和公眾安全的重要問題。隨著現代化城市布局的擴大和經濟的發展,建筑物內人口的增加,煤氣、家用電器設備和公用電器設備使用中出現的可燃氣體泄露、電氣設備過載、過熱、短路等不安全因素,均具有火災隱患,重特大火災發生幾率呈上升趨勢。現代火災已呈現出立體化、復雜化、多樣化的趨勢,對人民的生命和財產造成很大的威脅和損失。一、無線火災報警系統無線火災報警系統與傳統的有線系統的區別在于:前者是通過無線信號而不是用導線將各個裝置連成一個系統,這就使得硬件系統的安裝簡單而快速,最大限度減少對客戶的干擾和對建筑物的破壞。無線火災報警系統借助于無線電信號而不是導線傳輸數據,并用電池為系統組件提供工作電源。當傳感器監測到異常信號,短波無線電在1秒之內將所得數據傳送到控制面板,由天線完成系統的主要輸入輸出。如今,幾乎所有布線連接的電器裝置都可以改由無線電信號來控制,同時隨著電器元件的成本、自動化裝配成本的下降,無線火災報警系統的成本也隨之大幅度降低,并且隨著系統整體性能的提高,無線火災報警系統在很多情況下與有線系統相比,無論是在性能上還是價格上,都具有相當大的競爭力,同時由于安裝速度快,對建筑物損毀小,無線火災報警系統的優勢日趨明顯,應用場所日益廣泛,其潛在市場正在被打開。二、無線消防報普定位系統總體設計ZigBee協調器、中繼器(路由器)和終端設備以邊緣為星型的網狀拓撲方式連接。當網絡中某處物理位置發生火警時,其附近傳感器節點感測到火警并將其通過網絡傳播出去;進入火災現場的消防人員隨身攜帶嵌入了無線模塊的移動裝置,視為網絡中的移動節點,它通過向其周圍固定安裝的位置已知的節點發送測量命令消息,接收到消息的節點通過其中所包含的信息可為位置未知的移動節點估算出所在位置。網絡協調器可將網絡信息傳送到PC中,從而可了解網絡節點工作情況以及消防人員的位置。(一)硬件總體設計方案根據國內無線頻譜管理相關規定,基于zigbee標準的產品只能選擇2.4GHz頻段的器件。目前已經推出了MCU與RF集成的“射頻SoC”。例如Chipcon公司2006年第一季度推出的CC2431,它由2.4GHzDSSS射頻收發器核心和增強型工業標準的8位8051微控制器組成,是目前世界上僅有的帶有128K閃存的8051內核的ZigBee無線單片機,并帶有定位跟蹤引擎。從本設計的功能要求和性能指標來看,此類器件無疑是非常理想的選擇:低復雜度,低功耗,低速率,體積小,并能同時方便地滿足組網和定位的需要。但是經過市場調研后發現,“物美”卻不“價廉”,無論是芯片還是開發工具都價格不菲。出于符合要求又兼顧成本的綜合考慮,經過對不同方案的研究和對比,決定還是采用獨立MCU與RF器件的硬件架構。MCU采用Microchip公司的PIC18LF2620,它是8位微控制器,低電壓供電,28個管腳包含3組雙向1/0,中斷和定時器資源都很豐富,并且很容易將程序功能擴展移植到40腳的PIC18LF4620。RF采用Chipeon公司的Ce2500,它的工作頻帶范圍為2400~2483.5GHz,采用0.18微米CMOS工藝,外形小,需要的外部元件數量少,而且價格十分低廉,低電壓供電,高接收靈敏度,屬于超低成本ZigBeeRF芯片。其余的器件比如傳感器、串口通信器件等,以及必要外圍器件如LED,均考慮了體積與功耗因素。(二)軟件總體設計要組建一個基于ZigBee技術的無線消防報警定位系統,首先要對數據進行采集和處理,例如環境感測數據;然后要實現節點間的通信,才能將獲得的信息從一個節點傳送到其他節點;最后要進行組網以及定位估計,才能最終實現一個自組織網絡并對移動未知節點進行定位。1、數據采集與傳輸這一部分主要包括傳感器信息的采集、所使用的幾種通信方式、數據傳輸機制。傳感器信息的采集,其實就是處理傳感器和微控制器的接口。傳感器將采集來的模擬量轉換成數字量,送進微控制器;微控制器根據所得數據進行相應處理。IEEE802.15.4規定所有的通信是基于包的。在數據通信部分,RF芯片已經對一些功能例如CCA、LQI、同步字探測、地址校驗、自動CRC等給予了硬件支持,這些減少了軟件設計時對于數據包形成和接收檢驗的工作量。本設計是采用非信標使能的網狀拓撲結構,它的通信機制在IEEE802.15.4規范中有詳細的定義和說明,設計時應按照規范,采用無時隙的CSM/CA算法,實現設備到協調器、協調器到設備以及對等實體之間的可靠數據傳輸。系統信息匯集在網絡協調器。協調器通過RS-232串口可與監控主機進行通信,從而可在PC上更直觀和方便地了解網絡節點工作情況以及消防人員的位置。2、組網及路由這一部分主要包括:協調器如何建立網絡,節點如何向父設備請求加入網絡,協調器如何處理其它節點發送的入網請求,允許節點加入;以及消息在網絡中如何進行路由。3、定位算法這一部分主要包括定位估算的原理,給出RSSl數據采集機制、門限設置和位置估算方法。CC250o帶有RSSl(接收信號強度指示)的數字輸出。由于該消防報警系統是安裝在建筑物內,其定位即屬于室內定位。通過對大量文獻中關于無線傳感器網絡定位算法的研究,同時結合CC25oo的此一特性,決定采用基于RSSl的最大似然估計方法進行定位估算。相比許多其他的方法,用此種方法進行物理定位的精度并不是非常理想,但由于室內節點的密度相對較密集,故精度所產生的影響不會太大,并且還可以利用符號定位提供位置參考。同時,采用較簡單的算法也降低了系統實現的復雜度。如果要將系統應用在精度要求很高的場合,也可對現有算法進行一些修正以提高精度,例如自適應迭代法、距離加權估計算法等。ZigBee技術以其優越的特性在無線通信領域異軍突起,應用日趨廣泛。本文基于ZigBee技術,設計了可對樓宇內火警進行實時監控并追蹤消防人員位置的無線消防報警定位系統。該設計方案已應用于實踐,同時對其他設備或人員的無線監控和定位追蹤也具有借鑒意義。基于ZigBee技術的消防報警定位系統,必將在未來的智能樓宇中得到更普遍的發展和應用。參考文獻:[1]丁飛,張西良,張世慶,王濤.ZigBee技術的硬件實現模式分析[J].單片機與嵌入式系統應用,2006,(09).[2]施承,宋鐵成,葉芝慧,胡靜,沈連豐.基于Zigbee協議的無線傳感器網絡節點的研制[J].廣東通信技術,2006,(01).[3]王東,張金榮,魏延,曹長修,唐政.利用ZigBee技術構建無線傳感器網絡[J].重慶大學學報(自然科學版),2006,(08).[4]閔茹,李靜,王軍.無線傳感器網絡定位技術及其應用[J].河南機電高等專科學校學報,2006,(06).