基于Zig Bee的远程火灾监测系统研究

    唐小虎　李庆达　张巧灵

    

    

    

    摘要：针对传统火灾监测系统准确性差、灵活度低和远程传输等问题，文章设计了一种基于ZigBee传感器网络的火灾监测系统，通过多个ZigBee节点采集烟雾、温度和CO气体数据并发送给协调器。处理控制中心以STM32F103为核心负责数据接收处理，将数据通过以太网传输至yeelink网络平台，便于随时查看监测和长期数据分析。

    关键词：ZigBee；D-S融合；远程监测

    火灾监测是人们长期以来都在研究的重大课题，它关乎着人民生命财产安全。火灾发生的不同阶段会产生不同的特征信号，因此文章设计了一种多传感器检测综合判断的远程火灾监测预警系统，测试结果表明本系统可靠性高，可行性强。

    1 系统总体设计

    系统总体如图1所示，主要包括数据采集节点、处理控制中心、yeelink网络平台3部分。数据采集节点和协调器组成ZigBee星型拓扑结构网络，数据采集节点将各传感器数据上传到处理控制中心，处理控制中心通过前端的协调器将数据接收同时通过串口与STM32进行传输通信，STM32运行μc/os-ii实时操作系统，一方面通过数据融合处理判断是否发生火灾，另一方面结合LWIP协议和ENC28J60组成以太网网关，网关接网线到路由器将数据上传至yeelink网络平台实现远程监测。

    2 系统硬件设计

    2.1 处理控制中心设计

    在保证运行速度和移植可行性的前提下，设计选用STM32F103R8作为处理控制中心主控芯片，它是意法半导体公司生产的32位嵌入式微控制器，具有丰富的外围设备接口，内置512KB闪存和64KB的SRAM，最大运行速度72MHz，能够满足在运行μc/oslii和1wip协议栈的情况下进行外围设备通信和多任务处理要求。ZigBee协调器和GSM短信模块通过串口与主控芯片通信，ENC28J60网络模块通过SPI与主控芯片通信。

    2.1.1 ZigBee模块

    zigBee模块采用TI公司的CC2530芯片，该芯片是2.4GHz IEEE 802.15.4和ZigBee应用的片上系统解决方案，集成了2.4G射频收发器和51控制器，8KB RAM和256KB ROM。由于协调器与数据采集节点设计完成的功能要求不同，故硬件设计各有不同。

    2.1.2 ENC28J60模块

    本设计采用软件协议栈的方式实现以太网接入。ENC28J60网络芯片结构简单，内置MAC+PHY，提供了物理层和MAC层的网络协议，通过与RJ45网口相连进而连接以太网。

    2.2 数据采集节点设计

    在火灾发生的过程中，其周围烟雾、温度和CO等特征数值会发生变化，设计选用烟雾传感器MQ-2、温度传感器DSl8820和CO气体传感器MQ-7进行数据采集。烟雾传感器MO-2与CC2530的P0.4口连接，DSl8820与P0.6口连接，MQ-7与P0.1口连接。

    3 系统软件设计

    系统软件设计主要包括数据采集处理、Yeelink云平台搭建两个部分。

    3.1 数据采集处理

    节点数据采集分别由烟雾传感器MQ-2，温度传感器DS18820和CO气体传感器MQ-7完成。在ZigBee协议栈体系中，由于系统采用了轮询任务调度队列的方式进行任务调度管理。图2为采集节点程序流程。ZigBee协调器接收到节点数据后与STM32进行串口通信，STM32处理后将数据通过以太网发送到yeelink平台处理控制中心程序流程如图3所示。

    3.2 Internet网络通信及云平台搭建

    yeelink平台实现设计功能既降低了本次设计的成本，又缩短了开发周期。通过注册Yeelink平台账号，创建设备，申请API key，在源程序中对传感器个数和对应的ID进行配置实现STM32与yeelink的数据对接与传递。

    4 系统测试

    将ZigBee数据采集节点放置于实验室内，测试中采集节点数为2，每个采集节点均可获得温度、烟雾、CO气体的具体数值，因此Yeelink平台注册传感器设备个数为6。图4给出了自2015年5月21日起两周内测试过程中节点1的温度变化情况。