基于无线传感器的嵌入式火灾报警控制器设计概要.docx

1、基于无线传感器的嵌入式火灾报警控制器设计概要 楼宇自动化 胡 健 (1985 , 男 , 硕 士 研 究生 , 研 究 方 向为计算 机测 控和 智 能楼宇 。基于无线传感器的嵌入式火灾报警控制器设计胡 健 , 万 频 , 邬书金 , 陶兴平 (广东工业大学 自动化学院 , 广东 广州 510006摘 要 :分析了传统有线制 、8b it CPU 火灾报 警控制器的缺点 , 提出了一种融合 新型 ZigB ee 无线网络及嵌入式技术的火灾报 警控制器方 案 。 详细介绍 了嵌入式 主控制器及从机 ZigBee 无线网络节点的硬件和软 件实现 , 阐述了 Z igBee 网络拓 扑及组网的实现

2、。 该嵌入式火灾 报警 控制器 具有 火灾 判定可 靠性 高 、 布线简 单 、 系统更新调整方便等优点 。关键词 :嵌入式技术 ; 无线传感器 ; ZigBee 协议 ; 火 灾报警中图分类号 :T P 277 文献标志码 :B 文章编号 :1674 8417(2010 06 0001 04 万 频 (1963 , 男 , 副教授 , 研究方向为计算机测控与网络技术 、 楼宇智能化技术 。 邬书金 (1982 , 男 , 硕士研究生 , 研究方向为计算机测控与网络技术 。 陶兴平 (1983 , 男 , 硕士研究生 , 研究方向为计算机测控与网络技术 。0 引 言随着建筑业的迅猛发展 , 各

3、地高层建筑如雨 后春笋般拔地而起。高 层建筑一方面 增加了人们的居住空间 , 但同时也给建筑消防系统带来了 更为重大的任务和挑战。一旦有火灾发生 , 将极 大危胁人类生命和财产安全。因此 , 设计一种满 足现代化建筑的智能火灾 报警系统具有极其重 要的意义。本 文 提 出 了 一 种 以 32b it ARM 芯 片 LPC2214为核心的火灾报警主控制器 , 它能克服 8b it CP U 速度与容量的缺陷 , 满足现代建筑的火 灾报警需求。从机控制器则采用支持 ZigBee 协 议的 CC2430芯片 , 构建无线火灾报警局域网络。1 硬件设计LPC2214是基于 AR M 7TDM I

4、S 内核 , 带有 256KB 嵌入的高速 Flash 存储器 , 具有 16KB 片 内 SRAM, 128b it 宽度接 口 /加 速器可实 现高达60MH z 的 工作频率 , 并且具有丰富的外围接口。 综合火灾报警系统的复杂性 , 采用 LPC2214为系 统提供高速运算与控制 , 支持嵌入系 C /OS ! , 多种总线接口能够方便系统扩展 , 以实现多功能 化、 智能化 , 开发显 示系统 , 满 足人 机对话 的需 求。主控制器以 LPC2214为处理核心 , 外围扩展 了多种功能模块 , 以实现系统的多功能、 智能化。 图 1给出了嵌 入式火灾报警控制器上主控制器的简化结构框

5、图。图 1 主控制器的结构框图下面对主要功能模块进行详细阐述。1 楼宇自动化(1 电源监测。由于系统要驱动 LCD 和打 印机 , 系统接入 12V 电压以提供较大功率 , 而各 芯片工作电压要求转换成 5. 0V 、 3. 3V 和 1. 8V 电压。(2 LCD /按键。 LCD 用 于显 示当 前系 统监 控 信息进 行人机 对话操 作。 可 通过 LPC2214外 部数据 与 地址 总 线扩 展 方 式接 入。 按 键选 用 ZLG7290芯片 , 该芯片采用 I 2C 总线方式 , 可以节 约 I/O接口 , 而支持的键盘却完全可以满足操作 需要。(3 火灾报警及联动设备。用 特定的

6、声光 形式告知值班人员监测点的异常状态 , 并自动打 印火灾信息。此时 , 自动联动设备将按预先设定 的自行消防动作 , 用户可以操作手动联动设备实 施消防操作。(4 Z i g Bee 无线 传感器网 络。该系 统选用 CC2430。主控制器通过 SPI 接口与 CC2430交换 数据、 发送命令等 , 从而控制 Z i g Bee 无线传感器 网络。 Zig B ee 无线传感 器网络由网络 协调器及 大量的路由、 普通节点、 探测器构成。整个传感 器网络负责对现场各种火灾参数进行采集 ; 另一 方面 , 主控制器也可以通过无线网络向各节点发 送声光报 警信号 及联动 操作信 号 , 启动

7、联 动操 作。(5 火灾探测器种类及主要参数 : 数字化 温度传感器 DS18B20可以编程设定 912b it 的 分辨率 , 测量温度范围为 -55125#, 在 -10 85#范围内 , 精度为 0. 5#。 %光电感烟探测 器采用 OP231和 OP801SL 光电组合套件作为发 射管和接收管。当空间高度为 612m 时 , 1只 探测器的保护面积为 80m 2; 当空间高度为 6m 以下时 , 其保护面积为 60m 2。 &TP-2常温型 低功耗 CO 传 感器 , 检 测 CO 浓 度范 围为 30 1000 10-6。(6 其他模块。包含 F lash 和 RAM 存储单 元、

8、实时时钟、 看门狗、 USB 模块等。2 Z i g Bee 无线传感器网络系统该系统采用 CC2430芯片 , 它使用 1个 8bit 增强型 8051MC U, 具有 32/64/128KB 可编程闪 存和 8KB 的 RAM, 还包含模数转换器、 定时器、 AES128协同处理器、 32k H z 晶振的休眠模式定 时器、 21个可编程 I /O引脚等。由于 CC2430芯 片整合了 M C U 、 Zi g B ee 射频前端、 内存等 , 使相关 硬件设计简洁、 紧凑。2. 1 Z igBee 技术Z i g Bee 技术是一种基于 I EEE 802. 15. 4标准 的近距离、

9、低复杂度、 低功耗、 低数据 传输速率、 低成本的双向无线通信技术 , 主要适用于自动控 制和远程控制领域。2. 2 网络拓扑结构根据系 统 特 点 , LPC2214将 以 SPI 方 式与 CC2430进行连接。 LPC2214控制网络协调器 , 网 络协调器负责整个网络组网、 管理网络节点。其 他现场节点由 CC2430和火灾探测器构成 , 根据 成本和功能构建成 FFD(Fu ll Functi o n Dev ice 或 RFD (Reduced Functi o n Dev ice 节点。FFD 节点除具有 RFD 节点监控环境参数功 能外 , 还充当路由节点功能 , 扩展传输范围

10、和距 离。 RFD 节点则作为 终端设备。节点以自组织 形式构成网络 , 每个节点都可以自主采集数据 , 数据通过单跳 方式或多跳中继方式送到汇聚节 点。汇聚节点 将收集的数据发送到远程控制中 心。图 2 为无线网络拓扑结构图。图 2 无线网络拓扑结构图3 软件实现3. 1 主机节点软件实现主控制器具有丰富的硬件资源 , 可方便移植 C /OS ! 嵌入式实时操作系统 , 由操作系统承担 任务调度、 任务管理、 时间管理、 内存管理和任务 间的通信 , 使程序流程更简洁。主控制器完成对 各从机节点现场环境的监测 , 实时满足主机对任 楼宇自动化一节点信息的查询。该设计还采用 320 240DP

11、I 大屏幕 LCD 进 行显示 , 从而设计良好的 GU I 界面 , 方便对整个 火灾报警系统的控制。3. 1. 1 嵌入式实时操作系统移植C /OS ! 是一种 免费公 开源 代码、 结 构小 巧、 具有可剥夺实时内核的实时操作系统。移植 C /OS ! 到硬件系统主要是对以下 3个文件进 行源文件编写 :OS _CPU.H 、 OS _CPU_A.A 、 OS _CPU _C. C 。3. 1. 2 主控制器任务的组成首先应对相关外围设备编写驱动程序 , 包括 LCD 、 SPI 、 外接时钟、 打印机、 报警指示灯、 主控制 盘接口、 语音提示接口、 USB 接口等。由于 C /OS

12、! 是一 个 多任 务 实时 操 作系 统 , 系统将根据任务的优先级进行调度。系统主 要有以下主要任务 :按键扫描任 务、 GU I 实时显 示任务、 获取节点信息任务、 数据处理决策、 消防 动作等 , 并根据任务重要性与实时性要求进行优 先级分配。图 3为主控制器程序流程图。 图 3 主控 制器程序流程图消防设备自检主要对各节点通信连接质量、 火警灯及音响、 故障灯及音响以及其他指示灯进 行检查 , 告知用户设备使用情况。如果未发生异 常 , 将最终停在 (参数设置 、 (环境参数显示 、 (消防联动控制 、 (其他任务 以等待操 作。此 时 , 系统根据优先级处理后台任务 , 如被动周

13、期 性接收从机返回 的现场信息、 处理节点信 息、 网 络协调、 显示刷新、 按键扫描等。当用户进入火灾监控信息菜单后 , 界面会自 动刷新 节点 现场状 态。当进 行节 点查 询时 , 在 GU I 界面上 使用 按键选 择所查 询的楼 层、 房间 号 , 就可以调用相关函数 , 从数据库中查看最近 周期参数信息。现场环 境参数经控制 器进行数 据融合处理、 决策。如果判断火灾的发生 , 将以 最高优先权处理 , 并进行打印信息等一系列联动 操作。其他任务包括通过 USB 接口下载历史记 录等。3. 2 火灾报警的判断策略导致火灾发生的相关因素较多 , 宜采用多种 火灾信息通过信息融合来进行

14、准确、 可靠的火灾 判断。现结合温度传感器、 感烟探测器及 CO 传 感器进行火灾综合探 测。火灾判断策略采用基 于阈值逻辑判 断和基于神经网络智能判断两种 方案。前一种方案根据火灾发生的阴燃阶段、 明 火阶段等情况 的不同来设定各类火灾探测器的 阈值或数据变化速率 , 作为判断火灾的依据 , 如 阴燃阶段烟雾浓度高、 CO 浓度高 ; 再如关注火灾 发生期间环境温度上升速度快的特点 , 以区别较 高的环境背景温度可 能造成的误判等。后一种 方案利用神经网络对温度、 烟雾浓度及 CO 浓度 等参数进行处理 , 而后再经模糊判决器来发出判 断信号。基于阈值逻辑判断方案实时性好 ; 基于神经 网络

15、判断方案可靠性略高 , 但实时性欠佳。33. 3 从机节点软件实现3. 3. 1 协议栈TI Z Stack 协 议 栈 是 TI 公 司 基 于 I EEE 802. 15. 4/ZigBee网络协议设计的无线数据传输 网络 Zi g B ee 标准协议。其中 CC2430完 全支持 Z Stack 04、 Z Stack 06协议版本。在该系统中运 用了 Z Stack 06协议 , 支持网状网络拓扑、 动态通 道选择、 动态分配 PAN I D 、 动态绑定等 , 设计与协 议程序紧密结合的嵌入式实时操作系统。 3. 3. 2 从机软件实现Z Stack 06软件包 已经完 整地设 计了

16、 MAC 层、 NWK 网络层、 安全层、 设备终端以及应用层。 因此 , 在此要修改 HAL 硬 件层、 网络层参数、 安 全层参数、 修改和添加应用任务。从机程序流程 图如图 4所示。 图 4 从机程序流程图初始化操作系统以后 , 程序将立即运行 vo i d osa l A ddT asks(vo i d 函数。它负责添加任务和任务的初始化。该函数如下 :vo i d osal Add T asks(voido sal T ask A dd(A PS_Ini t , APS_event_loop, OSAL _TAS K _PRI OR ITY _LOW ; o sal T ask A

17、dd(ZDA pp_Init , ZDA pp_event_l oop , O S A L _TAS K _PRI OR I TY _LOW;osa l T askAdd(H a l_In it , H a l_Pro cess Event , O S A L _TASK_PR I OR ITY _LOW ;o sal T ask A dd(nwk_in it , nwk_event_l oop , OSAL _TASK_PRI OR ITY _M ED ;o sal T ask A dd (Samp l eA pp _Init , Sa m pleA pp _Process Event ,

18、O S A L_TASK_PRI OR ITY _LOW ; 程序的调度将全部交由操作系统完成 , 如按 键任务 , SPI 通信由 H al_ProcessEvent完成 , 网络 传输及路由由 nwk_event_loop完成等。应用层的 实现将主要完成对 uint16Sa mp le App_ProcessEvent(uint8task_i d , u i n t16events 的编写。如周期 性发送、 接收无线网络数据、 触发式发送接收无线网络数据及 来自主控制器控制信息的处理和 执行等。该任务从系统中接收到实时事件信息 , 然后对不同事件进行不同的处理函数 , 如周期性 发送 if

19、 (SAM PLEAPP _SEND_PERI O D I C _MSG _EVT &events Sa m p l e App _SendPeriod ic M essage (; 接收主 控制器的信息 处理事件 if (events&SA M PLE APP_SPI_FROM_ARM _M SG Sa m ple App_SendFlash M essage(DataFro mA r m 7 等。4 结 语随着嵌入式系统的不断发展 , AR M 芯片性价 比不断提高 , 各种控制装置、 仪器设备都朝着高 性能、 智能化方向发展。在数据通信方面 , 由于传统有线式数据采集 与控制方面的固有缺

20、陷 , 无线通信技术日益得到 人们的重视和应用。基于 ZigBee 技术的 CC2430正是满足控制、 监测领域的芯片 , 它具有近距离、 低 复杂度、 低功耗、 低数据传输速率、 低成本的特点。本文设计的基于无线传感器 的嵌入式火灾 报警控制器具有以下特点 :(1 高性能处 理器结合智能 化火灾判断策 略提高了火灾判定的可靠性。(2 无线传感器大量减少布线 , 提高节点移 动性 , 方便系统 的更新、 调整。相 信该火灾报警控制器在未来将具有广泛的应用前景。1 周立功 . ARM 嵌入式系 统基础教程 M .北京 :北京航空航天大学出版社 , 2008.2 李文仲 , 段朝玉 . Z igB

21、ee 无线网络技术入门 与实战M .北京 :北京航空航天大学出版社 , 2007. 3 王瑛 , 卢修文 , 潘云 , 等 . 基于 ZigBee 和 ARM 的嵌入式智能楼宇无线火警系统设计 J.电子元器件 应用 , 2008(7:32 34.收稿日期 :2009-10-30(下转第 8页 冲电表和脉冲水表输出的脉冲计数 , 得到负载的 能耗。电梯子系统通过 VCN M I O 对系统进行监 控 , 动态显示其参数及运行状况。冷水机组子系 统按照楼宇的实 际温湿度情况 , 监控冷却 水、 冷 冻水供回水温度 , 监控冷冻泵、 冷却泵、 冷却塔运 行状态、 故障状态及冷水机组运行工况。空气调

22、节子系统由真实的新风机和空调机组成 , 配套的 VC N M I O 控制器对各种传感器进行参数采集 , 并 控制相应的设备 , 使新风的质量达到要求。防盗 报警子系统通过红外探测 器探测周围防范区域 的安全情况 , 通过幕帘探测器、 门磁探测窗户、 大 门的出入情况 , 对非法闯入实施报警。4 结 语将 Lon W orks 应用到楼宇自 动化实训 室中 , 模拟对大楼内的各种机电 设施进行集中监测控 制和科学管理 , 不仅性价比高 , 而且为学生学习 和教师研发 Lon W orks 技术提供了一个良好的平 台 , 有助 于 Lon W orks 技术 在中国智能建筑行业 的推广和应用。1

23、 Eche lon Corpo ra ti o n . Introduc tion to the Lon W o rks Syst emG .2 王可崇 . 建筑设备自动化系统 M .北京 :人民交通 出版社 , 2003.3 刘春蕾 , 孙勇 , 苟孟然 . 某大厦空调系统的智能化设 计 J.低压电器 , 2009(18:30 33.4 刘康 . 现场 总线技 术在 楼宇 自动 化中 的应 用 J.微计算机信息 , 2007, 23(10 :1.收稿日期 :2010-03-16Application of Lon W orks i n Buil di ng Auto mati on Trai

24、 ni ng R oo mWU L i(Guangdong C onstr uction Vocati o na lTechno logy I nstitute , Guangzhou 510450, ChinaAbstrac t :A progra m to construct a bu ildi ng auto m ation traini ng roo m based on L on W orks techno logy w as put for w ard . A nd i ts feasi b ility w as ana l y zed br iefl y . Besi des ,

25、 t he overa ll hard w are desi gn o f the syste m and its soft w are desi gn w ere expounded . T he resu lt show ed that the pro ject cou l d prov ide a good p l a tfor m fo r st udents eng i neeri ng practice and Lon W o rks techno l ogy research and deve l op m ent of teachers . Itw ou l d he l p

26、promo ti on and applica ti on o f Lon W o rks tech nology i n China intelligent buil ding i ndustry .K ey word s :Lon W ork s technology ; bu il d i ng au to m ati on ; i n telligent node ; K i n g V iew software ; trai n i n g roo m(上接第 4页 D esign of Embedded Fire A l arm i ng Controller Based on W

27、 ireless SensorsH U J i a n, WAN P in, WU Shujin, TAO X ingp ing(Auto m a ti o n Co llege , Guangdong Un i v ersity of Technology , Guang zhou 510006, Ch i n aAbstrac t :T he shortco m i ngs o f trad iti ona l w ired fire a lar m i ng contro ller wh ich conta i ned a 8 b it CPU w ere ana lyzed , and

28、 then a sche m e f o r fire a lar m i ng contro ller wh ich co m bi ned ne w Z i gBee w ire l ess ne t w ork and e m bedded tech nology were propo sed . The hard w are and soft w are of the host contro ller and guest contro ller i n Z i gB ee w ire less net w ork w ere g iven i n deta il as w ell as t he topology and org an i zati on of Z i gBee net wo rk . The embedded fire a lar m i ng contro ller w as proved to have h i gh reli ab ility , easy cabli ng and conven i ent syste m adjust m ent .K ey word s :e mb edded technology ; w ireless sensor ; Z i gB ee p rotoco; l fire a l ar m i ng