基于无线传感器的嵌入式火灾报警控制器设计概要.docx
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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、
8bitCPU火灾报警控制器的缺点,提出了一种融合新型ZigBee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ZigBee网络拓扑及组网的实现。
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:
TP277文献标志码:
B文章编号:
16748417（201006000104
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32bitARM芯片LPC2214为核心的火灾报警主控制器,它能克服8bitCPU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ARM7TDMIS内核,带有256KB嵌入的高速Flash存储器,具有16KB片内SRAM,128bit宽度接口/加速器可实现高达
60MHz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。
（2LCD/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I2C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。
（4ZigBee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ZigBee无线传感器网络。
ZigBee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9~12bit的分辨率,测量温度范围为-55~125#,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6~12m时,1只探测器的保护面积为80m2;当空间高度为6m以下时,其保护面积为60m2。
&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Flash和RAM存储单元、实时时钟、看门狗、USB模块等。
2ZigBee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8051MCU,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、32kHz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MCU、ZigBee射频前端、内存等,使相关硬件设计简洁、紧凑。
2.1ZigBee技术
ZigBee技术是一种基于IEEE802.15.4标准的近距离、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（FullFunctionDevice或RFD（ReducedFunctionDevice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
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一节点信息的查询。
该设计还采用320∋240DPI大屏幕LCD进行显示,从而设计良好的GUI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!
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、GUI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GUI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;基于神经网络判断方案可靠性略高,但实时性欠佳。
3
3.3从机节点软件实现
3.3.1协议栈
TIZStack协议栈是TI公司基于IEEE802.15.4/ZigBee网络协议设计的无线数据传输网络ZigBee标准协议。
其中CC2430完全支持ZStack04、ZStack06协议版本。
在该系统中运用了ZStack06协议,支持网状网络拓扑、动态通道选择、动态分配PANID、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
ZStack06软件包已经完整地设计了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voidosalAddTasks（void函数。
它负责添加任务和任
务的初始化。
该函数如下:
voidosalAddTasks（void
osalTaskAdd（APS_Init,APS_event_loop,OSAL_TASK_PRIORITY_LOW;
osalTaskAdd（ZDApp_Init,ZDApp_event_loop,OSAL_TASK_PRIORITY_LOW;
{osalTaskAdd（Hal_Init,Hal_ProcessEvent,OSAL_TASK_PRIORITY_LOW;
osalTaskAdd（nwk_init,nwk_event_loop,OSAL_TASK_PRIORITY_MED;
osalTaskAdd（SampleApp_Init,SampleApp_ProcessEvent,OSAL_TASK_PRIORITY_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Hal_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uint16SampleApp_ProcessEv
ent（uint8task_id,uint16events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（SAMPLEAPP_SEND_PERIODIC_MSG_EVT&eventsSampleApp_SendPeriodicMessage（;接收主控制器的信息处理事件if（events&SAMPLEAPP_SPI_FROM_ARM_MSGSampleApp_SendFlashMessage（DataFromArm7等。
4结语
随着嵌入式系统的不断发展,ARM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。
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入式智能楼宇无线火警系统设计[J].电子元器件应用,2008（7:
3234.
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VCNMIO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。
空气调节子系统由真实的新风机和空调机组成,配套的VCNMIO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LonWorks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LonWorks技术提供了一个良好的平台,有助于LonWorks技术在中国智能建筑行业
的推广和应用。
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1.
收稿日期:
2010-03-16
ApplicationofLonWorksinBuildingAutomationTrainingRoom
WULi
（GuangdongConstructionVocationalTechnologyInstitute,Guangzhou510450,China
Abstract:
AprogramtoconstructabuildingautomationtrainingroombasedonLonWorkstechnologywasputforward.Anditsfeasibilitywasanalyzedbriefly.Besides,theoverallhardwaredesignofthesystemanditssoftwaredesignwereexpounded.Theresultshowedthattheprojectcouldprovideagoodplatformforstudents∗engineeringpracticeandLonWorkstechnologyresearchanddevelopmentofteachers.ItwouldhelppromotionandapplicationofLonWorkstechnologyinChinaintelligentbuildingindustry.
Keywords:
LonWorkstechnology;buildingautomation;intelligentnode;KingViewsoftware;trainingroom
（上接第4页
DesignofEmbeddedFireAlarmingControllerBasedonWirelessSensors
HUJian,WANPin,WUShujin,TAOXingping
（AutomationCollege,GuangdongUniversityofTechnology,Guangzhou510006,China
Abstract:
Theshortcomingsoftraditionalwiredfirealarmingcontrollerwhichcontaineda8bitCPUwereanalyzed,andthenaschemeforfirealarmingcontrollerwhichcombinednewZigBeewirelessnetworkandembeddedtechnologywereproposed.ThehardwareandsoftwareofthehostcontrollerandguestcontrollerinZigBeewirelessnetworkweregivenindetailaswellasthetopologyandorganizationofZigBeenetwork.Theembeddedfirealarmingcontrollerwasprovedtohavehighreliability,easycablingandconvenientsystemadjustment.
Keywords:
embeddedtechnology;wirelesssensor;ZigBeeprotoco;lfirealarming
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