摘  要： 結合校園防火報警需要，設計了基于ZigBee技術的無線校園防火報警系統。該系統以意法半導體公司推出的STM32系列ARM控制器、TI公司的CC2420無線射頻芯片為核心，對無線傳感器網絡中的終端節點、路由器節點、協調器節點的硬件和軟件進行了模塊化設計。傳感器節點以溫度、煙霧和CO濃度為實現監測對象，判斷是否有火災隱患，從而實現校園防火報警系統的無線網絡化。
關鍵詞： STM32；ZigBee；無線；火災報警

　目前校園安防監控系統大多是基于有線通信，這就使得一些不便于布線的區域成為了安防監控的盲區，而有線連接方式可擴展性較差，維護困難，相對成本較高。
    基于上述原因，本文提出了基于新一代STM32嵌入式微處理器和ZigBee技術的無線智能型校園安防監控系統。利用ZigBee無線傳感器網絡，配合各種傳感器的使用，可以對校園實行全方位、多角度實時監控。當校園內有火災等安全事故發生時，便可以快速通知管理人員及時進行處理，從而極大地保證了學校師生的生命財產安全。
1 系統總體架構設計
    本監控系統節點數量有限，節點位置較為固定，采用樹形網絡拓撲。整個網絡由三部分組成，包括ZigBee終端設備、路由器、網絡協調器，ZigBee終端設備負責收集探測器探測到的報警信息，并將報警信息以ZigBee無線通信方式發送到終端設備的路由器(即父設備)，再由路由器轉發到網絡協調器。基于ZigBee技術的智能型火災報警系統提高了管理系統中數據的可靠性，對每個終端節點所監控的區域內發生的火災險情能及時判斷并通過無線網絡通知管理人員。系統整體架構如圖1所示。

2 無線火災報警系統的節點硬件設計
2.1 微處理器（MCU）控制模塊
    在本系統中，采用意法半導體公司(ST)推出的STM32系列微控制芯片STM32F103R8為主控制器。STM32系列32 bit閃存微控制器使用ARM公司專為嵌入式領域開發的具有突破性的Cortex-M3內核。該內核專為滿足集高性能、低功耗、實時應用于一體的嵌入式領域的要求而設計，具有高性能、低功耗、實時性等特點。STM32提供睡眠、停機和待機三種低功耗省電模式和靈活的時鐘控制機制，用戶可根據自己的需求合理地優化耗電和性能要求。STM32F103R8屬于增強型系列芯片，主頻率為72 MHz，高達90 DMIPS，1.25 DMIPS/MHz，內置128 KB高速閃存程序存儲器和20 KB的SRAM，通過APB總線連接豐富和增強的外設以及多達80個的高速I/O口。
2.2 ZigBee無線射頻傳輸模塊
    CC2420是Chipcon公司推出的第一款真正意義上符合2.4 GHz IEEE802.15.4協議規范，廣泛應用于無線網絡中的低功耗、低電壓的射頻收發芯片，只需極少外部元器件，性能穩定且功耗極低。CC2420的選擇性和敏感性指數超過了IEEE802.15.4標準的要求，可確保短距離通信的有效性和可靠性。CC2420為工作于2.4 GHz免授權頻段的無線通信提供了一個低成本的完整解決方案。
    無線射頻模塊以射頻模式接收和發送數據。CC2420通過SPI接口與主微控制器（MCU）交換數據、發送命令等通信， 由于STM32F103系列芯片一般都集成了SPI控制器，因此CC2420射頻模塊可以很方便地通過SPI總線接口與處理器STM32直接連接并進行數據通信。
    CC2420與微處理器STM32F103R8的接口連接如圖2所示，CC2420通過SPI 4條線接口（CSn、SI、SO、SCK）直接連接到STM32F103R8的４個SPI通信接口，負責數據通信；另外，還有SFD、FIFO、FIFOP和CCA 4個引腳與微處理器STM32F103R8連接，負責表示收發數據的狀態。在這種連接方式中，STM32工作在SPI主模式下；而CC2420射頻模塊工作在子模式下，由處理器STM32控制進行有效的數據收發工作。

2.3 傳感器模塊
    隨著微處理器技術、傳感器技術和信號處理技術的快速發展，火災自動探測技術已從單一傳感器探測向著多傳感器融合的方向發展，火災探測預警的可靠性也隨之大幅度提高。目前多傳感器融合火災探測技術主要選用光電感煙、感溫和感CO傳感器組合形式。采用多傳感器的優點在于使探測器能夠提高對火災特征信號響應的靈敏度和均衡度，進而提高探測的質量和可靠性。
    在本系統設計中，也采用了三層多傳感器復合探測方案，選用煙霧傳感器、CO濃度傳感器和溫度傳感器，將煙霧濃度、CO濃度和溫度作為火災探測信號。
    考慮到一般的煙霧傳感器價格相對較高，這里使用的煙霧傳感器由價格低廉的OP231、OP801SL紅外發射、接收光電二極管組成，按照75 ℃安裝在內壁為黑色粗糙面的迷宮型集煙盒內，利用火災發生時產生的煙霧微粒對光的散射作用，在一定的煙霧濃度范圍內，散射光的強度與煙霧的濃度成比例，而這種漫散射的光將使光電二極管的阻抗發生變化，這樣便可以將煙霧信號轉變為電信號，以供傳感器節點采集。DS18B20采用1-Wire總線協議方式，在-55～+125 ℃時的測量精度為±0.5 ℃，測量結果可選用11 bit串行數據輸出。而CO傳感器選擇TGS系列半導體式氣體傳感器TGS2442，其特點是低功耗、對CO的靈敏度高、壽命長、成本低、對濕度的依賴性低、工作于極短的脈沖加熱方式。
2.4 ZigBee節點硬件總體結構設計
    結合本火災報警系統中數據融合技術對ZigBee節點數據處理能力和內存的要求，本設計采用基于意法半導體公司(ST)推出的STM32系列微控制芯片STM32F103+CC2420的方案。
    系統中有ZigBee終端設備節點、ZigBee路由器節點和ZigBee網絡協調器節點三種節點。從硬件角度看，三者的核心部件都是STM32F103+CC2420、天線、電源，這也是ZigBee設備可以工作的最簡系統。基于其硬件結構上的異同點，在設計和組裝時根據不同的節點用途對部分單元電路作相應取舍。例如路由器節點和終端節點采用電池供電方式，并且不必有串口擴展電路； 而協調器采用交流電源供電方式，不必有傳感器單片機（無需采集數據），但必須有串口擴展電路以實現與上位機通信。
    除此以外，協調器還有與火災報警控制器通信用的串口及作實時顯示之用的LCD;路由器還有顯示狀態用的指示燈;終端傳感器節點有顯示節點狀態用的狀態指示燈以及溫度傳感器。二者電路均不復雜，都是基本系統加上少量外圍擴展電路。為了節約成本，只制作一種集成了所有的外圍電路的電路板，留出所需外擴電路接口，這樣便可在制作正式產品時外接使用所需的不同外圍電路。本系統所設計的ZigBee節點硬件總體架構如圖3所示。

3 系統軟件總體設計
3.1 ZigBee無線網絡節點軟件設計

    本系統所用的開發環境是IAR7.20 ，移植了TI公司的Z-Stack協議棧。Z-Stack可以通過IAR開發環境進行編譯下載。
    校園火災報警系統終端節點的軟件流程如圖4（a）所示。終端節點主要實現現場數據的采集，經過簡單的融合處理后，便向上發送至其父節點，最終數據會匯聚到協調器。同時終端節點也會接收協調器節點發來的監控命令:例如開始采集數據或停止、更新數據采集周期等。由于終端節點能量受限，所以采用輪詢的工作方式，每N秒輪詢一次，每M秒采集一次數據，其余時間則處于休眠狀態。

    路由器節點的設計可以看做是在終端節點的功能基礎上再加上路由功能。由于相鄰節點采集到的數據具有很強的相似性，路由器節點往往還需要做簡單數據融合，以降低發往協調器的數據量。其軟件流程如圖4（b）所示。
    協調器節點的處理能力、存儲能力和通信能力相對較強，主要功能是對ZigBee無線網絡中的各個子節點進行管理，將上位機監控中心下達的監控信息通過ZigBee網絡發送到需要測控的子節點，同時接收各個子節點發來的狀態、采集數據等信息，將數據在LCD上顯示，并通過串口上傳至監控中心主機進行數據處理和保存。
3.2 系統上位機監控中心應用軟件
    系統上位機軟件采用先進的虛擬儀器技術LabVIEW軟件設計了系統的可視化報警監控操作界面，實現了在線動態數據采集、分析、存儲以及實時顯示等功能,界面優美，操作簡單，使用方便。系統主要由上/下位機通信模塊、火警信息處理模塊、傳感器節點查詢/管理模塊、操作人員系統控制管理模塊、歷史數據查詢模塊等構成，其功能框圖如圖5所示。

    綜上所述，本系統采用ST公司推出的新一代基于ARM Cortex-M3內核的STM32系列處理器作為主控制器（MCU），同時在原有有線監控報警系統的基礎上，引入了ZigBee無線傳感組網技術，實現了校園火災事故的無線實時監控。相比傳統的有線傳感器火災報警系統，本文設計的基于ZigBee技術的無線傳感器網絡克服了有線傳感器網絡的局限性，既避免了其他無線通信技術的高功耗的缺點，同時也降低了系統布線成本、安裝和維護難度，具有廣泛的前景和推廣價值 ，可廣泛應用于校園、醫院等場所的火災監控報警中。
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