基于ZigBee的船艇消防安全監(jiān)測系統(tǒng)研究
我國是一個海洋大國，海洋面積為陸地面積的三分之一，各類船艇在國防、國民經(jīng)濟和海洋開發(fā)等方面都占有十分重要的地位。船艇的基本部分為船體，其內(nèi)部有工作艙、生活艙、貯藏艙、儀器設備艙等各種用途的艙室。由于船艇艙室多為狹小的半封閉式空間，艙內(nèi)消防安全監(jiān)測尤為重要。
傳統(tǒng)的船艇艙室消防安全監(jiān)測系統(tǒng)一般采用有線監(jiān)控的方式，火災探測器直接通過硬線與控制器連接。有線監(jiān)測系統(tǒng)造價高、布線復雜、擴展性差、設備后期維修困難。目前，無線傳感器網(wǎng)絡已經(jīng)在各種環(huán)境條件的監(jiān)控系統(tǒng)中得到了廣泛的應用，船艇艙室的監(jiān)測系統(tǒng)使用無線傳感器網(wǎng)絡，不會出現(xiàn)傳統(tǒng)布線方法帶來的種種不便。由于消防安全為長期的連續(xù)監(jiān)測，使用ZigBee這種安裝簡單、能量消耗小的短距離無線通信技術(shù)十分適合。本文提出了一種基于ZigBee技術(shù)的船艇消防安全監(jiān)測系統(tǒng)的設計方案，在成本低、易于實現(xiàn)的前提下實現(xiàn)對船艇各個艙室內(nèi)部的消防安全監(jiān)測。
1．ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡
1．1 ZigBee技術(shù)簡介
ZigBee是一種低復雜度、低成本、低功耗、低速率的短距離雙向無線通信新技術(shù)，是建立在IEEE 802．15．4定義的可靠的物理層(PHY)和媒體訪問層(MAC)之上的標準。IEEE 802．15．4定義了兩類設備類型：精簡功能設備(RFI))和全功能設備(FFD)。在ZigBee系統(tǒng)中，這兩類設備指的是物理設備類型。在ZigBee網(wǎng)絡中，一個節(jié)點可以有三種角色：ZigBee協(xié)調(diào)器、ZigBee路由器和ZigBee終端設備。ZigBee技術(shù)可實現(xiàn)的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)有三種：星形、樹形、網(wǎng)狀，如圖1所示。
1．2 ZigBee技術(shù)特點
相對于傳統(tǒng)的無線電、微波、藍牙、射頻等各種無線通信方式，ZigBee技術(shù)是最低功耗和最低成本的技術(shù)。ZigBee技術(shù)主要有以下特點：
(1)功耗低，在低功耗模式下，2節(jié)普通5號電池使用時間為6～24個月。
(2)設備成本低，協(xié)議簡單，協(xié)議免專利費，搭建平臺的成本較低，適合廣泛使用。
(3)網(wǎng)絡容量大，可容納最多65 000個設備。
(4)網(wǎng)絡的自組織、自愈能力強，通信可靠。
2 船艇艙室消防安全監(jiān)測系統(tǒng)
2．1 系統(tǒng)設計方案
船艇消防安全監(jiān)測系統(tǒng)探測火災發(fā)生的原理是檢測火災發(fā)生前后的煙濃度、溫度和光這三個物理參數(shù)的變化，利用分布在艙室待測區(qū)域內(nèi)的傳感器節(jié)點采集這些環(huán)境參數(shù)。
船艇消防安全監(jiān)測系統(tǒng)設計由硬件電路設計和系統(tǒng)軟件設計兩部分組成。使用ZigBee技術(shù)通過控制器和若干個傳感器節(jié)點，搭建一個無線通信網(wǎng)絡。多個傳感器節(jié)點置于船艇各艙室內(nèi)，通過傳感器采集煙濃度、濕度、光強數(shù)據(jù)，將采集結(jié)果通過無線通信的方式發(fā)送到路由器節(jié)點，然后路由器節(jié)點再將數(shù)據(jù)以無線通信的方式發(fā)送到協(xié)調(diào)器節(jié)點。協(xié)調(diào)器節(jié)點將收集的多個數(shù)據(jù)進行分析處理后，顯示在LCD顯示屏上，同時也可通過串口將采集信息傳輸至PC機。系統(tǒng)設計主要結(jié)構(gòu)如圖2所示。
2．2 功能模塊設計
系統(tǒng)選用的ZigBee設備為基于Jennic公司的JN5139 ZigBee解決方案，它提供了完整的ZigBee協(xié)議棧、軟件編輯、編譯／鏈接、調(diào)試、下載等工具。JN5139芯片是英國Jennic公司推出的高性能、低功耗的一系列無線芯片，該系列芯片天線的靈敏度高、功耗低、通訊距離遠，為ZigBee技術(shù)提供了良好的解決方案。系統(tǒng)節(jié)點框圖如圖3所示。
ZigBee網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器模塊設備板載UART接口用于和嵌入式主板或PC連接，可進行數(shù)據(jù)傳輸及軟件下載或調(diào)試。作為網(wǎng)絡協(xié)調(diào)者，負責管理整個ZigBee網(wǎng)絡的組建和維護。傳感器節(jié)點／路由模塊設備采用2節(jié)5號電池供電，提供模擬傳感器和數(shù)字傳感器擴展接口，用于連接煙濃度、溫度、光強度傳感器。作為路由節(jié)點或終端節(jié)點，其自身可采集數(shù)據(jù)，并可轉(zhuǎn)發(fā)其他節(jié)點的數(shù)據(jù)包。
2．3 系統(tǒng)軟件設計
軟件平臺同樣使用Jennic公司所提供的代碼編輯和編譯環(huán)境Jennic CodeBlocks。CodeBlocks是一款開源的C／C++開發(fā)工具，Jennic基于這個工具對其進行擴展形成了自己的開發(fā)平臺。Jennic Flash Programmer程序用來將CodeBlocks中編譯好的代碼下載到控制器板或傳感器板中。
系統(tǒng)的軟件設計包括網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器節(jié)點和傳感器節(jié)點的設計。網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器節(jié)點在初始化過程中找到合適的信道，建立一個網(wǎng)絡，循環(huán)檢測傳感器節(jié)點的綁定請求。當傳感器節(jié)點加入網(wǎng)絡后，便可進行數(shù)據(jù)的傳輸。傳感器節(jié)點的軟件流程圖如圖4所示。該程序的主要作用就是將傳感器節(jié)點加入網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器節(jié)點建立的無線網(wǎng)絡，實時讀取傳感器測得的環(huán)一境參數(shù)數(shù)據(jù)，并周期性地將這些數(shù)據(jù)發(fā)送給網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器節(jié)點。
3 結(jié)語
提出了一種以JN5139模塊為核心，基于ZigBee的船艇消防安全監(jiān)測系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)方法。將ZigBee這種低功耗、高可靠性、可擴展性強的無線網(wǎng)絡應用在消防安全監(jiān)測，避免了各種現(xiàn)場布線，加強了系統(tǒng)的靈活性和可靠性，提高了船艇消防安全監(jiān)測能力，更好地避免船艇火災的發(fā)生。
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