基于ZigBee的烟雾温度传感系统设计Word文件下载.doc

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二〇一三年六月八日

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摘要

无线传感技术如雨后春笋般日益成熟，其具有成本低、能耗小、无需布线、相互之间没有电气干扰等优点，极大的迎合了公众的节能，使用方便的需求心理。

本文设计了一种基于ZigBee技术的烟雾温度传感系统，主要有两部分组成：

数据采集系统（无线终端下位机）和数据接收系统（上位机），上位机和下位机呈现一对多的关系。

采用CC2430模块通过ZigBee协议实现上位机和下位机数据的无线收发功能。

本文根据课题设计任务的要求，完成了烟雾传感器、温度传感器、液晶显示、射频收发模块的选型，设计了由电源模块、传感器模块、数据无线传输模块、串口模块等构成系统的相关电路，制定了数据无线传输通讯协议，编制了相关程序，并进行了相关的实验调试。

此无线传感系统性价比较高，适应能力强，复杂度低，极大的提高系统可靠性、灵活性和检测范围，降低系统的成本，具有较好的应用前景。

关键词：

ZigBee；

无线传感系统；

下位机；

射频收发模块；

通讯协议

ABSTRACT

Wirelesssensingtechnologyhavesprungupdaybydaymature.Ithaslowcost,lowenergyconsumption,nowiring,andtheadvantagesofnoelectricalinterferencebetweeneachother,cateringtotheenergysavingofthepublic,convenienttousethepsychologicaldemand.ThispaperdesignedakindofsmoketemperaturesensingsystembasedonZigBeetechnology.Therearetwomajorparts:

thedataacquisitionsystem（wirelessterminalsunderamachine）anddatareceivingsystem（PC）.Uppermachineandlowermachinepresentsaone-to-manyrelationship.UsingCC2430modulethroughtheZigBeeprotocolimplementationofuppermachineandlowermachinedataradiotransceiverfunctions.Inthispaper,accordingtotherequirementsofprojectdesign,completedthesmokesensor,temperaturesensor,LCDdisplay,rftransceivermoduleselection,designincludingpowersupplymodule,sensormodule,wirelessdatatransmissionmodule,serialportmodulecompositionsystemsuchastherelevantcircuit,establisheddatawirelesscommunicationprotocol,compiledtherelevantprocedures,andhascarriedontherelatedexperimentaldebugging.Thewirelesssensorsystem,highcostperformance,strongadaptability,lowcomplexity,greatlyincreasethesystemreliability,flexibilityandrangeofdetection,lowerthecostofthesystem,hasgoodapplicationprospect.

Keywords：

Wirelesssensorsystems;

Sensormodule;

RFtransceivermodule;

Communicationprotocol

目录

摘要 I

ABSTRACT II

1课题背景及意义 1

1.1课题背景及研究现状 1

1.2研究目的和意义 2

2系统总体设计方案 3

2.1ZigBee协议规范研究及分析 3

2.1.1ZigBee网络拓扑结构 3

2.1.2ZigBee数据传输机制 3

2.1.3ZigBee节能技术探讨 4

2.2方案选择 5

2.3系统整体设计 5

2.4芯片选择 6

2.4.1无线射频模块 6

2.4.2单总线温度传感器DS18B20 7

2.4.3气敏传感器MQ-2 7

2.4.4液晶显示模块 7

2.5系统硬件结构 7

3无线传感系统的硬件设计 9

3.1无线传输模块的电路设计 9

3.2温度采集电路设计 13

3.3烟雾采集电路设计 14

3.4声光报警电路设计 14

3.5液晶显示电路设计 15

3.6远红外遥感电路设计 16

3.7串口电路设计 17

3.8整机电路图 17

4系统软件设计 18

4.1终端测量节点加入无线网络 18

4.2终端节点信号采集 19

4.3数据传送 20

4.4系统主流程 21

5系统性能调试 23

5.1终端实验板 23

5.2上位机界面 23

6抗干扰设计 26

6.1存在的干扰表现 26

6.2抑制干扰的措施 26

结论 27

参考文献 28

致谢 30

附录A 31

附录B 33

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1课题背景及意义

1.1课题背景及研究现状

建筑物内的安防问题一直是关系社会环境安定和人身安全的重大问题。

由于现代化的城市布局不断扩大，城市人口拥挤，各种电器设备在使用过程中可能出现可燃气体泄露、短路、负载过大等不安全的因素，所以建筑物内具有火灾隐患，据官方统计火灾的发生率呈上升趋势[1]。

目前火灾体现出复杂化、立体化、扩展快的特点，对公众的生命和财产造成极严重的威胁和损失。

为保障公众的生命财产安全，相关当局除了要加强宣传消防教育，提高公众消防意识，加强公共消防设施建设，建立消防安全长效管理机制以外，还需要从科学技术上强调创新，消防设施注重更新换代，从而形成一个有效的消防监控系统，便于时刻监控建筑物内的情况，达到防灾减灾的作用。

当监控系统监测到异常情况时，系统会自动发出报警信号,便于工作人员及时采取应对措施，最大程度的减少灾难带来的损失[1]。

然而目前市场上涌现的监控系统多采用有线通信，系统成本较高，布线繁琐，系统扩展性能差，线路老化快，抗干扰能力差，因此有线传感系统故障率和误报警率较高[2]。

将智能的无线传感报警系统应用于消防领域，进行建筑物内的环境监测[3]和救援人员车辆的定位追踪[4]，将大大地改善传统有线火灾自动报警系统的弊端，而且人性化的智能无线传感系统克服了有线通信的很多弊端，使用方便，便于维修保养[5]。

目前ZigBee技术应用较广，其技术相对成熟，将ZigBee技术融入到无线通信技术中，使其各种设备和主控系统都能够在功耗极低的状态下运行，这使得整个系统的运行成本得到有效的降低[6]。

目前国外最大的无线报警系统的生产厂家是美国松柏公司（ITI公司），该系统既可作为火灾报警[2]，也可作为保安系统，两者兼用，是一种高科技的无线安保系统。

现在各种不同的无线通信技术正迅猛发展，从先前的广域网（Internet、GSM/GPRS/3G）到后来的基于IEEE802.11系列的无线局域网（WLAN：

WirelessAreaNet）、基于蓝牙的无线个域网（WPAN：

WirelessPersonalAreaNet），再到后来的基于ZigBee的低速无线个域网（LR-WPAN：

LowRate-WPAN）等[1][2]。

国内市场上也已经推出了多种无线通信传感系统，例如基于蓝牙技术的无线火灾自动报警系统[7]、基于ZigBee的家居安防系统的设计[8]、基于ZigBee和以太网的大学生宿舍防火防盗监控系统[9]等。

ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术，主要适合于自动控制和远程控制领域，可以嵌入到各种设备中，同时支持地理定位功能。

随着技术的发展，可将多种探测技术进行综合，将现有分布智能式有线报警系统与ZigBee无线技术相结合，建设新型分布智能型复合探测无线消防报警系统。

本文将设计一种基于ZigBee技术的烟雾温度传感系统，此系统性价比较高，可以提高系统的可靠性、灵活性和检测范围，降低系统的成本。

本系统主要有两部分组成：

数据采集系统（无线终端下位机）和数据接收系统（上位机）。

上位机和下位机呈现一对多的关系。

1.2研究目的和意义

鉴于市场上现有的火灾报警系统的缺陷，本设计采用TI公司的ZigBee协议栈，设计一款无线传感系统，不仅可以取代传统的有线传感系统，降低整个监测系统的复杂度，关键是无线传感系统在很大程度上提高了系统的可靠性和稳定性，实现了火灾预警和报警的高速反应和快速动作功能，极大的符合现今要求的节能观念潮流[4]，社会受众率高。

本系统在低耗待机模式下，2节5号干电池可供1个节点工作6--24个月，甚至更长时间，而若给蓝牙供电仅能工作数周、WiFi仅仅工作数小时。

火灾报警的节点穿墙安装方便，无线布线，大大降低了施工成本，特别是适用于古建筑、旧楼宇加装智能消防系统，为火灾报警系统的推广和普及提供了极大的市场前景[8]。

近年来基于ZigBee技术的烟雾温度传感系统应用场合越来越广，可以实时监测现场信息，以便用来做好对意外情况的预防并制定及时的解决方案，是一种功能完善，适应能力强，应用广的监测装置。

2系统总体设计方案

本设计采用融入ZigBee的无线传输技术，设计火灾报警安防系统，其主要功能是传感器能够检测建筑物内的烟雾浓度和温度，然后将采集到的信号经过无线传感系统发送到CC2430芯片内部集成的8051内核，内部微处理器作出相应的判断和处理，处理后的信号再由无线发射模块传送至上位机，上位机显示各个传感器组上采集到的信息，若烟雾浓度或者温度超过系统设定的阈值，CC2430芯片内部集成的8051内核将驱动声光报警控制器