基于Zigbee的火灾报警系统的设计.docx
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基于Zigbee的火灾报警系统的设计
毕业设计（论文）诚信声明
本人郑重声明：
所呈交的毕业设计（论文）是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
就我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表和撰写的研究成果，也不包含为获得华东交通大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。
如在文中涉及抄袭或剽窃行为，本人愿承担由此而造成的一切后果及责任。
本人签名____________
导师签名__________
年月日
本科毕业设计（论文）开题报告
课题名称：
基于ZigBee的灾报警系统设计
学院（系）：
年级专业：
学生姓名：
指导教师：
完成日期：
一、综述本课题国内外研究动态，说明选题的依据和意义
随着经济的进展，高层建筑、地下建筑和大型综合性建筑日趋增多,火灾隐患也随之增加,火灾发生的数量及其造成的损失都呈逐年上升趋势。
因此，有效的火灾报警系统成为爱惜人身生命财产平安的重要设施。
从火灾报警系统的进展进程来看[1]，大致能够分成三个时期：
多线性火灾报警系统，总线型火灾报警系统[2]和无线型火灾报警系统[3-4]。
多线性报警系统由于电路复杂、布线多、靠得住性差，已经慢慢被总线型报警系统取代，这种自动报警系统己采纳微处置器操纵，通过总线与操纵器实现信号传送，它同以前的产品相较有了专门大的飞跃，布线工作显著减少，安装调试变得容易，降低了安装和维修费用，目前国内生产的火灾自动报警系统大多数为此类产品[5]。
但随着社会的进展，这一系统已慢慢暴露出它的问题。
由于采纳了有线连接，线路容易老化或受到侵蚀、磨损，系统耗材多、造价高、功耗大、扩展能力差、设计、施工与保护复杂[6]。
在火灾发生前后不能有效地发挥其作用。
解决这些问题的最正确方式确实是取消硬线连接，利用能够即插即用的无线系统。
国际上许多闻名的大学和公司纷纷从不同的层次、不同的角度对无线传感器网络进行了研究和开发。
目前，国外在无线传感器网络方面的研究已经取得了一些踊跃的研究功效，他们已经成功地开发了全功能传感器。
极少数企业已经开始利用无线传感器网络技术[7]。
可是目前国外的类似产品，主若是作为楼宇自控系统的附属子系统，不符合我国有关火灾报警必需自成系统的设计原那么，因此国外目前的无线火灾自动报警系统在我国消防消防领域的应用受到了限制。
要紧的无线网络技术有蓝牙技术[8]、红外线技术、Wi-Fi技术、ZigBee技术等，这些技术各有优缺点[9]。
火灾报警系统除要求具有较好的靠得住性，稳固性和实时性外，咱们还希望火灾报警器的本钱较低，方便咱们大规模地在楼宇内布置节点，但蓝牙技术集成复杂，本钱高，红外线技术只能在两种设备之间连接，Wi-Fi技术功耗大，都不适用于火灾报警。
而ZigBee技术由于低功耗，低本钱，组网能力强，成为火灾报警系统的最正确选择。
在国内，关于无线传感器网络的火灾报警系统的研究主若是在许多大学的研究所进行的，由于研究的目的不同，而所釆取的硬件设计平台也不近相同。
这些研究要紧集中于网络体系结构、能量治理、路由算法及通信协议等，例如，基于ZigBee的无线楼宇火灾监测网络设计，基于ZigBee的智能火灾报警系统设计等。
随着ZigBee技术慢慢成熟，国内多家单位将基于ZigBee的无线传感器网络应用于环境监测、煤矿平安、远程抄表、智能家居等领域开展了研究，从理论和实践上取得了冲破，火灾报警系统无线化的时期即将到来。
二、研究的大体内容，拟解决的要紧问题
ZigBee作为一种低功耗、低本钱、高靠得住性的无线通信技术，是超级理想的选择[10-11]。
而最近几年来各国学术界在无线传感器理论研究和实践中所积存的理论和体会，为咱们搭建基于ZigBee的无线火灾报警系统提供了重要的技术支撑。
1、本系统是基于ZigBee技术的无线火灾报警系统[12-15]，系统一改传统火灾自动报警系统的总线结构，采纳ZigBee网状结构网络进行数据传输。
解决了传统火灾自动报警系统布线难、后期保护复杂、误报率高、一些特殊场合不适用等一系列问题。
2、系统的整体设计。
本系统分为三个模块：
传感器模块、无线传输模块，上位机模块，传感器模块用于探测各个区域的温度、湿度、烟雾情形，通过无线传输模块送到上位机系统，完成对环境中温度、湿度及烟雾的测量。
3、系统的监控。
本系统采纳相应上位机软件，用于操作人员进行全网监控。
系统完成对环境温度、湿度及烟雾气体检测，某项值超标即动身报警，同时实时记录报警信息。
4、系统的软硬件设计。
系统采纳CC2530单片机，作为无线传输模块，DHT11温湿度传感器，QM-2型烟雾传感器制作传感器模块，并设计PCB电路板。
软件方面采纳TI公司的Z-Stake协议栈，进行C语言编程。
三、研究步骤、方式及方法
1、对ZigBee技术进行深切的了解：
了解无线网络技术，ZigBee协议栈结构，网络配置和拓扑结构。
2、确信系统整体设计方案：
系统设计原那么，系统软硬件设计方案，系统的功能。
3、系统硬件设计及分析：
本系统采纳CC2530芯片，作为无线传输模块，其中QM-2型烟雾传感器[16]，DHT11温度湿度传感器，作为传感器模块。
4、系统软件设计及分析：
CC2530采纳IAREmbeddedWorkbench进行C语言编程，用protel99se软件进行传感器模块PCB板的制作，用Labview软件进行上位机系统的设计。
四、研究工作进度
1-4周，查阅ZigBee技术的相关书籍和文献，选择所需的芯片型号和所需的传感器型号，确信整体的设计方案。
5-8周，CC2530单片机的调试，实现CC2530的大体无线传输功能，protel99se软件的学习，简单PCB板的的制作。
9-12周，进行无线传输模块和传感器模块的调试，实现简单地温湿度无线传输。
13-16周，学习Labview软件，设计人机界面，实现火灾报警系统的监控。
17周，撰写论文，预备答辩。
五、要紧参考文献
1施承,宋铁成.基于Zigbee协议的无线传感器网络节点的制作.广东通信技术,2006,
（1）:
10~12
2潘倩姿,钱学荣.CAN总线协议的分析及其应用技术的研究.今日科苑,2020,（06）:
192~19
3瞿雷.一种新的无线网络通信技术ZigBee.单片机与嵌入式系统应用,2006,（01）:
12~14
4赵娜.无线火灾报警操纵器的研制,硕士学位论文.哈尔滨工业大学,2006,6:
3~4
5张泽.中国消防产业进展调研报告（2020年）.中国科学技术出社,2020:
60~61
6刘胜福,刘和平.基于ZIGBEE的散布式智能复合探测无线消防报警系统.自动化技术与应用,2020,27（7）:
67~70
7汤文亮,曾祥元,曹义亲.基于ZigBee无线传感器网络的丛林火灾监测系统.实验室研究与探讨,2020,29（6）:
49~53.
8李卓.蓝牙技术在火灾自动报警系统中的应用探讨.消防设备研究,2005,24（03）:
64~65
9徐汉文.近距离无线技术的介绍和对照.数字社区&智能家居.
2020,1:
33~36
10SinemCorelisummary.Sep102004:
2~3
11高守伟,吴灿阳.ZigBee技术实践教程.北京航空航天大学出版社,
12黄建华.基于ZigBee2006的无线传感器网络设计与实现.西安电子科技大学,2020,6
13AndreasVlissidis,StavrosCharakopoulos,EmmamouilofaplatformbasedonwirelesssensorsetwoekandZigBeeprotocolfortheeasydetectionoftheforestire.AdvancesinIntelligentandSoftComputing,2020:
391~399.
14Wangguozhu,ZhangJunquo,LiWenbin,etc.AforestfiremonitoringsystemonGPRSandZigBeewirelesssensornetwork.Proceedingsofthe20205thIEEEConferenceonIndustrialElectronicesandApplicationsJCIEA,2020:
1859~1862.
15吴凤泉,李杰.胡德双.基于ZigBee的楼宇火灾报警系统的设计.微运算机信息,2020,25（7）:
42~44.
16济南联诚创发科技.烟雾传感器MQ-2规格书,2020
华东交通大学毕业设计（论文）任务书
姓名
学号
毕业届别
应届
专业
软件工程+
电气工程及其自动化
毕业设计（论文）题目
基于Zigbee无线网络的火灾监控系统的设计
指导教师
学历
硕士
职称
讲师
具体要求：
1．设计内容
无线网络的火灾监控技术是为了适应现代安居工程的需求，开发的一套专用检测装置，该装置拟采用CC2340处理器，作为主控CPU芯片（其内置了标准的TI公司标准的8051单片机内核和Zigbee协议栈），利用各传感器，来完成火灾监控终端设计；用VisualC++编写上位机数据采集和显示图形界面。
（1）利用CC2340做主CPU完成进行各种数据采集和无线网络的建立。
（2）利用烟雾传感器和温度传感器来检测火灾监控参数，并完成相关硬件电路设计。
（3）编写接系统软件并进行调试。
（4）编写上位机数据采集和显示图形界面
2.设计的基本要求
（1）掌握DSP硬件开发、相关传感器的工作原理和PROTEL的使用，并完成相应的硬件电路。
（2）能熟练使用IAR开发环境，并熟练应用C语言编程，完成系统软件开发。
（3）完成毕业设计说明书一份。
（4）完成软件设计，提交主要源程序、使用说明书、软件的软盘或光盘。
3．应收集的资料及主要参考文献
[1]Zigbee2006无线网络与无线定位实战／李文仲,段朝玉等编著.北航出版社,
[2]Zigbee技术基础及案例分析／金纯,罗祖秋,罗凤著.--北京:
国防工业出版社,2007[3]IEEERFTransceiver
进度安排：
设计各阶段名称
日期
%
1
掌握IAR软件的使用，了解结构,了解Zigbee协议栈知识
1月16日～3月中旬
15
2
查阅数据采集系统的资料，掌握Zigbee协议编程方法，熟悉VisualC++软件编程。
3月中旬～4月1日
10
3
硬件开发平台的设计和软件编程及调试
4月1日～5月10日
15
4
毕业设计写作、答辩
5月10日～6月10日
10
5
英文资料翻译
设计期间自行安排
指导教师签字：
年月日
教研室意见：
教研室主任签字：
年月日
题目发出日期
设计（论文）起止时间
～
附注：
华东交通大学毕业设计（论文）开题报告书
课题名称
基于Zigbee无线网络火灾监控系统的设计
课题来源
真实课题
课题类型
理论研究
导师
学生姓名
学号
专业
软件工程+电气工程及其自动化
开题报告内容
一、简述设计背景和意义：
Zigbee是一种成熟的短距离、低速率、低功耗无线网络技术。
它此前被称作“HomeRFLite”或“FireFly”无线技术，主要用于近距离无线通信。
它有自己的无线电标准，在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。
这些传感器只需要很低的功耗，以接力的方式通过无线电波将数据从一个节点传到另一个节点，然后，这些数据进入计算机用于分析或者被另外一种无线技术（如WiMax）收集，因此它们的通信效率非常高。
Zigbee联盟成立于2001年8月。
到目前为止，除了Invensys、三菱电子、摩托罗拉、三星和飞利浦等国际知名的大公司外，该联盟大约已有百余家成员企业，并在迅速发展壮大。
其中涵盖了半导体生产商、IP服务提供商、消费类电子厂商及OEM商等，例如Honeywell、Eaton和InvensysMeteringSystems等工业控制和家用自动化公司，甚至还有像Mattel之类的玩具公司。
所有这些公司都参加了负责开发Zigbee物理和媒体控制层技术标准的工作组。
在工业、农业、车载电子系统、家用网络、医疗传感器和伺服执行机构等领域，对于无线网络的要求与民用场合有很大区别。
它通常对数据吞吐量的要求很低，功率消耗要低。
此外，简单方便、可以随意使用的无线装置大量涌现，需要布置大量的无线接入点，而低廉的价格将起着关键作用。
所以Zigbee标准要解决的问题是设计一个维持最小流量的通信链路和低复杂度的无线收发信机。
要考虑的核心问题是低功耗和低价格的设计，这就要求该标准应提供低带宽、低数据传输率的应用。
在21世纪无线传感器网络有着巨大的应用前景，包括军事侦察.环境监测.医疗.建筑物监测等，随着传感器技术.无线网络技术和计算机技术的不断发展，各种无线传感器网络将遍及人们的生活环境，从而真正实现“无处不在的计算”，而Zigbee将成为这些无线传感器网络的佼佼者。
二、提出完成任务的设想与途径：
传感器监测模块采集各个地点的环境数据，同时与Zigbee模块构成了无线传感器网络中的终端节点，它将实时数据传送至无线传感网络中的路由节点，由路由节点转发其他终端节点传输来的信息，逐步将信息转发给同一子网协调器节点，然后将这些数据传给无线基站和监控主机，进而可对建筑物火灾隐患进行动态分析，实现实时预警的功能。
同时对该系统中每个数据采集点进行独立的地址编码，每个采集点的地址编码与地理信息系统中的坐标一一对应，因此一旦发现火灾就可准确着火点的位置。
通过模拟实地环境使用斯凯开发板的进行测试，将火灾预警系统与监控软件连接实现所有系统功能。
综上所述，本次设计的内容主要分为以下三个部分：
第一个是Zigbee无线通信模块，第二个是传感器信息检测模块,第三个是远程数据传输单元。
三、综述调研和查阅的有关资料：
（一）综述调研Zigbee技术优势:
1．低功耗：
由于Zigbee的传输速率低，收发信息功耗较低，发射功率仅为1mW，并且采用了休眠模式，因此Zigbee设备非常省电。
据估算，两节5号电池就可以维持6个月以上的使用时间。
当然功耗大小还跟具体应用以及工作模式有关。
2．低成本：
Zigbee模块价格低廉，而且有越来越低的趋势，另外Zigbee是免专利费用的。
3．时延短：
Zigbee针对时延敏感的应用进行了优化，通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短，典型的休眠激活时延为15ms，搜索设备时延为30ms活动设备信道接入时延为15ms。
适用于对时延要求苛刻的无线控制场合。
4．网络容量大：
Zigbee网络组成灵活，可以采用星形、网状、树型结构组网而且可以通过任一节点连接组成容量更大的网络结构。
从理论上讲，1个Zigbee络最多可以容纳254个从设备和1个主设备，1个区域内可以同时存在最多100个Zigbee网络。
5．可靠性好：
采取了碰撞避免机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避开了发送数据时的竞争和冲突。
MAC层采用完全确认的数据传输模式，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息，如果传输过程中出现问题可以重发。
6．安全性高：
Zigbee提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用AES-128，同时各个应用可以灵活确定其安全属性。
7．全球通用性和完好的开放性：
Zigbee标准协议使Zigbee设备彼此的接入和通信成为轻而易举的事情。
（二）相关资料
技术实践该书前两章介绍了Zigbee的背景及协议技术概述，3、4章介绍一些开发环境的搭建及17个实验的基本应用，5、6章写了Zigbee协议栈的应用，7、8章介绍开发工具的一些应用，9~12章分别为4个综合实例的开发。
++面向对象编程教程（第2版）该书主要介绍了MFC框架应用及各种标准类库的用法，详细介绍了如何应用VC++编程。
前面3章是基础的C++知识，第4章主要介绍如何建立VC++应用程序！
第6~9章主要介绍VC++中一些简单控件的应用。
第10章主要说明动态链接库程序的建立及其应用！
3.烟雾传感器原理及其应用NIS-09C是离子式烟雾传感器，内部使用了微量的放射性物质镅241。
但传感器本身被金属制电极所覆盖，放射能决不会泄露。
NIS-09C属于低功耗广普型传感器，可用9V电池带动。
4.温度传感器原理及其应用由基于Proteus的51系列单片机设计与仿真书上介绍DS18b20温度传感器的应用，主要说明了DS18b20系列的封装形式及其内部结构和测温原理，最后说明了它的一些内部命令。
方法及预期目的
方法：
通过软件的测试以及从小环境中的实地演习完善系统各项功能
预期目的：
通过建立一个低成本投入.运行机制稳定.控制准确.可靠性高的火灾监控系统，为进一步实现火灾预警提供必要的技术储备。
将实时监控建筑物内的各个地点的环境，及时的预警火灾并将信息提供给消防部门。
指导教师签名：
日期：
课题类型：
（1）A—工程设计；B—技术开发；C—软件工程；D—理论研究；
（2）X—真实课题；Y—模拟课题；Z—虚拟课题
（1）、
（2）均要填，如AY、BX等。
基于Zigbee无线网络的火灾监控系统的设计
摘要
无线技术的快速进展带动了其应用领域的迅速扩大，但是无线设备在实际应用中又收到了功耗、本钱、传输距离及靠得住性等方面的限制，这些问题在Zigbee无线技术问世以后取得了专门好的解决。
本文要紧论述了基于Zigbee技术的无线温度、光照火灾监控系统的设计与实现。
本文第一介绍了Zigbee无线技术在国内外的研究现状饿，然后针对本系统的硬件电路设计、Zigbee网络和PC机软件系统设计实现和系统的测试等方面展开论述。
在本系统的硬件设计中，芯片和光敏电阻和温敏电阻作为Zigbee无线射频模块和温度、光照传感模块，是系统硬件设计的核心。
基于Zigbee技术的无线温度、光照强度火灾监控系统的硬件结构要紧由三部份组成：
发送端、接收上报端、PC机显示终端。
其中发送端包括多个发送节点，每一个节点均有一个处置芯片和两个传感电阻组成，是系统中的数据源；接收上报端只有一个芯片和一个MAX232串口转USB模块组成，用于组建一个Zigbee网络，接收端发送来的数据，并将数据传输到PC机显示设备中，是系统无线网络的和谐器：
PC机显示系统由一台一般的PC机组成，将数据实时显示出来，并做最近历史数据画图。
通过测试，其结果表面，该无线温度、光照强度火灾监控系统在实时性、准确性方面等都大体知足大部份利用要求。
而且能够轻易的进行修改成其他传感器网络系统，证明Zigbee无线技术有其明显的优势，市场前景广漠。
本文通过图形、图标和文字详细的介绍了本无线温度、光照火灾监测系统设计与实现的。
关键词：
Zigbee；无线网络；光敏电阻；温敏电阻；传感器；实时监控系统；
FiremonitoringsystembasedZigbeewirelessnetworkdesign
Abstract
Therapiddevelopmentofwirelesstechnologyledtotherapidexpansionofitsapplications,butwirelessdevicesinpracticalapplicationshavebeenreceivedpower,cost,distanceandreliabilityconstraints,theseissuescomeoutintheZigbeewirelesstechnologyafterithasbeengoodsolution.ThispaperdiscussesZigbee-basedwirelesstechnology,temperature,lightafirecontrolsystemdesignandimplementation.ThispaperintroducestheZigbeewirelesstechnologyResearchhungryathomeandabroad,andthenforthesystemdesignofhardware,ZigbeenetworkandPC-softwaresystemdesignimplementationandtestingofthesysteminsuchareasasdiscussed.Inthissystem,thehardwaredesign,chip,andphotosensitiveresistanceandtemperaturesensitiveresistorasZigbeewirelessRFmodulesandtemperature,lightsensingmodule,thecoreofthesystemhardwaredesign.Zigbee-basedwirelesstechnology,temperature,lightintensityfirecontrolsystemhardwarestructureismainlycomposedofthreeparts:
thesender,thereceiverreportedtotheend,PCmachinedisplayterminal.Whichcontainsmorethanonesendersendingnodes,eachnodehasachipandtwosensingresistors,asystemdatasource;receivedonlyonereportedsidechipandaMAX232serialporttoUSBmodules,withtheorganizationofaZigbeenetwork,thereceiversendstothedata,anddatatothePC,thedisplaydevice,thewirelessnetworkisasystemcoordinator:
PC,displaysystemconsistsofabodyintoaveryordinaryPC,thedataisdisplayedinrealtimeandrecenthistoricaldatatodothedrawing.Aftertesting,theresultsofthesurface,thewirelesstemperature,lightintensityfiremonitoringsysteminrealtime,soaccura
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