基于Zigbee的森林火灾监测系统设计论文.docx

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基于Zigbee的森林火灾监测系统设计论文

题目基于ZigBee的森林火灾监测系统设计

学生常乐学号1113024057

所在学院物理与电信工程学院

专业班级通信工程专业1102班

指导教师争兵

完成地点物理与电信工程学院实验室

2015年6月3日

毕业论文﹙设计﹚任务书

院（系）物理与电信工程学院专业班级通信1102班学生常乐

一、毕业论文﹙设计﹚题目基于Zigbee的森林火灾监测系统设计

二、毕业论文﹙设计﹚工作自_2015_年_1__月_10_日起至_2015__年6月_10日止

三、毕业论文﹙设计﹚进行地点:

物理与电信工程学院实验室

四、毕业论文﹙设计﹚的容要求：

森林对于人类来说至关重要，它是生态平衡的保护着。

但是近年来，随着气候变化，人为活动等因素，森林安全受到了巨大的威胁。

这其中，森林火灾是威胁森林的最大原因之一，它不仅会造成很大的人力物力的流失，关键的是，我们会更多的失去原本就在减少的森林资源。

所以，森林火灾的实时监测与防治迫在眉睫。

本课题构建了基于ZigBee 无线传感器网络的森林火灾监测系统，具体要求如下：

1.掌握Zigbee技术的相关知识；

2.通过监测烟雾浓度实现火灾防，完成一定围的监测报警；

3.系统集成，完成功能调试。

成果形式：

实验样机一套。

毕业设计进度安排:

1.10─3.20：

查阅资料（参考文献不少于10篇），进行方案论证，完成开题报告。

完成不少于3000字的外文翻译；

3.20─4.30：

设计硬件电路，编写相关软件、完成电路仿真与样机调试；　　

5.1─5.20：

完善系统调试，撰写论文，准备毕业设计验收等工作；

5.21-6.10：

整理资料，修改论文，准备毕业答辩。

指导教师系（教研室）通信教研室

系（教研室）主任签名批准日期

接受论文（设计）任务开始执行日期学生签名

基于Zigbee的森林火灾监测系统设计

常乐

（理工学院物理与电信工程学院通信工程专业2011级2班，723003）

指导教师：

争兵

[摘要]随着经济的快速发展，地下建筑、高层建筑以与大型综合性的建筑日益增多,火灾隐患也随之增加,火灾发生的数量与其造成的巨大损失都呈现逐年上升的趋势。

而传统的报警系统采用了有线连接，线路容易磨损或遭到腐蚀、老化，系统造价高、耗材多、扩展能力差、功耗大、设计、施工与维护复杂。

在火灾发生前后不能有效地发挥其作用。

为了有效的降低火灾带来的损失，本论文利用Zigbee技术设计了一种火灾报警系统。

该系统由主模块和从模块构成。

主模块主要包括单片机最小系统、时钟模块、显示模块和Zigbee模块，完成系统的监测功能。

发送模块主要包括单片机最小系统、烟雾检测模块、温度检测模块、报警模块和Zigbee模块，完成系统的检测与报警功能。

实验测试结果表明：

系统通过监测烟雾的浓度，能够实现一定围的森林火灾监测报警。

[关键词]Zigbee；单片机；烟雾检测电路；报警电路；温度检测电路

DesignofforestfiremonitoringsystembasedonZigbee

Changle

（Grade11,Class2,MajorofCommunicationEngineering，SchoolofPhysicsandTelecommunicationEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology,Hanzhong723003,Shaanxi）

Tutor:

ZhengZhengbing

Abstract：

Withtherapiddevelopmentofeconomy,undergroundbuildings,highrisebuildingsandlarge-scalebuildingsareincreasing,Firehazardsalsoincreased,Thenumberoffiresandthelossesareontheriseyearbyyear.Andthetraditionalalarmsystemusesawiredconnection,lineseasywearorcorrosion,aging,thesystemhashighcost,highmaterialconsumption,poorexpansionability,powerconsumption,design,constructionandmaintenancecomplex.Beforeandafterthefirecannotplayitsroleeffectively.Inordertoreducefirelosses,usingZigbeetechnologytodesignafirealarmsystem.Thesystemiscomposedofthereceivingmoduleandthesendingmodule.ThereceivingmodulemainlyincludestheMCUminimumsystem,theclockmodule,thedisplaymoduleandtheZigbeemodule,andthemonitoringfunctionofthesystemiscompleted.Thesendingmodulemainlyincludestheminimumsystem,thesmokedetectionmodule,thetemperaturedetectionmodule,thealarmmoduleandtheZigbeemodule,andthedetectionandalarmingfunctionofthesystemiscompleted.Theexperimentalresultsshowthatthemonitoringandalarmingofforestfirecanberealizedthroughmonitoringtheconcentrationofsmoke..

Keywords：

Zigbee;MCU;smokedetectioncircuit;thealarmcircuit;thetemperaturedetectioncircuit

1绪论

1.1课题背景

随着经济的快速发展，地下建筑、高层建筑以与大型综合性的建筑日益增多，火灾隐患也随之增加。

火灾发生数量与其造成的损失都呈现逐年上升的趋势。

美国消防协会强调烟雾报警器在消除火灾、拯救生命方面发挥着越来越重要的作用，美国消防协会指出美国家庭火灾死亡人数的40％是由于没有安装报警器造成的。

所以用来保障生命和财产安全的火灾报警系统便显得越来越必要。

但是火灾报警系统设置之后,往往会发现系统有些不如人意的地方。

比如探测器误报警,常演绎“狼来了”的故事,使消防人员饱受困扰。

排除了一些设备的质量不过关等因素之后,我们发现这些情况往往是因探测设备受到干扰造成的[1]。

因此，有效的火灾报警系统成为保护人身生命财产安全的重要设施。

根据它的发展过程又可以将它分为以下三种类型：

多线型，总线型以与无线型。

多线型的报警系统顾名思义布线较多，且电路比较复杂，所以导致误报率较高，可靠性较差，它已经逐步被总线型的报警系统所取代。

总线型的自动报警系统采用微处理器控制，通过总线来与控制器实现信号传送，它和以前的产品比起来有了很大的飞跃，布线方面工作显著减少，安装调试变得容易，降低了安装和维修费用，目前国生产的火灾自动报警系统大多数为此类产品。

但随着社会的发展，这一系统已逐渐暴露出它的问题。

由于它采用了有线连接，线路容易磨损或遭到腐蚀、老化，系统造价高、耗材多、扩展能力差、功耗大、设计、施工与维护复杂，在火灾发生前后不能有效地发挥其作用。

而解决这些问题的最佳方法就是取消有线连接，使用可以即插即用的无线系统。

国际上许多著名的大学和公司纷纷从不同的角度、不同的层次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积极的研究成果，他们已经成功地开发了全功能传感器。

极少数企业也已经开始使用无线传感器网络技术[2]。

在中国，这种新兴无线通信革命也在悄然发生。

2007年9月29日，中科院的微系统与信息研究所联合多家研究所、高校所共同承担的“无线传感器网络的关键技术攻关与其在交通中的应用示研究”项目完成了验收。

该项目研究了：

远程高速传输的传感网端机、基站；传感网超轻量化IPV6协议栈；传感网数据流的特征和模型等无线传感器的网络在交通信息领域的关键技术；交通传感网协同模式的识别算法体系以与多元数据源交通综合信息的融合技术。

国有关于无线传感器网络研究还处于刚起步的阶段，但由于无线传感器网络是门新兴的技术，国与国际之间的水平的差距并不是很大，与时开展这项对人类未来生活有深远影响的前沿科技的研究，对整个国家的社会、经济都将有重大的战略意义。

1.2课题研究现状和前景

世界上的一些较发达的国家，像日本、加拿大、美国、德国，他们就具有非常成熟和完善的消防组织体系，包括火灾的预防、报警以与处理等。

这些国家进行了非常有益的尝试，在公共报警研究工作中引入火灾自动报警，然后再对火灾报警与其相关方面的监控系统进行整合，做到了统一管理，这样便给消防部门开展工作带来了很大便利，消防人员可以快速并准确地判断火灾现场，从而可以有效进行火灾处理工作。

这些无线的火灾报警系统通常采用专用网络来实现，它们主要侧重作为楼宇自控系统附属的子系统或者是专业的火灾报警场合，不符合我国关于火灾报警必须自成一个系统的设计原则，所以目前国外无线火灾自动报警的系统在我国的消防领域的应用受到了限制。

我国烟雾超标报警技术实现了较快发展，但由于在实际应用中，烟雾超标报警系统的通讯协议不一致，烟雾超标报警自动排气工程技术水平还相对落后，还存在着一些比较突出的问题。

如智能化程度低、网络化程度低、适用围过小、组件连接方式有待改善、漏报问题较多、烟雾超标报警系统误报、超早期烟雾探测报警技术应用还几乎处于空白。

在我用无线通信方式的火灾报警系统也日渐受到重视，因其方便安装、灵活性较好以与容易扩展等特点，能适用很多公共场所，所以成为现代火灾自动报警的发展方向。

如今我国报警系统在借鉴国外的先进技术基础上，同时积极运用新技术以与新材料来改进系统的性能，使无线火灾报警器向误报率低、可靠性高、多功能化、无线网络化、自动化以与智能化的方向发展。

随着Zigbee技术的逐渐成熟，国多家单位已经将基于Zigbee的无线传感器网络应用于煤矿安全、环境监测、智能家居、远程抄表等领域，从理论和实践上获得了突破。

火灾报警系统无线化的时代即将到来[3]。

下面对Zigbee协议加以介绍。

1.2.1Zigbee协议概述

Zigbee一词来自于蜂群在找到了花粉位置的时候，用跳ZigZag的舞蹈来告诉同伴，以此来进行信息的交换,这是一种简便的用来实现“无线”交流的方式。

人们便借此来称呼一种专注于成本小、功耗低、速率低以与复杂度低的近距离的无线网络通信技术，也包括了这种寓意。

Zigbee的协议基础是IEEE802.15.4，这是IEEE无线个人区域网（PAN）工作组的一个标准，被称为IEEE802.15.4（Zigbee）技术标准；Zigbee联盟对它的网络层协议和API进行标准化是由于IEEE只处理低级的MAC层和物理层的协议。

Zigbee联盟还开发了安全层，用来保证这一种便携设备不会轻易的泄漏它的标识，而且其它的节点不会获得这一种利用网络的远距离的传输[4]。

1.2.2Zigbee设备类型与其网络拓扑结构

（1）Zigbee的设备类型

IEEE802.15.4标准定义了两个类型的物理设备：

全功能设备（FFD）以与简单功能设备（RFD）。

这两种物理设备功能的描述如表1.1所示。

表1.1Zigbee设备功能设备类型

设备类型

适用拓扑结构

功能描述

全功能设

备（FFD）

星型网络

网状网络

簇-树状网络

具有转发与路由能力，其处理控制能力较强，拥有足够的存储空间存放路由信息。

可作为协调器或设备与任何设备进行通讯

简单功能

设备（RFD）

星型网络

存小，功耗低，功能简单。

在网络中为源节点，只能和全功能设备通讯。

（2）Zigbee的网络拓扑结构

Zigbee主要采用了三种组网方式，对等网、星型网与混合网[5]。

在星型网络中，所有设备都与中心设备网络协调器通信。

网络协调器一般在这种网络中会使用持续的电力系统供电，而其他设备则采用电池供电。

网络的协调器只能用FFD设备。

对等网是由主器件连接在一起而形成的，它又可以分为簇树结构和点对点结构。

任意两个设备只要彼此在对方的无线辐射围，收得到对方的无线的信号，就能进行通信，而且不需要其他设备的转发。

这种网络的结构支持AdHoc网络，它允许用多跳路由的途径在网络中传送数据。

这种网络结构适合用于设备分布围较广的应用，比如在货物库存的跟踪、工业上的检测与控制以与农田的监管等方面。

星型网与对等网相互结合便形成了混合网。

混合网各个子网的部以星型连接，而它的主器件又以对等的方式相互连接。

信息流首先传至同一个子网部的主节点上，然后通过网关节点再到达更高层的子网，随后继续上传一直到其到达中心采集节点为止。

混合网可以用在覆盖的围比较大的区域，比如智能楼房的控制网络。

但是由于任何的控制和同步信息都要通过多重的链路来到达接收点，所以要实现同步和控制会比较困难。

1.2.3Zigbee的技术特点

目前的无线通信技术主要有蓝牙、移动通信、无线局域网wifi等几种模式。

由于Zigbee具有功耗低、价格低、数据传输速率低、传输围小和支持的节点众多等优点，因此它和其他的同类型无线通信技术相比之下，优势尽显无疑[6]。

①数据的传输速率低：

Zigbee技术的数据传输速率仅有10k字节/秒到250k字节/秒，专注于传输速率低的应用；功耗低：

在待机的模式下，两节普通的5号干电池就能使用6个月到2年，省去了充电或者频繁更换电池的麻烦。

而这也是Zigbee的支持者们一直以来比较自豪的独到优势。

②成本低：

Zigbee数据传输的速率低，协议简单，因此很大程度的降低了成本，且Zigbee协议免收专利费。

③时延短：

一般时延是在15毫秒至30毫秒之间；

④安全：

Zigbee提供了数据完整性的检查和鉴权功能，加密算法采用AES-128，还可以灵活的确定它的安全属性；

⑤有效围小：

Zigbee有效覆盖围为10～75米之间，具体依据实际发射功率的大小和各种不同应用模式而定，基本上可以覆盖普通家庭环境或者办公室的环境；

随着研究进一步的深入，传感器将会变得更小，而且功能也会越来越完善。

最终他们有可能会缩小至尘埃大小。

那时将会释放更多的微小传感器到大气中去检测任何东西。

1.3课题研究意义

无线传感器网络技术在工业自动化生产线的实时监测、核电厂的安全检测、实时数据采集以与井矿中的应用，正变得日渐成熟。

在工厂安装这种基于无线传感器网络技术的监测系统必然会大大的改善工厂运作的条件，降低设备的维护成本。

无线传感器网络技术还在工业自动化的领域中应用，与其他的领域有所不同，它主要表现在不同传感器的节点传输的数据量不同，且传感器的节点往往是固定安装在生产线上，其网络节点一般是静态的。

因此，本设计将致力于研究一种基于Zigbee的无线传感器网络系统，利用通信模块组建小型无线传感器网络，并进行传感器网络的软硬件设计。

烟雾超标报警器的意义在于可以实现对普通环境中烟雾浓度进行实时检测，以减少烟雾有毒气体对人体的伤害，通过报警来警示人们所处环境的烟雾浓度过高。

现在家具产品多种多样，智能化、小型化的节能、绿色、安全产品越来越受到普通大众的青睐。

该设计以其智能化、小型化并且设计的电路系统简洁明了、电路构成简单、实用性强、易于维护等特点能够广泛的应用于居民、企事业单位等多方面的安全防。

1.4论文结构

本课题主要是研究并实现一个基于Zigbee协议的无线网络的火灾监控系统，这个系统由两个部分组成：

发送端和接收端。

本课题具体的研究容大致有以下几部分，分别如下：

第一部分绪论简单的介绍选题的背景，课题所用技术Zigbee发展的国外相关的研究现状，随后讲述了本课题要完成的任务以与所要实现的功能。

第二部分方案选择主要论述了本课题总体的设计思想与系统框图，对系统各个模块所用芯片进行了选择。

第三部分硬件设计主要介绍了系统所用芯片的功能和特点，以与芯片之间连接的方法，并给出了详细的设计电路图。

第四部分系统的软件设计描述了无线模块各个节点之间数据传输的原理以与主从模块软件设计流程。

第五部分系统调试主要论述了系统的软件调试和硬件部分各个电路的调试。

2系统方案选择

2.1设计要求

森林火灾不仅给人类经济的建设造成了巨大的损失，破坏了生态环境，而且也威胁到了我们人类的生命以与财产安全。

传统的森林防火方式不是很完善，只能做一些简单的防备措施，而不能主动的实时的监控森林具体的情况。

只要了解了森林火灾发生的条件，防火系统的设计也就有迹可循。

Zigbee无线传感网络具有功率小、成本低的优点，因此，本文基于ZigBee无线传感网络，构建了森林火灾监测系统，并通过监测烟雾对数据浓度实现火灾防，完成一定围的监测报警。

2.2方案选择

根据设计要求，主模块具体分为主控芯片、时钟模块、显示模块、传感器模块、无线模块这五个部分，系统框图如图2.1所示：

图2.1基于Zigbee的火灾报警系统原理框图

2.2.1主控芯片的选择

AT系列和STC系列单片机的选择：

AT89C系列单片机不能进行在线编程，AT89C系列和STC系列都可以ISP在线编程，但是STC可通过串口在线编程，而AT系列采用并口编程方式，相对来说，STC的编程方式更为简单也较为普遍，基于这一点，本设计选择STC系列。

51和52系列的选择：

51系列具有4KROM存储空间，而52系列有8KROM存储空间，容量较51来说大一些。

根据以上分析，本次毕业设计采用STC89C52芯片，STC89C52是一款功耗低，高性能的8位CMOS微控制器，具有8K可编程Flash存储器，方便下载程序，性价比高，能较好的适应本实验要求。

2.2.2时钟芯片的选择

方案一：

采用单片机部定时计数器实现时钟功能，通过计算可以知得，使定时器每25ms产生一次中断，当产生40次中断后秒单元将加一，依次类推，进而实现时、分和秒的计时，并通过LCD1602对时间加以显示。

方法较为简单，简化硬件电路，但在时间精度上必然与实际时间有一定的差距，不符合设计中对实时显示精度的要求，故不采用此方案。

方案二：

采用DS1302实时时钟芯片，DS1302可提供精准的秒、分、时、日、星期、月和年等时间信息，耗电低，工作电压较宽，有专用的部寄存器用于存放定时信息，可实现对开关的定时控制要求。

故采用DS1302来作为时钟芯片。

2.2.3显示模块的选择

方案一:

采用LED数码管显示。

LED数码管具有亮度大，接口电路简单，价格便宜等优点，但它只能显示数字和简单字母，而设计中要求显示时、分、秒、年、月、日等多个信息，使用数码管的话会使硬件电路设计庞杂，而且连线复杂，单片机接口欠缺，不够使用，故不采用此方案。

方案二:

采用LCD1602液晶屏显示。

LCD1602使用非常普遍，在生活中很多地方都能见到LCD1602液晶显示屏，例如计算器，遥控器，家用电器等，它主要用来显示数字，字母，专用字符和图形，具有显示质量高、功耗低、体积小等优点，此外，LCD1602采用数字式接口，与单片机连线简单，故采用LCD1602来显示时钟。

2.2.4烟雾传感器的选择

烟雾传感器的主要分为离子式烟雾传感器、光电式烟雾传感和气敏式烟雾传感器。

（1）光电式烟雾传感器：

光电式烟雾传感器烟雾传感器部有一个光学迷宫，安装有红外对管，没有烟雾时红外接收管接收不到红外发射管发射出的红外光线，当烟雾进入光学迷宫时，通过折射、反射后，接收管接收到红外光线，报警电路判断是否超过阈值，超过则发出警报，反之则不然。

（2）离子式烟雾传感器：

离子式烟雾传感器是一种采用先进技术，工作稳定可靠的传感器，广泛的运用到各种消防报警系统中，它的性能远远优于由光电式烟雾传感器构成的火灾报警器。

（3）气敏式烟雾传感器：

该烟雾传感器是一种检测特定气体的传感器。

它主要包括半导体气敏传感器、接触燃烧式气敏传感器和电化学气敏传感器等，其中用的最多的是半导体气敏传感器。

半导体气敏元件有N型和P型之分。

N型在检测时其阻值随着气体浓度的增大而减小，P型阻值随气体浓度的增大而增大。

当温度在200～300℃时半导体气敏元件让空气中的氧吸附在元件表面，当氧负离子吸附在半导体气敏元件表面可以形成氧负离子吸附，氧负离子的减少就会使半导体中的电子密度减少，从而使其电阻值增加。

当遇到空气中可燃气体时，由于可燃气体能够提供给电子，可燃气体中就会有正离子附着在金属氧化物半导体的表面，氧负离子放出电子使可燃性气体也以正离子的吸附而放出了电子，阻值下降就是因为半导体电子密度的增加。

此次使用的气敏式烟雾传感器选择的具体型号为MQ-2。

该传感器常用于家庭以与工厂的气体泄漏装置，适宜于烟雾、酒精、丁烷、丙烷、甲烷、液化气、氢气等的探测。

本设计选用的MQ-2型气体传感器，这种型号的传感器的特点是灵敏度高、响应快、抗干扰能力强、寿命长、价格低廉等优点。

2.2.5无线模块的选择

方案一：

基于红外线强度的火灾报警系统

基于红外线强度的火灾自动报警系统，其核心是利用51单片机作为控制中心，火焰传感器作为信号采集工具，键盘作为系统配置红外信息中介，数码管作为信息显示器，蜂鸣器和LED灯作为声光报警装置。

本文主要负责软件部分的设计，主要完成了整个系统的软件设计与实现。

整个系统共分为四个模块，有A/D转换模块，键盘输入模块，数码管显示，声光报警模块。

方案二：

基于蓝牙设计的火灾报警系统

蓝牙技术是一种短距离无线通信技术，用于替代数字设备和计算机外设间的电缆连线，以与实现数字设备间的无线组网[7]。

首先由单片机通过蓝牙模块接收数据，然后将该数据导入LCD屏进行显示，同时单片机对烟雾值进行分析处理，将烟雾值与设定值进行比较，若烟雾值大于设定的值即刻启动报警。

方案三：

基于Zigbee的火灾报警系统

ZigBee是一种用于近距离无线连接的无线通信技术。

ZigBee传感器网络由大量具有不同功能的微小传感器来实现组网，这些传感器只需很少的能量就能以接力的方式将数据从一个节点传到下一个节点，所以ZigBee网络具有很高的通信效率[8]。

Zigbee模块接受到来自传感器的数据后显示数值，并根据事先定制好的规则判断烟雾是否超标，如果有烟雾超标则发出报警信息，并驱动报警电路发出报警。

几种无线传输方式的比较如表2.1所示。

表2.1几种无线传输方式的比较

蓝牙

红外

Zigbee

系统开销

较大

小

小

电池寿命

较短

长

最长

网络节点

2

255/65000+

物理围（有效）

10m

定向1m

1-100+