基于物联网及火灾监控系统设计.docx

1、基于物联网及火灾监控系统设计基于物联网的火灾监控系统设计 摘 要 随着通信技术的发展和人们生活水平的提高，安防监控系统逐渐进入大众的视线并成为热门的研究课题。作为安防系统的子系统，家庭火灾监控系统在减少家庭灾害发生，提高人们生活质量方面发挥 了重要的作用。 传统的家庭火灾监控系统往往存在不嫌不便、单传感器监测准确度不高、远程监控能力不强等诸多缺陷。网络化的火灾监控系统在系统造价上价格不菲，降低监控系统成本和功耗，提高系统集成度和准确度是本课题设计目标。为此，本文提出了一种基于物联网的嵌入式家庭火灾监控系统。利用ZigBee技术构建家庭监控网络的传输链路，依托物联网基础网络设施Internet，

2、实现远程家庭火灾监控。设计多传感器监测环境状态，并将监测数据在智能网关中心进行融合处理，提高监测准确度，得到最终的监测结果；以嵌入式路由芯片RT3052实现智能网关，降低系统的成本和功耗。为了实现该系统，分别对无线传感器网络和智能网关部分进行了详细的硬件和软件设计。为家庭火灾监测设计烟雾、气体、火焰、温度等传感器电路；为入侵监测设计了红外热释电传感电路。以ZigBee单芯片CC2530为核心，构建家庭内部网络通信平台，利用ZigBee2006协议栈实现了无线网络数据通信。经过测试，设计的无线ZigBee网络网关平台能完成和ZigBee和Internet的交互，能正确采集多传感器数据，监控火情，

3、较高概率对火灾进行监测与报警，达到了预期的目标。关键词：火灾监控；ZigBee；多传感器；智能网关；数据融合ABSTRACTWith the development of communications technology and the improvement ofpeoples living standards, security monitoring system is gradually known by us and hasbecome a hot research topic. As a subsystem of the security monitoring system, ho

4、mefire monitoring system plays an important role in reducing family disasters, improvingthe quality of peoples Live. Traditional home fire monitoring system has many defects, such as inconvenientwiring, low monitoring accuracy of single-sensor and poor remote monitoring capacity. The networked fire

5、control system on the system cost is not cheap, lowering the cost of monitoring and control system and power consumption, improve the system integration and accuracy of this topic design goal.To this end, this paper proposes a embedded home fire monitoring system based on Internet of things.Using Zi

6、gBee technology to build family monitoring network transmission link, relying on the Internet infrastructure network Internet, realize the family fire remote monitoring.Multiple sensors to monitor environmental state is designed, and the monitoring data fusion processing in the center of the intelli

7、gent gateway, to improve monitoring accuracy, get the final monitoring results;Routing on embedded chip RT3052 intelligent gateway, reduce the system cost and power consumption.In order to realize the system of wireless sensor network and intelligent gateway part carried on the detailed design of ha

8、rdware and software.Designed for home fire monitoring smoke, gas, such as flame, temperature sensor circuit;Monitoring for the invasion of pyroelectric infrared sensor circuit is designed.With ZigBee CC2530 single chip as the core, to build domestic network communications platform, using ZigBee2006

9、protocol stack to achieve the wireless data communication. Under testing, the ZigBee wireless network can communicate properly，intelligentgateway can accomplish the data forwarding between ZigBee and the Internet. Besides, it can properly collect the multi-sensor data, monitor the fire and detect ho

10、me fire in a high probability. In a word, the home security monitoring system achieves the desired objective.Keywords: fire monitoring.ZigBee, multi-sensor intelligent gateway, data fusion 引言 物联网一个具有前瞻性的技术，迅速成为信息技术领域的关注热点，其核心技术更是成为众多学者的研究焦点，并将物联网技术看做是一场一触即发的科技火灾自动报警系统设计的根本目的，是为了能够在最早的时间探测到火灾的发生，从而响应

11、人员第一时间采取措施，把火灾控制在和消灭在初期阶段。若火灾发现不及时，导致报警延误，由小火变成大火，就可能造成重大的人身伤亡和财产损失。我国火灾报警系统起步较发达国家晚几十年，虽然取得了较快的发展，但大多数是引进国外技术进行生产，具有自主知识产权的核心技术较少。目前的实际工程当中传统型的区域报警系统和集中报警系统应用广泛，大多数为多线制连接方式，即探测器、报警器、控制器之间是采用两条或多条的铜芯绝缘导线。其系统安装成本约占设备成本的33%-70%，且施工复杂，系统扩展性能差，自称体系，自我封闭，线路易老化或遭到腐蚀，抗干扰能力，误报警率高。目前大力发展的智能化火灾自动报警系统应用较少，主要集中

12、智能系统为主，巡检速度低，稳定性和可靠性差，不适用于规模庞大的建筑。大多数火灾自动报警系统以感温、感烟探测器为主，存在比较突出的迟报、误报、漏报、损毁等现象，往往达不到系统的设计要求，这些都是制约着火灾自动报警系统发展的障碍。分析以上不足，火灾自动报警系统向着网络化。智能化、高可靠性等方向发展是解决问题的关键。文本讲物联网这一新兴技术引入到火灾自动报警系统，作为连接探测端和控制端的传输链路，可靠快速的传递信息，并改变传统火灾探测器布局方式，提高探测火灾的覆盖范围，有效的提高火灾自动报警系统的可靠性和稳定性。采用物联网技术还可以提高网路容量，对探测范围内的物体进行实时编码，对于移动设备、大空间火

13、灾探测等热点问题也具有很好的效果，是火灾自动报警系统发展的新方向。 1 绪论1.1系统开发背景 随着社 还原 会的不断的发展，社会财富日益增加，人们对家居生活质量要求越来越高。房子不仅仅限于传统的居住功能，提供舒适安全、高品位的生活空间是人们对未来的美好期待。火灾对人们的生产和生活安全构成了极大的威胁。据统计，70年代我国火灾平均损失为2.5亿元，80年代我国火灾平均损失有所增加，但约为3.2亿元。从90年代开始，尤其是1993年以后，火灾造成的财产损失直线上升，年平均损失高达十几亿元，每年因火灾死亡人数多于2000人。因此实现家庭火灾监控具有非常重要的现实意义。 我国的火灾自动报警控制系统经

14、历了从无到有、简单到复杂的发展过程，其智能化程度也越来越高。目前，国产火灾自动报警系统均采用汉字显示，价格低廉，适合我国国情，但是火灾自动报警系统由于多数没有分布智能呢个，可靠性低，且产品没有没有形成系列化、品种不全，产品的外观也较差，变成复杂，调试部方便，设备兼容性差。国外产品多数具有分布智能，可靠性性高，产品的具有系列化、品种齐全，产品外观美观，人机对话功能强。缺点是多数没有汉化，操作维护部便，价格较高，设备兼容性差。 世界无线物联网技术还处于起步阶段，我国在这些方面处于世界的前列，但是目前我国物联网产业，技术还处于概念和实验的初级阶段，物联网的相关产业链条还没有彻底形成，处于起步阶段，但

15、物联网的发展前景是令人期待的，以后的发展空间是巨大的。上世纪九十年代以来，火灾自动报警系统得到了不同程度的发展。火灾预警系统利用无线物联网技术室把整个系统连成一个集中的网络，在控制屏幕上能及时看清楚哪些地方有可能诱发火灾，可以及时作出相应的处理。家庭住所就是一个相互关联的一个网络无论哪个角落出现了火灾隐患点它很快就会以无线的方式传输到控制中心，甚至直接控制灭火装置，这就需要看设计的需要了。1.2 系统开发的目的与意义现有的家庭火灾监控系统存在着安装不便，监测准确度和远程监控能力不强 等缺陷，与人们对居住环境的要求越来越高，家用设施的安全管理亟待改善的迫切需要形成了强烈的矛盾，家庭内部监控数据量

16、小，对传输实时性的要求不高，选用ZigBee为代表的无线传感器网络来组建智能网关，连接家庭内部监控网络和外部网络，用户只要通过浏览访问监控系统网关，便能够对家庭中的各种危险情况，如煤气泄漏、火灾引发、入室盗窃进行监控。当出现险情时，监控报警信息能自动发送到用户的手机上，提醒采取措施。据统计，全家家庭各种室盗窃犯罪案件和因煤气泄漏引发的火灾正呈现最年攀升的态势。本系统的开发提高了家庭安全性，为构建和谐社会奠定了一定上网基础：其次，由于本系统结构简单、安装方便、价格低廉，也为普通中低收入家庭火灾远程监控提供了一个良好的选择。1.3 火灾监控系统国内外发展现状火灾监控系统能够及时有效发现火情，迅速产

17、生报警，是减少火灾灾害的重要工具。纵观火灾监控系统的发展历程，一般可以分为以下几个发展阶段：第一个阶段，从十九世纪到上世纪中期，这个阶段使用简单的感温探测器来进行火灾的探测，火灾探测根据探测环境的温度参量判定是否有火灾发生，容易受到外界干扰，灵敏度低而且响应慢。第二阶段，从上世纪50年代到70年代，诞生了离开感烟探测器，一般采取“先见烟再见火”的探测手段。这个时期的检测系统多采用多线制，要求一个火灾探测器与报警器有至少两条的导线相连，确保探测点发出预警信号，但是存在布线复杂。调试难度大等缺点。第三阶段，从上世纪80年代开始，采用总线制火灾检测系统，火灾探测器和报警器之间的通信需要一台微机和收发

18、电路实现，使用全总线控制，有布线简单、安装调试容易、火灾报警定位精确等优点。第四阶段，从上世纪80年代后期至今，伴随着计算机技术。传感器技术和通信技术的发展，火灾监测体系走向了智能化和网络化，出现了分布式智能和网络通信火灾监测系统。分布式智能火灾系统特点在于火灾探测器处理火灾信号，提高了火灾监测的实时性和可靠性；网络通信火灾系统使得火灾报警控制器能通过Internet交换信息，实现远程火灾信息管理和通信服务。国外火灾远程监控技术起步较早，许多国家已经建立了城市火灾的自动报警网络，形成了比较完善的火灾预警和善后处理体系。我国对火灾监控应用起步较晚，随着改革开放的深入和经济建设的高速增长，我国的火

19、灾监控行业发展迅速，系统控制模式逐步从多线制控制系统、多元化一体化向分布式控制系统发展；探测技术从单一的感烟探测器发展成多元复合探测。然而国内市场的消防报警产品型号繁杂，各种产品提供的接口。通信协议都存在较大差异，导致出现故障之后，因厂家原因得不到及时维修，埋下了较大的火灾隐患。随着物联网的兴起，我国逐渐讲无线传感器网络技术应用到火灾探测领域。近年来，国内许多研究单位和 高校都开展了相应的研究，虽然只是起步阶段，应用无线传感网络进行火灾监控有巨大的研究潜力和市场应用前景。在家庭监控系统中，控制网络是一个不可或缺的部分，起着信息传达的作用，一方面控制网络收集传感器终端的信号或电子产品并传递到主控

20、制器，另一方面下达主控制器对终端家用电器或者电子产品的控制信号，从目前的发展来看，控制网络经历了从电力载波到家庭总线，再到无线网络的发展历程。家庭控制网络对数据的传输率要求较低，但对传输的准确度要求较高，有线的网络架设存在着布线成本高、安装不够灵活、升级困难等诸多弊端，这为家庭无线网络的发展和应用提供了机遇。1.4本文的研究内容及章节安排传统家庭火灾监测暴露出不嫌不便。监测准确度不高、远程监测能力不强等弊端，本文拟构建一款低成本、低复杂度、高性价比的家庭火灾监控系统，利用ZigBee技术，构建无线传感网络，作为家庭监控数据的传输链路；利用嵌入式系统构建智能网关，该网关连接内部传感网络、外部In

21、ternet网并作为整个系统的控制盒处理中心。为了实现该系统，对ZigBee的原理和组网技术进行深入的分析，应用ZigBee单芯片CC2530组建了家庭网络，完成传感器数据的获取和传输。在智能网关端，通过在嵌入式系统上一直Web服务器，以SQLite作为嵌入式数据库，应用CGI接口嵌入式Web服务器和用户浏览器之间的动态页面的交互。为了提高监控系统的准确度，引入了数据融合理论，晕晕多传感器感知家庭环境状态，利用BP神经网络和证据理论多传感器信息以判断火灾状态。论文的章节组织安排如下：第一章：绪论。介绍系统开发的背景、目的和意义，回顾火灾控制系统的国内外发展现状，并比较常见短距离无线通信技术的特

22、点，给出本文的研究内容。第二章：系统架构和关键技术。给出家庭火灾监控系统的总体架构，对无线传感器网络、智能网关的构建、BP神经网络。第三章：系统硬件设计。详细的阐述了家庭火灾监控系统设计的无线传感器网络和智能网关的硬件设计。第四章：系统软件设计。详细介绍了ZigBee网络、传感器节点软件、多传感器数据融合和智能网关的软件设计。第五章：系统的测试与分析。进行了ZigBee网络、火灾监测以及远程监控测试盒分析。第六章：总结和展望。总结了本文的主要工作，指出了系统设计部分存在的不足和有待改进的地方，并对下一步工作进行了展望。2 系统结构与关键技术2.1 系统架构设计基于物联网的家庭火灾监控系统结构如

23、图2.1所示，系统主要包括ZigBee无线传感器和智能网关两个部分。本设计以ZigBee芯片cc2530为核心组建无线传感器网络，以路由芯片RT3052实现嵌入式智能网关。在终端设计多种监控传感器，无线传感器网络的监控数据通过设计的网关与Internet交互，方便用户远程登录网关系统进行查询，并发送报警信息。 图2.1 系统结构图总体来说，本系统主要功能有： 智能网关实现无线路由功能，方便家用电脑和手机设备接入Internet,访问网络资源： 用户通过浏览器远程登录网关服务器，以网页的形式实时查看家庭监控状况。家庭内部布置了检测火灾的温度传感器、烟雾传感器、一氧化碳传感器等：监测入侵的红外热释

24、电传感器，这些传感器的监控数据以及综合效果均可在网页上展示。为了增加视频监控的能力，在家庭智能网关上，可以通过启动WIFI摄像头，实现远程视频监控; 当传感器监测到危险信号，比如系统判定有火情发生或是有人入侵，智能网关将报警信息及时发送到用户手机上，通知用户采取处理措施。系统的工作流程是：智能网关负责发送监控命令，此命令启动各个监控终端按照一定的周期采集数据，将数据按照约定的格式发送的网关端；网关端移植嵌入式Web服务器，用户远程访问该服务器，以网页方式监测家庭状况；一旦系统监测到危险，便通过飞信向注册过的手机用户发送报警信息，实现完整的家庭火灾监控。2.2 无线传感器网络 信息的获取是应用的

25、首要环节，传感器作为最基本的信息获取手段，直接用于感知外部信息。传感器可以将被测物理量转化成与之相对应的信号，方便后端处理。无线传感器网络在组成上往往包含信号感知系统、信号处理系统、信号传输通信系统、电源系统四个部分。图2.2是一个典型的无线传感器网络结构，其工作方式是：大量的网络节点分布在监测区域，节点之间通过自组织方式形成感知网络。节点作为信息的采集者和发送者，通过设置的路由节点，完成多跳信息传输，最后信息汇聚到sink节点（汇聚节点），内部的无线网络数据就是通过汇聚节点与外部网络通信，无线传感器网络采用微小型的传感器节点获取信息，节点之间具有自动组网和协同工作能力，网络内部采用无线通信方

26、式，与传统的传感器相比，具有比较明显的优势： 灵活性强，节点随机布设便可开展工作； 可靠性强，无线传感器网络自组织，当网络某些节点失效，其功能可由其他节点代替； 精度高，大量传感器节点可提高监控区域的信息感知精度； 图2.2 无线传感器网络结构2.2.1 ZigBee技术 ZigBee技术是一种短距离、低复杂度、低数据率、低功耗的无线通信技术，其底层采用的协议为IEEE802.15.4。根据协议标准，ZigBee定义了三个工作频段，分别是868MHZ、915MHZ和2.4GHZ。其中2.4GHZ频段是全球通用的ISM频段，在该频段，数据传输率达到250kbps,另外两个频段868/915MHZ

27、传输速率分别是20kbps和40kbps.ZigBee技术主要针对以电池为电源的应用，这些应用对低数据率。低成本。更高的电池寿命有较高的要求。在某些ZigBee的应用中，无线设备大部分时间处于休眠模式，因此，ZigBee设备在电池需要更换前能够工作数年之久。当无线通信的目的在于发送或者接受简单的命令，或从传感器收集信息，ZigBee能提供比现有典型无线技术更有效、性价比更高的解决方案。2.2.2 ZigBee的发展历程早在2001年，有包括Philips Semiconductor、Honeywell、Mitsubishi、等公司组成了ZigBee联盟，致力于低复杂度、低成本、地数据率、近距离

28、的无线通信技术的研究。IEEE在2003年间发布了该技术底层所采用的协议标准，即IEEE802.15.4协议，作为ZigBee的物理层和MAC层标准协议。2004年底，ZigBee联盟基于IEEE底层协议，定义了网络层和应用层。该联盟在2005年6月份公布了“ZigBee specification V 1 0”,这第一份ZigBee规范也标志着ZigBee技术的正式诞生，也正是因为该规范的面世，ZigBee技术逐渐被大家认识，并得到了快速的发展和应用。到了2006年底，联盟对协议进行了标准的修订，推出了V1.1版本，然而此标准仍然存在些许缺陷，在2007年再次修订，推出了ZigBee2007

29、.该标准也将其应用拓展到家庭自动化、建筑自动化、现金抄表基础也将其的应用拓展到家庭自动化、建筑自动化、现金抄表基础建设方面。2.2.3 ZigBee的节点类型 IEEE802.15.4定义了两种设备类型：全功能设备和精简功能设备，全功能设备实现了IEEE802.15.4标准中描述的所有功能，并且可以用作网络中的任何角色：另一方面，精简功能设备只有部分功能，例如，全功能设备可以和网络中的任何其他设备 通信，但精简功能设备却只能和全功能通信。ZigBee网络中虽然存在如此之多的节点，然而节点的类型只有三种：协调节点、路由节点、终端节点。协调节点和路由节点均可以与网中任意节点或是协调节点实现，则是精

30、简功能设备。 协调节点是网络的管理者，在网络中处于核心重要的地位，不论采取什么拓扑结构，网络中有且只有一个节点作为协调节点，在网络的初始化过程中，协调节点负责信道的扫描，网络的简历，接受其他节点的入网请求，并为加入网络的节点分配网络地址。在网络应用层面上来看，协调节点还负责提供路由路径、绑定服务、安全服务等功能。 路由节点存在于网络拓扑为树形或者网状型的网络中，一般来说，路由节点在网络中不可断电或者休眠。他们实现两个方面的功能，意识作为路由通信，拓展通信距离，二是终端节点通过它可以加入网络。终端节点存在于珍格格网络的末端、往往与传感器或者执行单元相连，起着发送采集数据和接受的作用，不能转发信息

31、。这类节点一般是用电池供电，因此对功耗的要求较高，在不需要传输数据时，往往需要关闭终端节点，进入休眠模式。2.2.4 ZigBee网络拓扑 ZigBee网络的拓扑结构在应用上存在三中比较常见的形式：星形网络、树形网络、网状网络。 星形网络作为最简单的一种网络组成形式，包含一个协调节点和若干个终端节点，其拓扑结构如图2.3所示。终端节点间进行通信，必须经过协调节点的转发，这种网络结构简单，但一旦协调节点发生故障，则整个网络就瘫痪。 树形网络内部，存在一个协调节点，至少一个路由节点，若干个终端节点。协调节点作为父节点，路由节点和终端节点分布在父节点的分支，形成树形。协调节点可以直接与终端及诶单通信

32、，即可通过路由节点，下连分支，路由节点可连一系列路由节点和终端节点。树形网络拓扑结构如图2.4所示。 图2.3 星形网络拓扑 图2.4 树形网络拓扑网状网络及诶单通信的路径较之树形网络有了增加，路由及诶单之间可以直接通信，大大增加了通信效率，当某个节点出现故障，信息能尝试通过其他路径到达，提高系统的容错率，网状网络拓扑结构如图2.5所示。 图2.5 网状网络拓扑2.2.5 ZigBee寻址方式 在ZigBee网络中，每个节点都需要一个唯一的地址，IEEE802.15.4使用两种方式寻址：16位的短地址、64位的扩展地址。一个网络可以选择使用短地址或者扩展地址来寻址，而短地址允许在单个网络内进行通信，使用短地址机制可以减少消息的长度和所需分配的内存空间。单个网络需要有一个PAN表示符，用来区分不同的网络，将唯一的PAN标识符和一个短地址相结合后，两个独立网络之间便可通信。 64位地址寻址方式意味着网络中的最大设备数可以送达。因此，IEEE802.15.4 无线网络的规模可以非常巨大，然而网络中节点数目还受限于协调节点的内存和处理能力。ZigBee协议栈的网络层为节点扩展地址额外分配一个短