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火灾报警系统是智能楼宇系统的一个重要组成部分,目前常用的火灾报警系统大多采用有线通信方式,需要在楼内布置大量的通信线缆,结构复杂,施工成本高,适应性和使用灵活性都不理想。本文基于ZigBee技术实现了一种无线火灾报警系统,系统的火灾探测节点组成了一个ZigBee网络,实现了数据通信的无线化。在硬件方面,系统由ZigBee火灾探测网络、网关及监控中心组成;在软件方面,采用了层次化的设计方式,分为表示层、应用层、嵌入层和数据层,各层专注于特定的功能。和传统的有线火灾报警系统相比,基于ZigBee技术的无线火灾报警系统无需布线、结构简单、成本低、抗损毁能力强。
本文完成的主要工作包括:
(1)研究了ZigBee协议,包括ZigBee的技术特点、网络特性及发展历史等,并详细分析了ZigBee协议栈的物理层、媒质接入层、网络层及应用层,对ZigBee及Bluetooth、WiFi等其它无线通信技术进行了对比和总结。
(2)搭建了ZigBee无线火灾监测网络,网络采用了星型拓扑结构,包括有一个协调器和多个传感器节点,选用CC2430作为网络节点的主控和RF模块,通过模拟量温度传感器MAX6613和数字量烟雾传感器MQ-2实现了火灾数据采集,并通过电荷泵TPS60140解决了传感器供电的问题。本文深入研究了Z-Stack协议栈,分析了Z-Stack结构、初始化流程及任务调度机制等内容,软件部分在Z-Stack协议栈的基础上实现了建立网络、加入网络、设备绑定、数据采集和无线数据通信等功能。
(3)设计了一套专用系统通信协议,通信帧类型包括数据帧、命令帧、位置帧、确认帧和验证帧,介绍了每种通信帧的格式与用途,分析了系统通信流程等内容。
(4)完成了网关的设计与开发,网关是底层ZigBee网络与上层监控中心之间的通信媒介,作为系统的火灾报警控制器,选用了基于ARM920T的S3C2440片上系统,移植了嵌入式Linux操作系统,使用开源的Apache服务器为用户提供了HTTP服务,由MySql数据库实现了高效的数据管理、数据检索及插入、删除、修改等功能。
(5)实现了火灾报警的远程监控,监控中心包括一台PC,通过Web浏览器提供了用户界面,界面框架由HTML/CSS语言编写,使用Javascript脚本实现了动态交互,并通过CGI技术和AJAX技术实现了Web浏览器端与服务器端之间的通信。
本文经过一系列实验,验证了系统的用户注册与登录、ZigBee组网及无线通信、火灾报警及设备故障警告功能,并对实验结果进行了分析和总结。