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1、毕业设计说明书（论文） 第 30 页 共 30 页1 引言火灾是一种受国内外普遍关注且发生频率较高的灾害，随着我国经济的快速发展，各地的火灾隐患越来越多。几乎每次火灾都带来严重的人员伤亡和巨大的财产损失。目前大多数火灾报警系统采用壁挂式或悬顶式节点安装方式，以有线的方式回传数据至管理控制中心并响铃报警，但传统的火灾报警设施严重依赖固定线路，在火灾中很容易因线路损坏而失去作用，因而表现出很大的脆弱性。并且系统的探测器分布有限，系统误报率与误动作的概率较高。经调查表明，传统系统主要的不足之处在于整个系统采用的是总线型结构，通过线缆将火灾探测节点串接起来的。这就导致线路成为整个系统的命脉，而现实是线
2、路成为了传统系统最易受到损坏的环节。小动物啃食，环境腐蚀，尤其在火灾发生时，线路极易遭到破坏，使系统瘫痪。我们希望设计一个新型火灾报警系统来改善这种现状，经过思考，我们创新性地用无线传感网取代线缆运用于火灾自动报警系统中。这样一来，不仅提高了系统的可靠性，解决了传统系统主要缺陷，而且额外的增加了许多优势。相对于传统报警系统，无线传感器网络不依赖基础设施，能多径路由、自修复和自维护，具有分布式的数据结构，在部分节点损坏时可通过重组继续工作，拥有大量分布节点和信息融合机制，能有效降低系统的误报漏报率；同时可避免有线报警系统线路容易老化或遭到腐蚀、鼠咬、磨损而需重新布线等麻烦，为火灾报警系统的研究提
3、供了全新的研究思路和解决方案。无线传输是数据通信系统中经常采用的一种数据传输方式，在某些应用场合，利用无线技术更方便、快捷。无线传感器网络WSN（Wireless Sensor Network）即是由大量传感器节点通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织网络系统，它能够实现数据的采集量化、处理融合和传输。传感器、感知对象和观察者构成了传感器网络的三个要素，无线传感网络综合了微电子技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等先进技术。它能够协同地实时监测、感知和采集网络覆盖区域中各种环境或监测对象的信息并对其进行处理，处理后的信息通过无线方式发送，并以自组多跳的网络方式传送给
4、观察者。具体的来讲，WSN兼具感测、运算与网络的能力，通过传感器来侦测周围环境如温度、湿度、光照、气体浓度、震动幅度等，并由无线网络将搜集到的信息传送给监控者，监控者解读报表信息后便可掌握现场状况进而维护和调整相关系统。伴随着无线传感器网络的快速发展，以及人们对居住环境的要求越来越高，将无线传感器网络应用到火灾报警系统将是一种必然的选择。无线传感器网络技术为基础设计了一套火灾报警系统，并通过使用烟雾传感器、温度传感器和火焰传感器来监测火灾信号，并通过使用加权算法来判断火灾的发生，从而减小了火灾的漏报率和误报率。当有火灾发生时，通过短信报警器将信息传递给用户，并通过互联网将信息传送到监控中心，便
5、于进行火灾救援。该系统的试制成功，具有较高的经济效益、社会效益和推广应用价值。通过项目可以开拓眼界，增进求实创新的能力，培养敢于思考，积极动手的行为习惯，并且最终达到完成用于火灾探测报警系统的无线传感器的设计开发工作能力。2 系统方案设计21 检测原理本设计采用单片机技术、无线传输技术、传感器技术和集成技术，根据火灾发生时产生的火光、烟雾和温度变化等信息，通过传感器感测信号，综合分析判断是否发生火灾。如果确实发生火灾，通过无线传感器向火灾报警系统发送火灾报警信息和火灾地点。22 系统总体结构网关WGB计算机无线传感器网络无线传感器节点.监控区域图1 火灾报警系统总体结构图本系统主要由无线传感器
6、网络节点（负责采集节点附近温度和烟雾浓度等数据）、无线网关（以无线的方式连接无线传感器网络与管理控制中心）和报警控制中心（对上传的数据进行数据融合并发出报警信号）等几部分组成。其中各传感器节点采用立体式安装、密集并可控地分布在检测区域内，不仅能够监测自身周围温度和烟雾浓度等参数，还能够通过多节点协作将相关数据传送到报警控制中心，并能够在个别网络节点失效后能够快速自组织地重建网络拓扑；报警控制中心能够以中断方式接收传感器节点发送来的数据，还能够对指定传感器节点的数据进行查询。基于无线传感器网技术的火灾报警系统完全能够满足火灾报警系统实时报警的要求。同时，由于在建筑物内安装无线传感器网络时节点位置
7、可灵活控制，更换电池和失效的节点很方便，从而可以保证整个网络长时间无故障工作。因此系统的设计非常简单,如图1 所示。2.3 无线传感器网络节点无线传感器网络节点是组成火灾报警系统的基本单位，是构成火灾报警系统的基础平台。无线传感器网络节点需完成信息采集和数据传递的功能，节点中的电源模块还负责节点的驱动，是决定网络生存期的关键因素在网络节点设计过程中采取了以下设计原则：在元件的选择上，采用常用器件，同时考虑兼容通用；分析节点结构，采用模块化设计，划分各模块的功能网络节点一般包括以下几部分：无线通信模块、数据处理模块（微处理器、存储器）、数据采集模块（传感器、A/D转换器）和电源模块等，其结构如图
8、2所示。CC2530芯片A/D转换器数据处理模块8051微处理器存储器通信模块电 源 模 块ZigBee射频RF报警电路火焰传感器烟雾传感器温度传感器数据采集模块图2 无线传感器网络节点本设计中节点电路分为传感器、CC2530模块、天线、蜂鸣器和电源。传感器收到火灾信号后传输到CC2530 模块，通过比较器将模拟量转化成数字量，然后通过收发器发送信息。24 CC2530模块CC2530 是用于IEEE 802.15.4、ZigBee 和RF4CE 应用的一个真正的片上系统（SoC）解决方案。它能够以非常低的总的材料成本建立强大的网络节点。CC2530 结合了领先的RF 收发器的优良性能，业界标
9、准的增强型8051 CPU，系统内可编程闪存，8-KB RAM 和许多其他强大的功能。无线传输距离可达100米。CC2530 有四种不同的闪存版本：CC2530F32/64/128/256，分别具有32/64/128/256KB 的闪存。CC2530 具有不同的运行模式，使得它尤其适应超低功耗要求的系统。运行模式之间的转换时间短进一步确保了低能源消耗。图3 CC2530 方框图图3 是CC2530 的方框图。这些模块大致可以分为三类：CPU 和内存相关的模块；外设、时钟和电源管理相关的模块，以及无线电相关的模块。以下小节给出了图3 中出现的各个模块的简短描述。2.4.1 CPU和内存CC253
10、x芯片系列中使用的8051 CPU内核是一个单周期的8051兼容内核。它有三种不同的内存访问总线（SFR，DATA 和CODE/XDATA），单周期访问SFR，DATA 和主SRAM。它还包括一个调试接口和一个18 输入扩展中断单元。中断控制器总共提供了18 个中断源，分为六个中断组，每个与四个中断优先级之一相关。当设备从活动模式回到空闲模式，任一中断服务请求就被激发。一些中断还可以从睡眠模式（供电模式1-3）唤醒设备。内存仲裁器位于系统中心，因为它通过SFR 总线把CPU 和DMA 控制器和物理存储器以及所有外设连接起来。内存仲裁器有四个内存访问点，每次访问可以映射到三个物理存储器之一：一个
11、8-KB SRAM、闪存存储器和XREG/SFR 寄存器。它负责执行仲裁，并确定同时访问同一个物理存储器之间的顺序。8-KB SRAM映射到DATA存储空间和部分XDATA存储空间。8-KB SRAM是一个超低功耗的SRAM，即使数字部分掉电（供电模式2 和3）也能保留其内容。这是对于低功耗应用来说很重要的一个功能。32/64/128/256 KB闪存块为设备提供了内电路可编程的非易失性程序存储器，映射到XDATA 存储空间。除了保存程序代码和常量以外，非易失性存储器允许应用程序保存必须保留的数据，这样设备重启之后可以使用这些数据。使用这个功能，例如可以利用已经保存的网络具体数据，就不需要经过
12、完全启动、网络寻找和加入过程。2.4.2 时钟和电源管理数字内核和外设由一个1.8-V 低差稳压器供电。它提供了电源管理功能，可以实现使用不同供电模式的长电池寿命的低功耗运行。有五种不同的复位源来复位设备。2.4.3 外设CC2530 包括许多不同的外设，允许应用程序设计者开发先进的应用。调试接口执行一个专有的两线串行接口，用于内电路调试。通过这个调试接口，可以执行整个闪存存储器的擦除、控制使能哪个振荡器、停止和开始执行用户程序、执行8051 内核提供的指令、设置代码断点，以及内核中全部指令的单步调试。使用这些技术，可以很好地执行内电路的调试和外部闪存的编程。设备含有闪存存储器以存储程序代码。
13、闪存存储器可通过用户软件和调试接口编程。闪存控制器处理写入和擦除嵌入式闪存存储器。闪存控制器允许页面擦除和4 字节编程。I/O控制器负责所有通用I/O引脚。CPU可以配置外设模块是否控制某个引脚或它们是否受软件控制，如果是的话，每个引脚配置为一个输入还是输出，是否连接衬垫里的一个上拉或下拉电阻。CPU 中断可以分别在每个引脚上使能。每个连接到I/O 引脚的外设可以在两个不同的I/O 引脚位置之间选择，以确保在不同应用程序中的灵活性。系统可以使用一个多功能的五通道DMA控制器，使用XDATA存储空间访问存储器，因此能够访问所有物理存储器。每个通道（触发器、优先级、传输模式、寻址模式、源和目标指针
14、和传输计数）用DMA 描述符在存储器任何地方配置。许多硬件外设（AES 内核、闪存控制器、USART、定时器、ADC 接口）通过使用DMA 控制器在SFR 或XREG 地址和闪存/SRAM 之间进行数据传输，获得高效率操作。定时器1 是一个16 位定时器，具有定时器/PWM 功能。它有一个可编程的分频器，一个16 位周期值，和五个各自可编程的计数器/捕获通道，每个都有一个16 位比较值。每个计数器/捕获通道可以用作一个PWM输出或捕获输入信号边沿的时序。它还可以配置在IR产生模式，计算定时器3 周期，输出是ANDed，定时器3 的输出是用最小的CPU 互动产生调制的消费型IR 信号。MAC定时
15、器（定时器2）是专门为支持IEEE 802.15.4 MAC或软件中其他时槽的协议设计。定时器有一个可配置的定时器周期和一个8 位溢出计数器，可以用于保持跟踪已经经过的周期数。一个16 位捕获寄存器也用于记录收到/发送一个帧开始界定符的精确时间，或传输结束的精确时间，还有一个16 位输出比较寄存器可以在具体时间产生不同的选通命令（开始RX，开始TX，等等）到无线模块。定时器3 和定时器4 是8 位定时器，具有定时器/计数器/PWM 功能。它们有一个可编程的分频器，一个8 位的周期值，一个可编程的计数器通道，具有一个8 位的比较值。每个计数器通道可以用作一个PWM 输出。睡眠定时器是一个超低功耗的定时器，计算32-kHz 晶振或32-kHz RC 振荡器的周期。睡眠定时器在除了供电模式3 的所有工作模式下不断运行。这一定时器的典型应用是作为实时计数器，或作为一个唤醒定时器跳出供电模式1 或2。ADC支持7到12位的分辨率，分别在30 kHz或4 kHz的带宽。DC和音频转换可以使用高达八个输入通道（端口0）。输入可以选择作为单端或差分。参考电压可以是内部电压、AVDD 或是一个单端或差分外部信号。ADC 还有一个温度传感输入通道。ADC 可以自动执行定期抽样或转换通道序列的程序。随机数发生器使用一个16 位LFSR 来产生伪随机数，这可以被CPU 读取或由选通命令处
