7.6 无线烟感 ........................................................................ 1 7.6.1 技术背景 .............................................................. 1 7．6.2 功能实现 ............................................................ 2 7.6.3 Zigbee介绍 ........................................................... 2 7.6.4系统方案介绍 ........................................................... 4 7.6 无线烟感 实物图片1 实物图片2 7.6.1 技术背景 随着工业测控系统规模的不断扩大，降低投资和使用成本成为工业通信技术发展的迫切要求， 有线网络由于安装和使用成本高昂，现已成为阻碍工业通信技术发展的主要难题，另外有线网络在组网是需要做旋转、移动或工作于强腐蚀性环境，布线将更为困难。 无线网络技术具有组网自由、低功耗、高传输速率、抗干扰强等特点，完全符合无线网络通信的要求。其中，新型的无线传感器网络利用传感器节点可以随机分布于被监测区域，并以自组织方式构成无线网络系统，不会出现传统方法中布线带来的不便，可实现对监测区域的多点连续测量，数据的可靠性高的特点被日益受到重视。考虑到监测过程需要较长的电池寿命和低数据率的联网功能，可使用基于ZigBee技术，通过传输监测数据的无线连接方案解决。 在现代城市家庭里，许多人因不懂家庭安全常识引起火灾事故，使好端端的幸福家庭眼间毁于一旦，有的导致家破人亡，而且一旦发生居民家庭火灾，处置不当、报警迟缓，是造成人员伤亡的重要因素。所以说，人们应该积极了解家庭火灾的主要起因，还有预防火灾的发生。这就是我们研究声光报警器的目的。 意义：在我国的一些大中城市，几乎每天都发生家庭火灾，所以防火是每个家庭必须时刻注意的问题。假如能根据您家的实际情况预先采取简单的防火措施，一些悲剧是完全可以避免的。声光报警器对防家庭火灾，减少火灾损失具有现实意义。 一系列火灾造成的惨痛损失也使全国各界意识到了声光报警器的必要性。据调实用标准文案 查，在最近发生火灾的大多数房屋都没有安装报警器。所以，声光报警器在预防火灾发生上有着非常重大的意义。 7．6.2 功能实现 自检：按下检测按钮，探测器LED常亮，同时发出报警音响（注：自检仅对于探测器本身内部功能进行检测，自检时无继电器信号输出）。 工作：正常情况下，探测器大约每隔6秒指示灯会闪亮一下。探测器自动检测周围环境中的烟雾浓度，并根据使用环境状况进行灵敏度自动补偿。当烟雾浓度接近报警值，探测器加快对烟雾浓度趋势进行智能运算，同时报警指示灯开始闪亮。若运算结果达到或超过报警值，探测器开始声光报警，并启动继电器输出。当周围环境的烟雾浓度降低到报警值以下时，探测器自动恢复正常工作状态。 输出：无源触点输出；触点容量24v/2a，可通过探测器内部的跳线，设置为常开或常闭触点输出。出厂时跳线默设置触点为常闭。 7.6.3 Zigbee介绍 ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术，是一组基于IEEE 802.15.4无线标准研制开发的有关组网、安全和应用软件方面的通信技术。 1 、ZigBee无线数据传输网络描述 简单的说，ZigBee是一种高可靠的无线数传网络，类似于CDMA和GSM网络。ZigBee数传模块类似于移动网络基站。通讯距离从标准的75m到几百米、几公里，并且支持无限扩展。 ZigBee是一个由可多到65000个无线数传模块组成的一个无线数传网络平台，在整个网络范围内，每一个ZigBee网络数传模块之间可以相互通信，每个网络节点间的距离可以从标准的75m无限扩展。 与移动通信的CDMA网或GSM网不同的是，ZigBee网络主要是为工业现场自动化控制数据传输而建立，因而，它必须具有简单，使用方便，工作可靠，价格低的特点。而移动通信网主要是为语音通信而建立，每个基站价值一般都在百万元人民币以上，而每个ZigBee“基站”却不到1000元人民币。每个ZigBee网络节点不仅本身可以作为监控对象，例如其所连接的传感器直接进行数据采集和监控，还可以自动中转别的网络节点传过来的数据资料。除此之外，每一个Zigbee网络节点(FFD)还可在自己信号覆盖的范围内，和多个不承担网络信息中转任务的孤立的子节点(RFD)无线连接。 2、 ZigBee的优势 ① 低功耗。在低耗电待机模式下，2 节5 号干电池可支持1个节点工作6～24个月，甚至更长。 ② 低成本。通过大幅简化协议(不到蓝牙的1/10) ，降低了对通信控制器的要求，按预测分析，以8051的8位微控制器测算，全功能的主节点需要32KB代码，子功能节点少至4KB代码，而且ZigBee免协议专利费。每块芯片的价格大约为2 美元。 ③ 低速率。ZigBee工作在20～250 kbps的较低速率，分别提供250 kbps(2.4GHz)、40kbps (915 MHz)和20kbps(868 MHz) 的原始数据吞吐率，满足低速率传输数据的应用精彩文档 实用标准文案 需求。 ④ 近距离。传输范围一般介于10～100 m 之间，在增加RF 发射功率后，亦可增加到1～3 km。这指的是相邻节点间的距离，如果通过路由和节点间通信的接力，传输距离将可以更远。 ⑤短时延。ZigBee的响应速度较快，一般从睡眠转入工作状态只需15 ms ，节点连接进入网络只需30 ms ，进一步节省了电能。相比较，蓝牙需要3～10 s、WiFi 需要3 s。 ⑥ 高容量。ZigBee可采用星状、片状和网状网络结构，由一个主节点管理若干子节点，最多一个主节点可管理254 个子节点，同时主节点还可由上一层网络节点管理，最多可组成65000 个节点的大网。 ⑦ 高安全。ZigBee提供了三级安全模式，包括无安全设定、使用接入控制清单(ACL) 防止非法获取数据以及采用高级加密标准(AES 128) 的对称密码，以灵活确定其安全属性。 ⑧ 免执照频段。采用直接序列扩频在工业科学医疗( ISM) 频段，2. 4 GHz (全球) 、915 MHz(美国) 和868 MHz(欧洲) 。 （二）Zigbee通信协议 由英国 Invensy 公司、日本三菱电气公司、美国摩托罗拉公司以及荷兰飞利浦等公司在 2002年共同宣布组成ZigBee 技术联盟；共同研究开发ZigBee 技术。在2003 年11月，IEEE 正式发布了该项技术物理层和 MAC 层所采用的标准协议，即 IEEE 802.15.4标准，作为 ZigBee 技术的物理层和媒体层的标准协议；2004 年 12 月，ZigBee 联盟正式发布了该项技术标准。标准的正式发布，加速 ZigBee 技术的研发工作，许多公司和生产商已经陆续地推出了自己的产品和开发系统，如飞思卡尔的MC13192，Chipcon 公司的CC2420、CC2430，Atmel 公司的AT86RF210等。 ZigBee 技术是一种具有统一技术标准的短距离无线通信技术，其 PHY 层和 MAC 层协议为 IEEE 802.15.4 标准协议，网络层由 ZigBee 技术联盟制定，应用层的开发应用根据用户自己的应用需要，对其进行开发利用，因此该技术能够为用户提供机动、灵活的组网方式。 （三）ZigBee 技术的网络拓扑结构 本设计基本原理如下：PC机具有接受协调器数据和发送指令的功能。而协调器是整个网络的核心，用来启动网络，当整个网络被启动后，退化为普通路由器。终端节点（即传感器）检测到各个位置的温度，应用路由器的接力作用，将数据发送给计算机，PC机实现可视化、形象化人机界面，方便了用户的操作和观察。分布式体温监测系统总体结构如图2-1所示。 图2-1分布式监测系统总体结构图 在ZigBee网络中，根据设备所具有的通信能力可以分为全功能设备(FFD)和精简精彩文档 实用标准文案 功能设备(RFD)。FFD设备之间以及FFD设备与RFD设备之间可以直接通信，RFD之间不能直接通信。ZigBee网络由三部分组成：网络协调器(Coordinator)为FFD设备，是传感器网络中的主控制器，路由器(Router)也为FFD设备，其功能是接收/发送数据；在网络中需要路由的时候完成路由。终端设备(End Device)为RFD设备。 ZigBee的网络拓扑结构有3种:星形网络、树形网络、混合网络，如图2-2所示。 A） 星形网络是一个辐射状系统， 网络拓扑结构如图2-2中a)图示。数据和网络命令都通过中心节点传输。如果用通信模块构造星形网络，只需要一个模块被配置成中心节点，其他模块可以配置成终端节点[i]。 a. 星型结构 b. 树型结构 c.网状结构 协调器 ROU RFD 图2-2 ZigBee网络拓扑结构图 B）树形网络拓扑结构如图2-2中b)图所示。树型拓扑最值得注意的地方就是它保持了星型拓扑的简单性：较少的上层路由信息、较低的存储器需求，这样成本必然也较低。然而，树型结构也不能很好的适应外部的动态环境。从图中可以看出，在信息源与目的之间，有且仅有一条传输路径，任何一个节点的中断或故障将会使部分节点脱离网络[ii]。 C）混合网络拓扑结构如图2-2中c)图示。网络中的每个节点都是一个小的路由器，都具有重新路由选择的能力，以确保网络最大限度的可靠性，可以看出网络中任意两个节点的通讯路径不是唯一的，其路由拓扑是动态的，不存在一个固定可知的路由模式。网型网络结构还具有以下特征：自我形成，即当节点打开电源时，可以自动加入网络；自愈功能，当节点离开网络时，其余节点可以自动重新路由它们的消息或信号到网络外部的节点，以确保存在一条更可靠的通信路径。 7.6.4系统方案介绍 硬件部分简介 （一）火灾报警器设计框图 精彩文档 实用标准文案 CC2530是TI公司开发的符合ZigBee标准的2.4 GHz射频芯片，集成了所有ZigBee技术的优点，可快速应用到ZigBee产品。CC2530内部集成了33个16bit配置寄存器，15个命令选通寄存器，128字节的发送和接收缓冲区，以及速度高达10Mbits/s的SPI接口等。它是专门针对无线传感器网络设计的射频通信芯片，能够很好的满足无线传感器网络的需求。CC2530采用小型48脚QLP封装，有很多引脚是为了便于与后续产品兼容而设计的。 探测器 框图如图3-1所示 单片机 Zigbee接受 火灾探测器 报警 图3-1 探测器 部分框图 该系统通过按键设置工作地点的报警阀值范围，利用ZigBee短距离无线通信技术引入到单片机系统中，采用信息传输的方案进行了数据传输送入单片机进行存储和处理。分析后，将值送到显示电路进行显示。 （二） CC2530核心电路 如图图 3-2 CC2530应用电路 ，CC2530只需要很少的外部元器件，CC2530内部使用1.8V工作电压，因而功耗很低，适合于电池供电的设备；外部数字I/O接口使用3.3V电压，这样可以保持和3.3V逻辑期间的兼容性。 精彩文档 实用标准文案 C?CAPCAPC?VCCX?XTALC?CAP40393837363534333231DCOUPLP2^3/XOCS32K_Q2P2^4/XOCS3DVDD112K_QAVDD6P1^6P1^7P2^0P2^1P2^2U?CC2530R?RES1L?INDUCTOR123456710P1^0P0^7P0^6P0^5P0^4P0^3P0^2P^S1ET_NR0EP0^0GNDGNDGNDGNDP1^5P1^4P1^3P1^2P1^1DVDD2CC2530RBIASAVDD4AVDD1AVDD2RF_NRF_PAVDD3XOCS_Q2XOCS_Q1AVDD530292827262524232221X?C?C?CAPCAPL?C?CAPINDUCTORC?CAPC?CAP11121314151617181920XTALC?CAPC?CAP 图 3-2 CC2530应用电路图 Zigbee与单片机之间采用I2C总线进行数据传送，传送时时钟信号为高电平期间，数据线上的数据必须保持稳定，只有在时钟线上的信号为低电平期间，数据线上的高电平或低电平状态才允许变化，如图3-3所示 图3-3 IC总线 2精彩文档 实用标准文案 起始和终止信号 ：SCL线为高电平期间，SDA线由高电平向低电平的变化表示起始信号；SCL线为高电平期间，SDA线由低电平向高电平的变化表示终止信号。 数据传送格式 （1）字节传送与应答，如图3-4所示 每一个字节必须保证是8位长度。数据传送时，先传送最高位（MSB），每一个被传送的字节后面都必须跟随一位应答位（即一帧共有9位）。如果一段时间内没有收到从机的应答信号，则自动认为从机已正确接收到数据。 3-4 传送与应答 （三）报警部分电路 报警部分由陶瓷压电发声装置及外围电路组成，加电后不发声，当有键按下时，“叮”声，每按一下，发声一次，密码正确时，不发声直接开锁，当密码输入错误时，单片机的P2.1引脚为低电平，三极管T3导通轰鸣器发出噪鸣声报警。如图3-8所示： 图3-5 报警电路原理图 火灾报警系统软件设计 （一） ZIGBEE操作过程 用户MCU发送一次开始信号后，DHT11从低功耗模式转换到高速模式，等待主机开始信号结束后，DHT11发送响应信号，送出40bit的数据，并触发一次信号采集，用户可选择读取部分数据.从模式下，DHT11接收到开始信号触发一次温湿度采集，如果没有接收精彩文档 实用标准文案 到主机发送开始信号，DHT11不会主动进行温湿度采集.采集数据后转换到低速模式。 1.通讯过程如图4-1所示 图4-1 ZIGBEE通讯过程图 总线空闲状态为高电平，主机把总线拉低等待DHT11响应，主机把总线拉低必须大于18毫秒，保证DHT11能检测到起始信号。DHT11接收到主机的开始信号后，等待主机开始信号结束，然后发送80us低电平响应信号.主机发送开始信号结束后，延时等待20-40us后， 读取DHT11的响应信号，主机发送开始信号后，可以切换到输入模式，或者输出高电平均可， 总线由上拉电阻拉高，如图4-2 图4-2 ZIGBEE通讯过程图 总线为低电平，说明DHT11发送响应信号，DHT11发送响应信号后，再把总线拉高80us，准备发送数据，每一bit数据都以50us低电平时隙开始，高电平的长短定了数据位是0还是1.格式见下面图示.如果读取响应信号为高电平，则DHT11没有响应，请检查线路是否连接正常.当最后一bit数据传送完毕后，DHT11拉低总线50us，随后总线由上拉电阻拉高进入空闲状态。 附录1：PCB图纸 精彩文档 实用标准文案
附录2：元件清单
序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
编号 U1 U3 LED1 Q1 U2 R R R R R R 火灾探头 Zigbee模块 VCC3
名称 集成运放 单片机 发光二极 晶体管 蜂鸣箱 电阻 电阻 电阻 电阻 电阻 电阻 电阻 电阻 直流电源
型号 3554AM CC2530 LED_red 2N2218A 4V_0.5W 200Ω 400Ω 470Ω 4.7K 100Ω 330Ω 1.2Ω 1.8Ω 5V
数量 1 2 3 5 1 3 5 2 3 3 2 1 1 1
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实用标准文案 技术参数 通信方式: 频宽: 工作温度: 工作湿度: 通信距离: 状态显示: 警告音量: 探测类型: 工作电压: 产品尺寸: IEEE802.15.4(ZigBee) 2.4-2.4835 GHz -10~50℃ 最大95%RH 50m LED 85dB WL-FD-A A: 离子式 WL-FD-A E: 光电式 WL-FD-A A:100~230 V AC WL-FD-A E:9V DC 或 100~230V AC 92mm × 50mm 精彩文档
