基于ZigBee技术的智能应急照明系统

基于ZigBee技术的智能应急照明系统 刘明生1。苗森2，李燕1 (1．邯郸学院，河北邯郸056005；2．河北工程大学信息与电气工程学院，河北邯郸056038) 摘 要：为了解决传统应急照明系统中诸如应急照明灯使 用寿命短、不易于人为控制、系统功能较为单一等问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 ，提出了 一种基于ZigBee技术的智能应急照明系统 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 。系统中 的各应急灯节点以CC2430射频芯片+温度、光照传感器为核 心，在此基础上建立无线传感网络，用于发送和接收数据。实 验证明：该系统能够根据采集的数据和接收到的命令实现智能 自我控制，并能实时地采集环境的温度，实现火灾预警功能。 关键词：应急照明系统；无线传感网络；ZigBee；火灾预警 中图分类号：X924．4，TU926．23文献标志码：A 文章编号：1009—0029(2013)01—0059—04 传统应急照明系统主要由分布在不同位置的应急照 明灯组成，它既可以在突然断电的情况下给人们带来方 便，也可以在诸如火灾发生时帮助人们快速、安全地逃 生。然而，传统应急照明系统中的应急照明灯缺少实时 监测和控制部分，经常出现能源的无故浪费(如在光照强 度很大时停电，普通的应急照明灯也会发光)和电池的过 充或过放等问题，降低应急灯的使用寿命，而且传统的应 急照明系统中各个应急灯相互独立，缺乏远程控制方面 的考虑，也没有火灾预警功能。 ZigBee技术是一种近距离、低速率、低成本的双向无 线通信技术，与蓝牙、wi—Fi、红外等无线通信技术相比， 它具有低成本、低功耗、可靠的数据传输和安全等诸多优 点。基于ZigBee的无线传感网络是由大量的具有数据 采集、收发和处理能力的节点自组织形成。笔者主要研 究如何利用基于ZigBee的无线网络来解决传统应急照 明系统中存在的问题。 1 系统架构和实现原理 基于ZigBee的智能应急照明系统的工作原理：基于 ZigBee技术建立无线网络，分布在不同区域的应急照明 灯节点可以通过直接或间接的方式加入网络；加入无线 网络的应急照明灯节点可以采集应急照明灯内部或者周 围环境参数，并能够将采集到的数据传送给数据收集设 备(协调器)；数据收集设备可以通过串口将数据传送给 监测控制中心，进行数据的 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 和处理；监测中心用户可 以实时地查看节点周围的状态并可以通过发送控制命令 (单播或者广播的形式)控制整个系统。此系统主要由协 调器节点、路由器节点和应急照明灯节点组成树状网络， 系统架构如图1所示。 应急照HJJ 应急照明 应急照明 tr竹点 ，上J竹点 灯节点 应急照明僻趋盟．I圳 啦急照H』| 灯竹点 灯节点 灯节点 图l 基于ZigBee的智能应急照明系统 2 系统实现 在每个不同的区域(一般为不同的楼层)内放置路由 器节点和应急照明灯节点，多个应急照明灯节点可以加 入区域内的路由器节点，并将采集的数据发送给路由器 节点，不同区域的路由器节点加入协调器，将区域内应急 照明灯节点发送的数据和自己采集到的数据转发给协调 器节点，协调器节点通过串El将接收到的数据发送给上 位机，上位机分析数据显示各应急照明灯节点的位置及 周围环境的火灾险情。 2．1 硬件设计及功能说明 在各个应急照明灯上安装ZigBee无线收发模块、数 据采集模块构成智能应急灯节点。应急照明灯节点能够 通过数据采集模块实时地采集应急照明灯的内部电压以 及周围的环境参数等数据，并根据采集数据控制应急照 明的工作状态(充放电状态和亮灭状态)。为了简化设 计，协调器节点和路由器节点仅包含无线收发模块和电 源模块，电源由外部提供。应急照明节点包含无线收发 模块、数据采集模块和应急灯电路三部分，电源部分由应 急灯外部电源和应急灯内部电池提供，节点硬件的设计 框图如图2所示。 图2应急照明灯节点框架图 基金项目：河北省自然科学基金项目(F2010001923)；邯郸市科学技术研究与发展计划项目(1220103080) 消防科学与技术2013年1月第32卷第1期 59 万方数据 2．1．1无线收发模块 无线收发模块包括：CC2430芯片基本外围的电路、 供电电路、Flash存储单元、复位电路、串口电路等。 CC2430是一种低功耗、高性能的射频芯片．使用了与 CC2420的相同的ZigBee射频(RF)前端并将其与8051 内核芯片集成在一起，因而设计时无需考虑单片机与RF 芯片的连接。考虑此系统对数据量要求不是很大，所以 系统不再外加其他MCU，使用CC2430内部集成的805l 芯片作为整个节点的主控制器，也节约了系统成本。根 据CC2430芯片的应用手册并结合应急灯内部特性，此部 分电路设计应包括3．3V和1．8V电容滤波电路、晶振 电路、巴伦电路、状态 检测 工程第三方检测合同工程防雷检测合同植筋拉拔检测方案传感器技术课后答案检测机构通用要求培训 电路以及复位电路七部分。巴 伦电路是为了实现CC2430提供的差分天线接口和单端 口天线的转换。 2．1．2数据采集模块 数据采集模块主要包括电压采集电路、温度传感器、 光传感器芯片。 CCE430芯片内部集成了8路14位A／D转换器，Po 口作为8路通道的输入，设计中使用Po的～个管脚作为 A／D输入各应急灯节点，实现电池电压的实时采集，电压 采集电路主要用于在停电时和有电时分别检测电池的电 压，控制电池的充放电，实现过放保护和过充保护。 温度传感器选用DSl8820芯片，该芯片为单总线温 度传感芯片，无需外部电源，可用数据线供电。温度传感 器主要用来采集节点外部环境温度，收集设备通过温度 判断实现火灾预警，由于系统对温度精度的要求不高，所 以设计时设置其精度为l。 TSI．2561是一种高速、低功耗、宽量程(0～40000 I．ux)、可编程灵活配置的光强传感器芯片，它遵循I!C标 准，通过对光照强度的判断控制应急照明灯只有在停电 且外部光线较弱时才会发光，进而实现省电的功能。 根据DSl8820和TSI．2561数据手册可知，3．3V包 含在两个传感芯片的可工作电压范围内，所以传感模块 和无线收发模块的电源均可由应急灯电池和应急灯电源 模块经I．M7805芯片及滤波电容后提供。 2．2软件设计 ZigBee协议栈按照功能的不同分为应用层、网络层、 介质访问控制子层和物理层，它是基于802．15．4的物理 层和介质访问控制子层功能之上实现高层功能的。协议 栈的每一层必须为上一层提供数据实体和管理实体两个 功能服务实体，它们通过相应的实体服务接入点为上层 提供数据和管理服务。 2．2．1 网络组建 系统中协调器节点、路由器节点以及终端节点的应 用程序的设计都是在TI公司的Z—Stack1．4．3协议栈 60 基础之上开发的。Z—Stack协议栈是使用C语言开发， 使用IAR7．3B可以打开协议栈工程并在其基础上进行 相应的开发。Z—Stack协议栈工程可以完成基本的建立 网络和无线发送等功能，简化了软件开发的难度。 协调器节点上电后，首先要进行一些初始化工作，经 过初始化阶段后，协调器节点开始扫描信道并建立网络， 等待终端节点的加入，一旦有终端节点加入，协调器将判 断地址分配空间是否足够，如果足够的话，可以为终端节 点分配16位网络地址。 应急照明灯节点和路由器节点上电并初始化后开始 寻找网络，请求加入网络，若请求加入网络成功则会获得 ～个16位全网唯一的短地址，用于在网内标识此节点。 加入网络后，节点将请求与协调器间的绑定。如果 没发现收集节点，它将周期性地继续搜索。完成绑定后， 节点可以向收集节点发送采集的传感参数。协议栈运行 时，在初始化任务的时候将调用任务添加函数，每个任务 分别对应相应的任务初始化函数和任务处理函数，分别 完成任务的初始化和相应操作功能。 2．2．2功能实现 节点上电并完成任务的初始化后，将执行任务处理 函数SampleApp—ProcessEvent(uint8task—id，uintl6 events)，在任务处理函数中将完成节点参数的采集和数 据的接收和发送。节点首先将判断参数，根据设定的阈 值控制应急灯的工作状态，然后再把数据发送给协调器 节点。任务处理函数设定为时间触发，即定义每隔一段 时间执行任务处理函数来采集参数。节点工作流程如图 3所示。 图3应急照明灯节点程序流程图 上位机的控制命令长度为9个16进制数据，采取 “IEEE地址+控制字符”的形式。IEEE地址共64位，由 8个16进制组成，控制字符由1个16进制组成。协调器 HreScienceandTechnolo科，January2013．Vol32．No．1 万方数据 收到上位机的命令后分离出IEEE地址和控制字符，并 根据IEEE地址调用APSME—I。ookupNwkAdd¨IEEE— ADDR，&SendDataAddr．addr．shortAddr)函数，获取终 端节点的短地址，通过短地址发送的形式将上位机的控 制命令发送给相应的应急照明灯节点，节点收到命令并 进行判断后执行相应操作(如打开或关闭应急照明灯，检 测并报告LED工作是否正常等)。 2．2．3上位机软件的设计 上位机通过RS一232与协调器节点进行通信。上位 机软件主要采用JAVA语言开发并在Jcreatorle下调 试。上位机软件主要实现串口收集节点发送的数据，对 数据进行处理、将接点发送的数据存人数据库、向相应的 节点发送控制命令、显示节点周围的温度情况，实现实时 火灾预警等功能，具体的工作流程如图4所示。 图4上位机软件流程图 3实验结果及分析 实验硬件部分采用50个应急照明节点、5个路由器 节点和1个协调器节点，放于某11层的楼宇内的不同位 置构建智能应急照明系统进行测试，协调器节点放于中 间楼层(6层)，使用RS一232与上位机相连。测试内容 为：系统中应急照明灯节点能够正常工作的情况(包括报 告电池电压、环境温度、监控是否有安全隐患)和系统中 各个节点的抗干扰能力(主要测试有墙阻情况下各节点 的数据传输距离与丢包率)。 3．1 系统工作状态测试 测试了应急照明灯节点在三种环境下I。ED的发光 情况：一是光照较强的情况下突然停电；二是将TSI。256l 传感器感光面盖上，模拟在光照相对较弱环境的时候停 电；三是光照较弱的情况下突然停电．并发送打开LED 命令给节点。在每种情况下应急灯节点的LED都能够 工作在预期的状态下(三种情况下应急灯分别为灭、亮、 灭)。结合JAVA开发的上位机软件，能够显示网络中应 急照明灯节点的位置，并检测当前终端节环境的温度是 消防科学与技术2013年1月第32卷第1期 否超过阈值，实现火灾监测。为了测试系统的实时性和 稳定性，笔者在节点间隔大约50m(路由器与应急照明 灯节点之问)时，人为地使其中的两个节点温度超过阈 值，然后打开上位机软件进行测试。测试发现，上位机监 视界面能够实时地显示网络中所有节点的险情情况(位 置和网络地址等)，并对有险情节点和无险情节点进行区 分显示(有险情的标示为红色，无险情的标示为绿色)。 点击上一步测试中上位机监视界面相应节点的按钮时． 可以查看此节点详细信息(电池电压、环境温度、使用情 况、险情情况、节点位置、节点地址等)并能控制该节点。 3．2 系统抗干扰能力测试 系统所受的干扰主要来自节点间有墙阻(障碍物，测 试中墙阻以宿舍楼厚约24cm的钢筋混凝土墙为例)、节 点通信距离、节点发射频率等对节点间通信的影响。为 了降低测试难度，系统中所有节点不进行任何的扩频处 理，所有节点在数据传输过程中的频率相同。选取系统 中的节点进行测试，节点数据通信过程中的丢包率与墙 阻数和传输距离的关系如表1所示。 表1 节点传输丢包率统计 节点距离协调器 墙阻数／个 丢包率 (路由器)距离／rn O O 50 1 O 2 2％ O 0 75 I 3％ 2 7％ O 3％ 90 l lO％ 2 20％ 由表1可知，在相同的发射与接收频率下，系统中的 节点间通信主要与节点与路由器的距离和节点间的墙阻 数有关，且受墙阻的影响相对较大，系统施工中应尽量减 少或避免应急照明灯节点与路由器节点之间的墙阻，在 较高层的建筑物中每个楼层都应布置路由器节点，用于 转发数据，而且路由器节点尽量统一放置于楼道外部。 4 结束语 为了解决传统应急照明系统存在的问题，笔者构建 了基于ZigBee的无线传感网络，通过将CC2430芯片及 传感器芯片植入应急照明灯，使应急照明灯不但能够根 据光照和电池电压等参数智能的控制应急照明灯的工作 状态，达到节省电源和延长应急灯使用寿命的效果，还具 有加入无线网络的能力，可通过无线网络将采集到的温 度等参数发送给收集设备进而传送给上位机，并接受上 位机的控制命令，实现火灾预警和对应急照明灯的人工 智能控制。 61 万方数据 (上接第58页) 高了系统适应故障的能力，提高了鲁棒性。消防炮的视 觉定位可以通过在误差允许范围内对保护区域合理的布 站，调整安装参数，使用高精度的测量装置对安装参数进 行测量，使定位精度尽可能提高。并通过滤波对定位结 果进行处理，去除误差较大数据，使得结果更加精确。仿 真实验表明交汇测量可以在大空间建筑的火灾定位中应 用，满足系统设计要求，并且在露天环境及森林火灾等超 大距离火灾监测方面也有着积极的应用价值。 参考文献： [1]侯杰，钱稼茹。赵作周，等，高大空间建筑火灾探测及扑救技术发展 思考[J]．华中科技大学学报(城市科学版)．2008，25(4)：196 202． [2]闫龙，赵正旭，周以齐．基于CCD的立体视觉测量系统精度分析 与结构设计研究EJ]．仪器仪表学报，2008，29(2)：410—413． [3]罗晓晖，杜召彬，MSA火灾报警系统中图像型火源定位研究[J]． 计算机工程与应用，2009，13(6)：22l一223． E4]姚树响．基于图像型的火灾探测及定位技术的研究[D]．重庆：重 庆大学，2009． [5]陈莹．大空间图像型火灾探测和自动灭火技术的研究[D]．天津：天 津大学，2006． [6]闵永林．大空间智能消防水炮灭火系统研究[D]．上海：上海大学， 2010． [7]冯引安。李引贤，侯瑞宁．图像型火灾空间定位研究[J]．系统仿真 技术，2009，5(3)：182186． [8]郭厚煜．基于图像处理的火灾定位研究[J]．华东交通大学学报， 2005．22(4)：84—87． Firelocatingofintelligencefirecannon basedonCCDinlargespacebuilding XUFei。WANGHui—qing，LUYing，MAZong-fang (Schoolof1nformationandControlEngineering，Xi’anU— niversityofArchitectureandTechnology，ShaanxiXi’an 710055。China) Abstract：Basedontheprincipleofstereovisionandverticalin terseetionofmeasurementstolocatethefireandfilterlocator dataoftheCCDsensorusingprobability，thelocatingdataac— curacywasimprovedtoservethefiresafetyoflargespace building．Bycomparingexperimentalsimulationandtraditional firelocationway，itwasshowedthatthismethodmentionedin thearticleismoreaccurateandreliable，andwillbewidelyap— pliedinthefieldoffireallocation． Keywords：largespacebuilding；firecannon；firelocation；vi sionmeasurement 作者简介：徐 飞(1987一)，男，江苏徐州人，西安 建筑科技大学信息与控制工程学院硕士研究生，主要 从事机器视觉、图像型火灾探测、消防炮定位等研究， 陕西省西安市碑村区雁塔路中段13号，710055。 收稿日期：2012一09—08 -¨¨_．’¨¨。¨¨-¨¨I．r‘。⋯4¨¨‘¨¨．¨¨I一¨¨。’1'_‘¨¨⋯¨¨’1¨¨’’¨¨一4’¨¨_‘¨¨‘¨¨-¨¨_‘’¨¨·¨¨I。¨¨-⋯⋯‘¨¨I 参考文献 [1]周宝昌．智能应急照明系统在民用建筑设计中的应用[J]．建筑电 气．2009．28(10)：38—40． [23任秀丽，于海斌．ZigBee无线通信协议实现技术的研究EJ]．计算机 工程与应用，2007，43(6)：143—145． E3]徐敬东，赵文耀，李淼，等．基于ZigBee的无线传感网络设计[J]．计 算机工程，2010，36(10)：110一112． [4]DaeManHan，JaeHyunLim．Samrthomeenergymanagement syslemusingIEEE802．15．4andZigBeeEJ]．IEEETransaction ConsumerElectronics，2010，56(3)：14031 409． [5]李文种，殷朝玉．ZigBee2006无线网络与无线定位实战[M]．北京： 北京航空航天出版社，2007． [6]袁洪芳，齐鹤，柯细勇，等．ZigBee无线传感网络在机泵智能监测中 的应用[J]．计算机工程与设计，2011，32(2)：535—538． 62 Intelligentemergencylightingsystem basedonZigbeetechnology LIUMing—shen91，MIAOSen2，LIYan (1．HandanCollege，HebeiHandan056004，China；2．Infor “I‘I“Il_·。Plih,O,II¨¨4㈨-一¨¨IIIIl_·⋯hl_’’Ih··。lIh·’¨¨I|，。‘hi mationandelectricalengineeringinstitute，Hebeiuniversityof engineering，HebeiHandan056038，China) Abstract：Inordertosolveproblems，suchasemergencylamps haveshortservicelife．hardtocontroi．system{unctioniSsin— gleinthetraditionalemergencylightingsystem，proposedain— tetligentemergencylightingsystemdesignschemebasedonthe ZigBeetechnology．EmbeddedCC2430RFchipandtempera— lure，lightsensorsintheemergencylampnodeasthecore，on thebasisofthis，buildingawirelessnetworktotransmitand receivedata．Experimentsshowthat：thesystemnotonlycan realizeintelligentselfcontrolaccordingtoanalysisthecollected dataandthereceivedcommand。butalsocanrealizefirealarm functionwithreal—timeenvironmenttemperaturecollected． Keywords：emergencylightingsystem；wirelesssensornet— work；ZigBee；firewarning 作者简介：刘明生(1960一)，男，江苏扬州人，邯郸 学院副院长，教授，博士，主要从事无线传感网络、网络 与信息安全等方面的研究，河北省邯郸市邯山县学院 北路530号，056005。 收稿日期：2012一09—13 FireScienceandTechnology,January2013，Vol32，No．1 万方数据 基于ZigBee技术的智能应急照明系统 作者： 刘明生， 苗森， 李燕， MA Zong-fang， XU Fei， WANG Hui-qing， LU Ying， MA Zong-fang 作者单位： 刘明生,李燕,MA Zong-fang,WANG Hui-qing,LU Ying,MA Zong-fang(邯郸学院,河北邯郸,056005)， 苗 森,XU Fei(河北工程大学信息与电气工程学院,河北邯郸,056038) 刊名： 消防科学与技术 英文刊名： Fire Science and Technology 年，卷(期)： 2013,32(1) 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_xfkxyjs201301018.aspx