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我國(guó)是一個(gè)海洋大國(guó)，海洋面積為陸地面積的三分之一，各類船艇在國(guó)防、國(guó)民經(jīng)濟(jì)和海洋開發(fā)等方面都占有十分重要的地位。船艇的基本部分為船體，其內(nèi)部有工作艙、生活艙、貯藏艙、儀器設(shè)備艙等各種用途的艙室。由于船艇艙室多為狹小的半封閉式空間，艙內(nèi)消防安全監(jiān)測(cè)尤為重要。 傳統(tǒng)的船艇艙室消防安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)一般采用有線監(jiān)控的方式，火災(zāi)探測(cè)器直接通過硬線與控制器連接。有線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)造價(jià)高、布線復(fù)雜、擴(kuò)展性差、設(shè)備后期維修困難。目前，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)在各種環(huán)境條件的監(jiān)控系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用，船艇艙室的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)使用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，不會(huì)出現(xiàn)傳統(tǒng)布線方法帶來的種種不便。由于消防安全為長(zhǎng)期的連續(xù)監(jiān)測(cè)，使用ZigBee這種安裝簡(jiǎn)單、能量消耗小的短距離無(wú)線通信技術(shù)十分適合。本文提出了一種基于ZigBee技術(shù)的船艇消防安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，在成本低、易于實(shí)現(xiàn)的前提下實(shí)現(xiàn)對(duì)船艇各個(gè)艙室內(nèi)部的消防安全監(jiān)測(cè)。 1．ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò) 1．1 ZigBee技術(shù)簡(jiǎn)介 ZigBee是一種低復(fù)雜度、低成本、低功耗、低速率的短距離雙向無(wú)線通信新技術(shù)，是建立在IEEE 802．15．4定義的可靠的物理層(PHY)和媒體訪問層(MAC)之上的標(biāo)準(zhǔn)。IEEE 802．15．4定義了兩類設(shè)備類型：精簡(jiǎn)功能設(shè)備(RFI))和全功能設(shè)備(FFD)。在ZigBee系統(tǒng)中，這兩類設(shè)備指的是物理設(shè)備類型。在 ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，一個(gè)節(jié)點(diǎn)可以有三種角色：ZigBee協(xié)調(diào)器、ZigBee路由器和ZigBee終端設(shè)備。ZigBee技術(shù)可實(shí)現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有三種：星形、樹形、網(wǎng)狀，如圖1所示。 1．2 ZigBee技術(shù)特點(diǎn) 相對(duì)于傳統(tǒng)的無(wú)線電、微波、藍(lán)牙、射頻等各種無(wú)線通信方式，ZigBee技術(shù)是最低功耗和最低成本的技術(shù)。ZigBee技術(shù)主要有以下特點(diǎn)： (1)功耗低，在低功耗模式下，2節(jié)普通5號(hào)電池使用時(shí)間為6～24個(gè)月。 (2)設(shè)備成本低，協(xié)議簡(jiǎn)單，協(xié)議免專利費(fèi)，搭建平臺(tái)的成本較低，適合廣泛使用。 (3)網(wǎng)絡(luò)容量大，可容納最多65 000個(gè)設(shè)備。 (4)網(wǎng)絡(luò)的自組織、自愈能力強(qiáng)，通信可靠。 2 船艇艙室消防安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng) 2．1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 船艇消防安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)探測(cè)火災(zāi)發(fā)生的原理是檢測(cè)火災(zāi)發(fā)生前后的煙濃度、溫度和光這三個(gè)物理參數(shù)的變化，利用分布在艙室待測(cè)區(qū)域內(nèi)的傳感器節(jié)點(diǎn)采集這些環(huán)境參數(shù)。 船艇消防安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)由硬件電路設(shè)計(jì)和系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)兩部分組成。使用ZigBee技術(shù)通過控制器和若干個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，搭建一個(gè)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)。多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)置于船艇各艙室內(nèi)，通過傳感器采集煙濃度、濕度、光強(qiáng)數(shù)據(jù)，將采集結(jié)果通過無(wú)線通信的方式發(fā)送到路由器節(jié)點(diǎn)，然后路由器節(jié)點(diǎn)再將數(shù)據(jù)以無(wú)線通信的方式發(fā)送到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)將收集的多個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理后，顯示在LCD顯示屏上，同時(shí)也可通過串口將采集信息傳輸至PC機(jī)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要結(jié)構(gòu)如圖 2所示。 2．2 功能模塊設(shè)計(jì) 系統(tǒng)選用的ZigBee設(shè)備為基于Jennic公司的JN5139 ZigBee解決方案，它提供了完整的ZigBee協(xié)議棧、軟件編輯、編譯／鏈接、調(diào)試、下載等工具。JN5139芯片是英國(guó)Jennic公司推出的高性能、低功耗的一系列無(wú)線芯片，該系列芯片天線的靈敏度高、功耗低、通訊距離遠(yuǎn)，為ZigBee技術(shù)提供了良好的解決方案。系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)框圖如圖3所示。 ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器模塊設(shè)備板載UART接口用于和嵌入式主板或PC連接，可進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸及軟件下載或調(diào)試。作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者，負(fù)責(zé)管理整個(gè) ZigBee網(wǎng)絡(luò)的組建和維護(hù)。傳感器節(jié)點(diǎn)／路由模塊設(shè)備采用2節(jié)5號(hào)電池供電，提供模擬傳感器和數(shù)字傳感器擴(kuò)展接口，用于連接煙濃度、溫度、光強(qiáng)度傳感器。作為路由節(jié)點(diǎn)或終端節(jié)點(diǎn)，其自身可采集數(shù)據(jù)，并可轉(zhuǎn)發(fā)其他節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包。 2．3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 軟件平臺(tái)同樣使用Jennic公司所提供的代碼編輯和編譯環(huán)境Jennic CodeBlocks。CodeBlocks是一款開源的C／C++開發(fā)工具，Jennic基于這個(gè)工具對(duì)其進(jìn)行擴(kuò)展形成了自己的開發(fā)平臺(tái)。Jennic Flash Programmer程序用來將CodeBlocks中編譯好的代碼下載到控制器板或傳感器板中。 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)在初始化過程中找到合適的信道，建立一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，循環(huán)檢測(cè)傳感器節(jié)點(diǎn)的綁定請(qǐng)求。當(dāng)傳感器節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)后，便可進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。傳感器節(jié)點(diǎn)的軟件流程圖如圖4所示。該程序的主要作用就是將傳感器節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)建立的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，實(shí)時(shí)讀取傳感器測(cè)得的環(huán)一境參數(shù)數(shù)據(jù)，并周期性地將這些數(shù)據(jù)發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。 3 結(jié)語(yǔ) 提出了一種以JN5139模塊為核心，基于ZigBee的船艇消防安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法。將ZigBee這種低功耗、高可靠性、可擴(kuò)展性強(qiáng)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用在消防安全監(jiān)測(cè)，避免了各種現(xiàn)場(chǎng)布線，加強(qiáng)了系統(tǒng)的靈活性和可靠性，提高了船艇消防安全監(jiān)測(cè)能力，更好地避免船艇火災(zāi)的發(fā)生。 |
