基于zigbee的森林火灾监测系统设计毕业论文(编辑修改稿)

基于zigbee的森林火灾监测系统设计毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

Ad Hoc 网络， 它允许 用多跳路由的途径在网络中传送数据。 这种网络结构 适合 用 于设备分布范围 较 广的应用，比如在货物库存 的 跟踪 、工业 上的 检测与控制 以及 农田 的 监管等方面。 星型网与对等网相互结合便形成了 混合网。 混合网 各个子网 的 内部以星型连接， 而它的 主器件又以对等 的方式相互连接。 信息流首先传至 同一 个 子网内 部 的主节点 上 ， 然后 通过网关节点 再 到达更高层 的 子网，随后继续上传 一直到其 到达中心采集节点 为止。 混合网可 以用在 覆盖 的 范围比较大的区域， 比 如智能 楼房 的控制网络。 但 是 由于任何 的控制和同步信息都要通过 多重 的 链路 来 到达接收点， 所以 要实现同步和控制 会 比较困难。 Zigbee的技术特点 目前的 无线通信技术主要有 蓝牙、 移动通信 、无线局域网 wifi 等几种模式。 由于 Zigbee 具有功耗低、价格低、 数据传输 速 率 低 、传 输范围小和支持 的节点众多等优点，因此它和 其他 的同类型陕西理工学院毕业设计 第 3 页，共 55 页 无线通信技术相比 之下，优势尽显无疑 [6]。 ①数据 的 传输速率低： Zigbee 技术 的数据传输速率仅 有 10k 字节 /秒到 250k 字节 /秒，专注于 传输 速率低 的 应用；功耗低：在 待机 的 模式下，两节普通 的 5号干电池 就能 使用 6 个月到 2 年，省 去了充电或 者 频繁更换电池的麻烦。 而 这也是 Zigbee 的支持者 们 一直 以来比较自豪 的 独到优势。 ②成本低： Zigbee 数据传输 的 速率低，协议简单，因此很 大 程度的 降低了成本， 且 Zigbee 协议免收专利费。 ③时延短：一般时延是 在 15 毫秒至 30 毫秒之间； ④ 安全： Zigbee 提供了数据完整性 的 检查和鉴权功能，加密算法采用 AES128，还 可以灵活 的确定它的 安全属性； ⑤ 有效范围小： Zigbee 有效覆盖范围为 10～ 75 米之间，具体依据实际发射功率的大小和各种不同应用模式而定，基本上可以 覆盖普通 家庭 环境 或 者 办公室 的 环境； 随着研究 进一步 的 深入，传感器将 会 变得更小，而且功能 也会越来越完善。 最终 他们 有可能会缩小至尘埃大小。 那 时 将会释放更多的 微小传感器 到大气中去 检测任何东西。 无线传感器网络技术在 工业自动化生产线的实时监测、 核电厂的 安全检测、实时数据采集以及井矿中 的应用，正变得 日渐 成熟。 在工厂安装 这种基于无线传感器网络 技术 的监测 系统必然会 大大的 改善工厂 运作 的 条件，降低设备 的 维护成本。 无线传感器网络 技术还 在工业自动化 的 领域 中 应用 ，与其他 的 领域有所不同， 它 主要表现在不同传感器 的 节点传输的数据量不同， 且传感器 的 节点往往是固定安装在生产线上，其网络节点一般是静态的。 因此，本设计将致力于研究一种基于 Zigbee的无线传感器网络系统，利用通信模块组建小型无线传感器网络，并进行传感器网络的软硬件设计。 烟雾超标报警器的意义在于可以实现对普通环境中烟 雾浓度进行实时检测，以减少烟雾有毒气体对人体的伤害，通过报警来警示人们所处环境的烟雾浓度过高。 现在家具产品多种多样，智能化、小型 化的节能、绿色、安全产品越来越受到普通大众的青睐。 该设计以其 智能 化、 小型 化并且设计的电路系统简洁明了、电路构成简单、 实用性强 、 易于维护 等特点能够广泛的应用于居民、企事业单位等多方面的安全防范。 本课题主要是研究并实现一个基于 Zigbee 协议的无线网络的火灾监控系 统 ，这个系统 由两 个部分组成：发送端 和 接收端。 本课题具体的研究内容大致有以下几部分，分别如下： 第一部分绪论 简单 的 介绍选题的背景，课题所用技术 Zigbee发展的国内外相关的研究现状，随后讲述了本课题要完成的任务以及所要实现的功能。 第二 部分 方案选择主要论述了本课题总体的设计思想及系统框图，对系统各个模块所用芯片进行了选择。 第三 部分 硬件设计主要 介绍了系统所用芯片的功能和特点，以及芯片之间连接的方法，并给出了详细的设计电路图。 第四 部分 系统 的软件设计 描述了 无线模块各个节点之间数据 传输 的原理以及主从模块软件设计流程。 第五部分系统调试主要论述了系统的软件调试和硬件部分各个电路的调试。 2 系统方案选择 森林火灾不仅给人类 经济 的 建设造 成 了 巨大 的 损失，破坏 了生态环境，而且也 威胁到 了我们 人类 的生命以及财产安全。 传统的森林防火方式不是很完善 ，只能做一些 简单的 防备措施， 而 不能主陕西理工学院毕业设计 第 4 页，共 55 页 动 的 实时 的 监控森林 具体 的 情况。 只要 了解 了森林火灾发生 的条件，防火系统 的 设计 也 就有迹可循。 Zigbee 无线传感网络具有功率小、成本低的优点，因此，本文基于 ZigBee 无线传感网络，构建了森林火灾监测系统，并通过监测烟雾对数据浓度实现火灾防范，完成一定范围内的监测报警。 根据设计要求，主模块具体分为主控芯片、时钟模块、显示模块、 传感器模块、无线模块这五个部分，系统框图如图 ： S T C 8 9 C 5 2 模 模S T C 8 9 C 5 2 模 模C C 2 5 3 0 模 模C C 2 5 3 0 模 模模 模 模 模 模 模模 模 模 模 模 模L C D 模 模 模 模模 模 模 模模 模 模 模 模 模 模 模 模 模 图 基于 Zigbee 的火灾报警系统 原理框图 AT 系列和 STC系列单片机的选择： AT89C 系列 单片机不能进行在线编程， AT89C 系列和 STC系列都可以 ISP 在线编程，但 是 STC可通过串口在线编程，而 AT 系列采用并口编程方式，相对来说， STC的编程方式更为简单也较 为 普遍，基于这一点，本设计选择 STC系列。 51 和 52 系列的选择： 51系列具有 4KROM存储 空间，而 52系列有 8KROM 存储空间，容量较 51 来说大一些。 根据以上分析，本次毕业设计采用 STC89C52 芯片， STC89C52 是一款功耗低，高性能的 8 位 CMOS微控制器，具有 8K 可编程 Flash 存储器，方便下载程序，性价比高，能较好的适应本实验要求。 方案一：采用单片机内部定时计数器实现时钟功能， 通过计算可以知得，使定时器每 25ms 产生一次中断，当产生 40 次中断后秒单元将加一，依次类推，进而实现时、分和秒的计时，并通过LCD1602 对时间加以显示。 方法较为简单，简化硬件电 路，但在时间精度上必然与实际时间有一定的差距，不符合设计中对实时显示精度的要求，故不采用此方案。 方案二：采用 DS1302 实时时钟芯片， DS1302可提供精准的秒、分、时、日、星期、月和年等时间信息，耗电低，工作电压较宽，有专用的内部寄存器用于存放定时信息，可实现对开关的定时控制要求。 故采用 DS1302 来作为时钟芯片。 方案一 :采用 LED数码管显示。 LED数码管具有亮度大，接口电路简单，价格便宜等优点，但它只能显示数字和简单字母，而设计中要求显示时、分、秒、年、月、 日等多个信息，使用数码管的话会使硬件电路设计庞杂，而且连线复杂，单片机接口欠缺，不够使用，故不采用此方案。 陕西理工学院毕业设计 第 5 页，共 55 页 方案二 :采用 LCD1602液晶屏显示。 LCD1602使用非常普遍，在生活中很多地方都能见到 LCD1602液晶显示屏，例如计算器，遥控器，家用电器等，它主要用来显示数字，字母，专用字符和图形，具有显示质量高、功耗低、体积小等优点，此外， LCD1602 采用数字式接口，与单片机连线简单，故采用 LCD1602来显示时钟。 烟雾传感器的主要分为 离子式烟雾 传感器 、 光电式烟雾传感 和 气敏式烟雾传感器。 （ 1） 光电式烟雾传感 器： 光电式烟雾传感 器 烟雾传感 器 内 部 有一个光学迷宫，安装有红外对管，没有 烟 雾 时红外接收管 接 收不到红外发射管发 射 出的红外光 线 ，当烟 雾 进入光学迷宫时，通过折射、反射 后 ，接收管接收到红外光 线 ，报警电路判断是否超过阈值，超过 则 发出警报 ，反之则不然。 （ 2） 离子式烟雾 传感器 ： 离子式烟雾传感器是一种 采用 先进技术， 工作稳定可靠的传感器， 广泛 的 运用到各 种 消防报警系统中， 它的 性能远 远 优于 由光电式烟雾传感器构成 的火灾报警器。 （ 3） 气敏式烟雾传感器 ：该 烟雾传感 器 是一种检测特定气体的传感器。 它主要包括半导体气敏传感器、接触燃烧式气敏传感器和电化学气敏传感器等，其中用的最多 的是半导体气敏传感器。 半导体气敏元件有 N 型和 P 型之分。 N 型在检测时 其 阻值随 着 气体浓度的增大而减小 ， P 型阻值随气体浓度的增大而增大。 当温度在 200～ 300℃ 时 半导体气敏元件 让 空气中的氧吸附 在元件表面 ， 当氧负离子吸附在 半导体气敏元件 表面可以 形成氧负离子吸附， 氧负离子的减少就会 使半导体中的电子密度减少， 从而 使其电阻值增加。 当遇到 空气中 可燃气体时，由 于 可燃气体能 够提 供 给 电子 ，可燃气体中就会有 正离子 附着 在金属氧化物半导体 的 表面 ， 氧 负离子 放出电子 使 可燃 性 气体 也以正离子 的吸附 而 放出 了 电子， 阻值下降 就是因为 半导体电子密度 的 增加。 此次使用的 气敏式烟雾传感器 选择的具体型号为 MQ2。 该传感器常用于家庭 以及 工厂的气体泄漏装置，适宜于烟雾、酒精、丁烷、丙烷、甲烷、液化气、氢气等的探测。 本设计选用 的 MQ2型气体传感器，这种型号的传感器的特点是灵敏度高、响应快、抗干扰能力强、寿命长、价格低廉等优点。 的 选择 方案 一 ：基于 红外线强度的火灾报警系统 基于红外线强度的火灾自动报警系统，其核心是利用 51单片机作为控制中心，火焰传感器作为信号采集工具，键盘作为系统配置红外信息中介，数码管作为信息显示器，蜂鸣器和 LED灯作为 声光报警装置。 本文主要负责软件部分的设计，主要完成了整个系统的软件设计及实现。 整个系统共分为四个模块，有 A/D转换模块，键盘输入模块，数码管显示，声光报警模块。 方案二： 基于蓝牙设计的火灾报警系统 蓝牙技术是一种短 距离 无线通信技术，用 于 替代数字设备和计算机外设间的电缆连线 ， 以及实现数字设备间的无线组网 [7]。 首先由单片机通过蓝牙模块接收数据，然后将该数据导入 LCD屏进行显示，同时单片机对烟雾值进行分析处理， 将 烟雾值与设定值进行比较，若烟雾值大于设定的值即刻启动报警。 方案 三 ：基于 Zigbee的火灾报警系统 ZigBee 是一种用于近距离无线连接的无线通信技术。 ZigBee 传感器网络由大量具有不同功能的微小传感器 来 实现组网，这些传感器只需 很少的能量就能以接力的方式将数据从一个节点传到下一个 节点，所以 ZigBee 网络具有很高的通信效率 [8]。 Zigbee 模块 接受到来自传感器的数据后 显示 数值 ，并根据事先定制好的规则判断烟雾 是否超标 ，如果有烟雾 超标 则 发出报警信息， 并 驱动报警电路发出报警。 几种无线传输方式的比较如表 所示。 表 几种无线传输方式的比较 陕西理工学院毕业设计 第 6 页，共 55 页 蓝牙 红外 Zigbee 系统开销 较大 小 小 电池寿命 较短 长 最长 网络节点 2 255/65000+ 物理范围（有效） 10m 定向 1m 1100+ 传输率 1Mbps 16Mpbs 20/250Mbps 传输介质 射频 980nm 红外 射频 根据国家相关标准，火灾报警 系统 应具有故障修复 的 功能 来 保证 系统 正常运行。 系统 除了 具有比 较好的 稳定性 、 实时性 和 可靠性外，我们 也 希望 低成本 ， 这样 方便 于 我们 较 大规模地在 森林 内布置节点。 除此之外 系统 也 应 该 做到 较 节能，以便 于 系统长时间 的 运行， 这样就 避免 了 频繁 得 更换 电池给用户 所 带来的 不便。 所以 在选择 用来构建 无线火灾报警 系统 的无线技术时，必须考虑到火灾报警系统的这些需求 [9]。 因此，综合考虑成本、易操作性、系统性能等因素，最终选择方案三。 陕西理工学院毕业设计 第 7 页，共 55 页 3 硬件设计 本次设计的森林火灾监测系统硬件部分主要由 ZigBee模块、主控芯片（ STC89C52）、时钟部分DS130显示部分 LCD160温度传感器电路、烟雾检测电路 和 报警电路部分组成。 各部分相互协作，构成有机统一的整体，从而实现通过烟雾浓度实现火灾防范的功能。 单片机 最小系统的设计 STC89C52 具有 的 特点 是 ： 40 个引脚， 128 比特 随机存取数据存储器（ RAM）， 4KB 片内程序存储器， 5个中断优先级 ， 2 层中断嵌套中断， 32。