1、 全 国 大 学 生 嵌 入 式 物 联 网 设 计 大 赛2014“TI”全国大学生嵌入式物联网设计大赛作品设计报告森林火灾预防监测系统Forest fire prevention monitoring system设计报告参赛学校：西安工业大学作 者：郝腾腾 侯灿灿 白海军指导教师：任安虎全 国 大 学 生 嵌 入 式 物 联 网 设 计 大 赛摘 要森林是人类的发源地,为人类原始文化的创立提供了场地。森林是陆地生态系统的主体,是陆地上面积最大、结构最复杂、生物量最多、初级生产力最高的生态系统。为了更好的保护森林资源，我们设计了森林火灾预防监测系统。能及时的获取到森林中的各项数据，并且及时
2、传回，分析可能发生火灾的区域，或许发现火灾后及时报警。本系统采用 Zigbee 技术，实现对大面积森林的安全环境状况进行监测。该网络具有极高的移动性与灵活性。在无线网的信号覆盖区域内，任何一个位置都可以接入网络。并且具有极高的性价比。关键词： Zigbee、森林火灾监测、高性价比AbstractThe forest is the cradle of humankind, providing a venue for the creation of human primitive culture. Forests are the main terrestrial ecosystems, is a
3、land area is the largest, most complex structure, the most biomass, primary productivity ofecosystems. In order to protect forest resources better, we designed the forest fire prevention monitoring system. Timely access to all the data in the forest, andpromptly returned, analysis of possible fire a
4、rea, fire alarm may be found.The system uses Zigbee technology, realize the monitoring of the securityenvironment in large area forest. Mobility and flexibility of the network with high. In the wireless network coverage area, any one location can access network. Andhas a very high price.Key words: Z
5、igbee、Forest fire monitoring、High price全 国 大 学 生 嵌 入 式 物 联 网 设 计 大 赛目 录目 录 .0第 1 章 绪 论 .11.1 ZigBee 技术简介 11.1.1 设计背景 11.1.2 Zigbee 技术概述 .11.1.3 ZigBee 技术特点 21.1.4 CC 2530 芯片简介 3第 2 章 系统方案 .52.1 系统总体方案 5第 3 章 系统功能 .73.1 系统功能 7第 4 章 实现原理 .84.1 系统网络结构 84.2 主要通信协议 Zigbee 协议 .94.2.1 协议框架 94.2.2 通信流程 94.3
6、 数据通信帧结构 104.3.1 协调器至 PC 数据帧格式 .104.3.2 传感器至协调器数据帧格式 .11第 5 章 硬件框图 .125.1 协调器模块硬件框图 .125.2 数据采集终端硬件框图 .125.2.1 温度检测终端硬件框图 .125.2.2 烟雾采集终端硬件框图 .135.2.3 火焰采集终端硬件框图 .14第 6 章 硬件电路简介 .156.1 Zigbee 节点硬件电路图 .156.1.1 CC2530 模块硬件电路 .156.1.2 CC2530 串口硬件电路图 .156.2 火焰检测硬件电路图 .166.2.1 火焰检测模块电路 .166.3 温度检测硬件电路图 .
7、166.3.1 温度检测芯片 SHT10 连接电路 16第 7 章 软件设计 .187.1 PC 机监控平台软件设计 .187.2 协调器软件设计 197.3 终端节点软件设计 .19第八章 系统测试方案 .228.1 Zigbee 节点测试 .228.2 传感器芯片测试 .228.3 PC 监控平台软件测试 .22全 国 大 学 生 嵌 入 式 物 联 网 设 计 大 赛第九章 测试数据及结果分析 .239.1 测试仪器和设备 .239.2 温湿度传感器 .239.3 可燃气体传感器 .239.4 火焰传感器 239.5 PC 监控平台测试 .249.6 手机接收短信模块测试 .24第十章
8、实现功能 .25第十一章 系统特色 .2611.1 无线特色 2611.2 传感器特色 2611.3 PC 监控平台特色 .26结论 27全 国 大 学 生 嵌 入 式 物 联 网 设 计 大 赛0第 1 章 绪 论1.1 ZigBee 技术简介1.1.1 设计背景森林是人类的发源地,为人类原始文化的创立提供了场地。森林是陆地生态系统的主体,是陆地上面积最大、结构最复杂、生物量最多、初级生产力最高的生态系统。因为长期以来人类对森林进行农用地开垦、森林资源大规模开发利用和森林灾害(尤其是火灾)和工业污染所造成的森林面积锐减,森林质量严重下降的现象越来越普遍。森林火灾是森林最危险的敌人，也是林业最
9、可怕的灾害，它会给森林带来最有害，具有毁灭性的后果。森林火灾不只是烧毁成片的森林，伤害林内的动物，而且还降低森林的更新能力，引起土壤的贫瘠和破坏森林涵养水源的作用，甚而导致生态环境失去平衡。尽管当今世界的科学在日新月异地向前发展，但是，人类在制服森林火灾上，却依然尚未取得长足的进展。为了更好的保护森林资源，我们设计了森林火灾预防监测系统。能及时的获取到森林中的各项数据，并且及时传回，分析可能发生火灾的区域，或许发现火灾后及时报警。及时预防防患于未然，及时向指挥台发送灾情防止火灾扩大。在时间上战胜火灾保护森林保护资源，更早发现灾情，及时报警，及时补救。着眼于本次设计，我们决定使用更方便，更高效的
10、无线通信网络。相对于有线网，无线网络不仅接入灵活、操作方便而且符合家庭内部网络的通讯特点。目前实现组建智能家居网络的技术括蓝牙、WiFi、以及极具发展潜力的ZigBee。ZigBee 技术是近几年发展起来的一种短距离无线通信技术，应用在控制和监控场合的无线通信方式。它使用 2.4GHz 波段，采用跳频和扩频技术。鉴于 ZigBee 技术的低成本、低功耗，低速率的特点，使其成为我们本次设计的最佳选择。1.1.2 Zigbee 技术概述ZigBee 技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术。主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周
11、期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用。ZigBee 技术的命名主要来自于人们对蜜蜂采蜜过程的观察，蜜蜂在采蜜过程中，全 国 大 学 生 嵌 入 式 物 联 网 设 计 大 赛1跳着优美的舞蹈，其舞蹈轨迹像“Z”的形状，其蜜蜂自身体积小，所需要的能量少，又能传送所采集的花粉，借此意义 Zigbee 作为新一代无线通讯技术的命名。在此之前 Zigbee 也被称为“HomeRF Lite” 、 “RF- EasyLink”或“fireFly”无线电技术，目前统称为 Zigbee。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 Z
12、igbee 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
13、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。 1.1.3 ZigBee 技术特点ZigBee 是一种无线连接,可工作在 2.4GHz(全球流行)、868MHz(欧洲流行)和 915 MHz(美国流行)3 个频段上,分别具有最高 250kbit/s、20kbit/s 和40kbit/s 的传输速率,它的传输距离在 10-75m 的范围内,但可以继续增加。作为一种无线通信技术,ZigBee 具有如下特点:(1) 低功耗: 由于 ZigBee 的传输速率低,发射功率仅为 1mW,而且采用了休眠模式,功耗低,因此 ZigBee 设备非常省电。据估算,ZigBee 设备仅靠两节
14、 5 号电池就可以维持长达 6 个月到 2 年左右的使用时间,这是其它无线设备望尘莫及的。(2) 成本低: ZigBee 模块的初始成本在 6 美元左右,估计很快就能降到1.52.5 美元, 并且 ZigBee 协议是免专利费的。低成本对于 ZigBee 也是一个关键的因素。(3) 时延短: 通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短,典型的搜索设备全 国 大 学 生 嵌 入 式 物 联 网 设 计 大 赛2时延 30ms,休眠激活的时延是 15ms, 活动设备信道接入的时延为 15ms。因此ZigBee 技术适用于对时延要求苛刻的无线控制(如工业控制场合等)应用。(4) 网络容量大: 一个星型结
15、构的 Zigbee 网络最多可以容纳 254 个从设备和一个主设备, 一个区域内可以同时存在最多 100 个 ZigBee 网络, 而且网络组成灵活。(5) 可靠: 采取了碰撞避免策略,同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙,避开了发送数据的竞争和冲突。MAC 层采用了完全确认的数据传输模式, 每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息。如果传输过程中出现问题可以进行重发。(6) 安全: ZigBee 提供了基于循环冗余校验(CRC)的数据包完整性检查功能,支持鉴权和认证, 采用了 AES-128 的加密算法,各个应用可以灵活确定其安全属性。几种无线通信的比较如表 1 所示： 表 1.1
16、几种无线通信方式比较1.1.4 CC 2530 芯片简介CC2530 是用于 2.4-GHz 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。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。全 国 大 学 生 嵌 入 式 物 联 网 设 计 大 赛3CC2530 具有不同
17、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。CC2530 芯片的主要特点有：RF/布局：适应 2.4-GHz IEEE 802.15.4 的 RF 收发器；极高的接收灵敏度和抗干扰性能；可编程的输出功率高达 4.5 dBm；只需极少的外接元件；只需一个晶振，即可满足网状网络系统需要；6-mm 6-mm 的 QFN40 封装；适合系统配置符合世界范围的无线电频率法规：ETSI EN 300 328 和 EN 300440（欧洲） ，FCC CFR47 第 15 部分(美国)和 ARIB STD-T-66（日本） ；低功耗：主动模式 RX（CPU
18、空闲）：24 mA；主动模式 TX 在 1dBm（CPU 空闲）：29mA；供电模式 1（4 s 唤醒）：0.2 mA；供电模式 2（睡眠定时器运行）：1 A；供电模式 3（外部中断）：0.4 A；宽电源电压范围（2 V3.6 V） ；3. 微控制器：优良的性能和具有代码预取功能的低功耗 8051 微控制器内核；32、64 或 128KB 的系统内可编程闪存；8-KB RAM，具备在各种供电方式下的数据保持能力；支持硬件调试；4. 外设：强大的 5 通道 DMA；IEEE 802.5.4 MAC 定时器，通用定时器（一个 16 位定时器，一个 8 位定时器） ；IR 发生电路；具有捕获功能的
19、32-kHz 睡眠定时器；硬件支持 CSMA/CA；支持精确的数字化 RSSI/LQI；电池监视器和温度传感器；具有 8 路输入和可配置分辨率的 12 位 ADC；AES 安全协处理器；2 个支持多种串行通信协议的强大 USART；21 个通用 I/O 引脚（194 mA，220 mA） ；看门狗定时器。全 国 大 学 生 嵌 入 式 物 联 网 设 计 大 赛4第 2 章 系统方案2.1 系统总体方案我们的森林预防与检测系统主要是由若干执行机构、若干无线传感器节点、无线协调机构，PC 监控平台组成。其中，采集节点分布于需要监测的区域，执行数据采集、处理和通信工作。无线协调机构负责在节点和节点
20、之间，节点和PC 监控平台之间转发通信数据。火焰传感器温度传感器烟雾传感器节点 1节点 2p cusb转串口线协调器和短信模块达到警戒时，发送报警短信图2.1 系统总体方案此次设计主要由协调器、短消息模块和 PC 监控平台三部分组成。协调器节点通过接受各节点发来的数据，实时掌握森林环境动态，如果温度过高，或者探测到火焰和烟雾，会向相应执行机构发出相应的命令，使其做出相应的应对动作。并通过 PC 监控平台向用户发出相应告警信息。由于 CC2530芯片内置了8051处理器，所以其作为了协调器。终端节点有两种功能，一种作为数据采集节点，另一种作为执行机构作出相应动作。数据采集节点被安置在相应位置，采
21、集温度，火焰以及烟雾，通过CC2530芯片内置的51单片机进行简单的数据处理后通过无线方式将数据传回协调器节点。执行机构在接收到协调器发出的命令后，通过51单片机进行命令解析后触发其所接外设做出相应动作。PC 监控平台通过 RS232串口连接着协调器节点。在针对本系统编写的专用控制软件界面上可以显示温度，以及可火焰烟雾检测结果。当发生不安全事件后，终端节点发出发生危险的类型，51单片机解析后向全 国 大 学 生 嵌 入 式 物 联 网 设 计 大 赛5PC 监控平台发出警报，在 PC 监控平台上显示给用户告警信号以及发送短信至相关用户。同时，可以发送具体地址，以此来解除危险情况第 3 章 系统
22、功能3.1 系统功能此次设计的森林火灾预防与监测系统包括：火焰监测、温度检测和 PC 监控平台报警，可以实时发现森林中各种可能的安全隐患。以下是系统功能的详细描述：火焰监测：当火焰传感器监测到空气中有火焰即发出报警信号，烟雾传感器监测到有烟雾，烟雾监测指示灯亮，向监测人员报警，检测人员通过协调器向执行机构发出指令，并向指挥平台发送具体数据和相关位置。做到及时防火。温度检测：系统实时检测森林中的温度，温度检测值可以配合火灾检测，使其更加准确,可以监测到可能发生火灾的区域，及时提高警惕防患于未然。PC 监控平台告警：温度过高时发出预警，提示指挥部近加强对该地区的注意。森林发生火灾时，PC 监控平台
23、自动显示警报信号向指挥平台发出告警信息，提醒指挥部做出正确的应对措施，减少经济损失。短消息发送：当要采集的数据达到警戒值时，短消息模块会及时发送短信至相关人员，达到实时监控、有效控制的目的。全 国 大 学 生 嵌 入 式 物 联 网 设 计 大 赛6第 4 章 实现原理 本章节根据系统方案勾勒出了系统的物理框架和介绍了主要的通信协议Zigbee 协议。这次设计是在物理结构的基础上，分模块实现各种功能，物理结构之间通过指定的通信协议进行相互传达信息。CC2530 是符合 IEEE802.15.4 标准的片上 Zigbee 产品，为此次系统的无线通信提供了条件。4.1 系统网络结构系统网络通信路径
24、如图所示，图中勾勒出了系统大体网络通信数据流的用户P C 监测平台协调器温度传感器烟雾传感器火焰传感器手机图 4.1 系统网络结构 节点节点在系统最前端，以 CC2530 芯片为核心外扩各种传感器或执行机构。收集节点负责收集各种系统所需信息，经过数据处理后发回协调器节点。执行节点不断扫描有没有协调器发来的控制命令，当接到控制命令后，控制节点负责将命令解析后转换成外扩执行器的动作信号，执行预定动作。 协调器协调器节点不但负责收集各节点发来的信息和发出控制命令，它还充当着控制中心的角色，通过它协调整个系统各部分的相互协作。其还有一个重要作用，就是给 GSM 模块发送控制命令，使其能发出告警信息，提
25、醒用户。全 国 大 学 生 嵌 入 式 物 联 网 设 计 大 赛7 PC 监控平台PC 监控平台通过 RS232 串口连接着协调器节点。当发生不安全事件后，终端节点发出发生危险的类型，51 单片机解析后发出命令，控制 PC 监控平台给用户发送告警信号。手机接受手机接收模块通过移动网络连接到协调器节点，当采集数据达到警戒值时，就会发送短信至手机。4.2 主要通信协议Zigbee 协议4.2.1 协议框架ZigBee 标准采用分层结构。每一层为上层提供一系列特殊的服务：数据实体提供数据传输服务，管理实体则提供所有其他的服务。所有的服务实体都通过服务接入点(SAP)为上层提供一个接口，每个 SAP
26、 都支持一定数量的服务原语来实现所需的功能。 ZigBee 标准堆栈架构是在 OSI 七层模型的基础上根据市场和实际需要定义的 IEEE 802.15.4-2003 标准定义了底层：物理层(Physical Layer，PHY)和媒体访问控制层(Medium Access Control Sub-Layer，MAC)。ZigBee 联盟在此基础上定义了网络层(Network Layer，NWK)，应用层(Application Layer，APL)架构。其中应用层包括应用支持子层(Application Support Sub-Layer，APS)，应用架构(ApplicationFramew
27、ork，AF)。Zigbee 协议框架如图 4.2 所示：Zigbee 或 OEM 自定义Zigbee 联盟IEEE 组织图 4.2 Zigbee 协议框架4.2.2 通信流程一个基于 Zigbee 协议的通信流程简图，如图 4.3 所示：应用类应用框架网络层、安全协议层MAC 层PHY 层全 国 大 学 生 嵌 入 式 物 联 网 设 计 大 赛8A 应用层A 网络层A MAC 层A 物理层B 应用层B 网络层B MAC 层B 物理层图 4.3 通信流程完成一次通信，大概的流程如图 3，A 设备的应用层提出要求，形成应用层的要求，然后到网络层形成了网络层的帧，然后到 MAC 层加上 MAC
28、层的格式然后到物理层，处理一下形成物理帧，然后收发机就发了。当 B 收到了 A 的内容经过他的物理层去掉物理层的格式化的内容然后再到 MAC 层进行分析，顺次到达 B 的应用层，经过了层层剥离最后获得了 A 的应有层的信息。相同地，B 设备也是以相同的流程给 A 设备信息，这样就实现了 A 设备和 B 设备的双向通信。4.3 数据通信帧结构4.3.1 协调器至 PC 数据帧格式协调器节点通过 RS232 串口与 PC 连接。本系统协调器至 PC 端数据帧格式均为 EBxxxxxxxxx 格式。但因为数据采集端采集上来三种数据，所以我们以数据帧的第三位来区分三种数据。第三位为“1”时表示上传的数
29、据为温度采集值；第三位为“2”时表示上传的数据为是否检测到烟雾；第三位为“3”时表示上传的数据为是否检测到火焰。帧头统一为“EB”，第三位表示采集的数据类型，温湿度数据中 410 位表示所要上传的温湿度数据。烟雾检测中所发数据为“NO SMOK”表示未检测到可疑烟雾，所发数据为“Smoking”表示检测到可疑烟雾。火焰检测中所发数据为“NO FIRE”表示未检测到火焰，所发数据为“Fireing”表示检测到火焰。具体的数据帧格式表示如下：温度：EB1xxxxxxxCF其中的 x 表示需要上传的温度数据。火焰：EB2xxxxxxxCF全 国 大 学 生 嵌 入 式 物 联 网 设 计 大 赛9其
30、中的 x 表示需要上传的火焰数据。烟雾：EB3NO SMOK -无可疑烟雾EB3Smoking-有可疑烟雾4.3.2 传感器至协调器数据帧格式传感器至协调器之间的数据发送采用 4 位帧头加 7 位数据的帧格式，温度数据使用“AABB”作为帧头，火焰采用“CCDD”作为帧头，烟雾则采用“FFEE”作为数据帧头。温度：AABBxxxxxxx其中的 x 表示需要传输的温度数据。火焰：CCDDxxxxxxx其中的 x 表示需要传输的火焰数据。烟雾：FFEE NO SMOK -无烟雾FFEESmoking - 有烟雾全 国 大 学 生 嵌 入 式 物 联 网 设 计 大 赛10第 5 章 硬件框图 根据
31、每个模块不同的功能我们对各个模块作出了具体的框图，所有的框图组成整个系统的物理框图。5.1 协调器模块硬件框图PC 监控平台通过 RS232 串口连接到协调器上，协调器与其他三个终端节点没有硬件上的直接连接，他们是通过无线星形网络通信的，图中所示表示他们的通信关系：P C 监控平台与用户交互R S 3 2 3 串口协调器C C 2 5 3 0 模块R F模块R F模块o f温度采集终端C C 2 5 3 0 模块烟雾采集终端C C 2 5 3 0 模块火焰采集终端C C 2 5 3 0 模块无 线 通 信 采 用 Z i g b e e通信协议无线通信采用Z i g b e e 通信协议无线通
32、信采用Z i g b e e 通信协议G S M 短信报警模块图 5.1 协调器硬件框图5.2 数据采集终端硬件框图5.2.1 温度检测终端硬件框图温度检测终端节点是一个以 CC2530 模块为核心，通用 I/O 口接一个温湿度传感器 SHT10。整个模块采集数据利用无线方式向协调器发送数据。整个框图如图所示：全 国 大 学 生 嵌 入 式 物 联 网 设 计 大 赛11协调器 C C 2 5 3 0 模块R F 模块温度采集终端 C C 2 5 3 0 模块普通I / O口普通I / O口温度传感器S H T 1 0无 线 通 信 采 用 Z i g b e e通信协议无线通信采用Z i g
33、 b e e 通信协议图 5.2 温度检测硬件框图5.2.2 烟雾采集终端硬件框图烟雾采集节点也是有一个 CC2530 模块为核心，普通 I/O 口接了一个温湿度传感器 SHT10。整个模块的数据信息也是通过无线方式传送给协调器，硬件框图如图所示：协调器 C C 2 5 3 0 模块R F 模块烟雾采集终端 C C 2 5 3 0 模块普通I / O口普通I / O口烟雾传感器无 线 通 信 采 用 Z i g b e e通信协议无线通信采用Z i g b e e 通信协议图 53 烟雾采集硬件框图全 国 大 学 生 嵌 入 式 物 联 网 设 计 大 赛125.2.3 火焰采集终端硬件框图协
34、调器 C C 2 5 3 0 模块R F 模块火焰采集终端 C C 2 5 3 0 模块普通I / O口普通I / O口火焰传感器无 线 通 信 采 用 Z i g b e e通信协议无线通信采用Z i g b e e 通信协议图 54 火焰采集硬件框图全 国 大 学 生 嵌 入 式 物 联 网 设 计 大 赛13第 6 章 硬件电路简介本章根据设计给出所用原件的硬件电路图。6.1 Zigbee 节点硬件电路图6.1.1 CC2530 模块硬件电路图 6.1 CC2530 硬件电路图6.1.2 CC2530 串口硬件电路图图 6.2 CC2530 串口电路图全 国 大 学 生 嵌 入 式 物
35、联 网 设 计 大 赛146.2 火焰检测硬件电路图6.2.1 火焰检测模块电路图 6.3 火焰检测芯片硬件电路图6.3 温度检测硬件电路图6.3.1 温度检测芯片 SHT10 连接电路全 国 大 学 生 嵌 入 式 物 联 网 设 计 大 赛15图 6.4 温度采集芯片硬件电路图6.4 烟雾检测硬件电路图6.4.1 烟雾检测 MQ-2 芯片连接电路图 6.5 烟雾采集芯片硬件电路图全 国 大 学 生 嵌 入 式 物 联 网 设 计 大 赛16第 7 章 软件设计软件设计分为 PC 机监控平台软件设计和协调器以及终端节点软件设计（均为 CC2530 模块） 。7.1 PC 机监控平台软件设计P
36、C 机监控平台软件是在 WindowsXP 系统下使用 VC+ 6.0 用 C+语言编写，集成了温度显示，烟雾检测报警，火焰检测报警，高温度预警这样几种功能，并在软件下方显示当前实时时间。软件截图如图图 7.1 PC 监控平台软件界面全 国 大 学 生 嵌 入 式 物 联 网 设 计 大 赛177.2 协调器软件设计系统初始化开始闪烁指示灯网络建立并熄灭指示灯灯收到数据？发送数据结束图 7.2 协调器节点软件设计流程7.3 终端节点软件设计 温度采集节点软件设计结束定时发送温度值定时采样 SHT10 的数据加入网络设置节点 ID号系统初始化开始全 国 大 学 生 嵌 入 式 物 联 网 设 计
37、 大 赛18图 7.3 温度采集节点软件设计流程 烟雾检测软件设计结束发送检测到烟雾告警加入网络设置节点 ID号系统初始化开始是否检测到烟雾图 7.4 烟雾检测软件设计流程 火焰检测软件设计全 国 大 学 生 嵌 入 式 物 联 网 设 计 大 赛19结束发送检测到火焰告警加入网络设置节点 ID号系统初始化开始是否检测到火焰图 7.4 火焰检测软件设计流程全 国 大 学 生 嵌 入 式 物 联 网 设 计 大 赛20第八章 系统测试方案本章对各个节点和模块进行合理测试，以便进行数据结果分析。8.1 Zigbee 节点测试Zigbee 无线网络中心节点测试将采集器程序下载到协调器模块，Debug
38、 完成之后，停止 Debug，把协调器模块用 usb 数据线连接到电脑，把蓝色开关弹起。采集器模块的 led2 就是红色led 会闪烁。这个时候，按下 up 键，led2 红色 led 灭，黄色 led3 亮。再次按下up 键，绿色 led1 亮。Zigbee 无线网络终端节点测试将传感器程序下载到另外一个板子上，这样 Debug 完成之后，停止 Debug，这个模块就是“终端节点模块” ，停止 debug。将该模块用 usb 数据线连接到电脑，把蓝色开关弹起。开启终端节点模块，也是红色 led2 闪烁，按下 up 键，红色led2 灭，过一会，黄色 led3 快闪，再过一会，绿色 led1
39、闪烁。打开串口设备助手，选择中心节点的 com 口，设置相应的波特率，此时，串口助手有数据显示8.2 传感器芯片测试温度采集芯片测试将温湿度传感器 SHT10 采集温度程序分别下载到两块开发板，直接 debug，停止 debug，复位模块，程序就运行起来了。终端模块插 SHT10，改跳冒，打开串口助手，选择相应 com 口、波特率，看显示效果。烟雾传感器芯片测试将 MQ-2 烟雾传感器采集程序下载到两个模块，分别 debug 协调器和终端。然后，在终端上插上烟雾传感器。把协调器模块通过 usb 数据线接到电脑，并打开串口助手，选择协调器模块的 com 口，设置相应波特率，不一会，串口助手里面就
40、会收到数据了，用打火机的气熏烟雾传感器，串口助手里面的数值会变化。火焰传感器芯片的测试将火焰传感器采集程序下载到两个模块，分别 debug 协调器和终端。然后，在终端上插上烟雾传感器。把协调器模块通过 usb 数据线接到电脑，并打开串口助手，选择协调器模块的 com 口，设置相应波特率，不一会，串口助手里面就会收到数据了，将打火机的火焰贴近传感器，串口助手里面的数值会变化。8.3 PC 监控平台软件测试将采集数据程序下载到两个模块，分别 debug 成协调器和终端。把协调器模块通过 usb 数据线接到电脑，打开监控软件，观测数据。全 国 大 学 生 嵌 入 式 物 联 网 设 计 大 赛21第
41、九章 测试数据及结果分析9.1 测试仪器和设备在对该系统进行测试时使用到的仪器和设备，具体如下1、PC 一台2、数字万用表 1 块3、打火机一个4、CC2530 仿真器 1 个5、串口线两条，数据线三条在对本系统进行测试的过程中，我们将其一部分数据记录下来用以分析该系统工作的精确性。以下是各模块的测试数据：9.2 温湿度传感器下表为实验室测得的温湿度，左边一栏为我们的芯片所测得，右边一栏为温湿度计测得。SHT10 芯片所测数据 温湿度计所测数据温度（单位：） 28 27 温度（单位：） 28 28表 9.1 温度采集芯片测试数据芯片所测温湿度与温湿度计所测数据大致相同，由此可见，系统可以较准确
42、测量到我们需要的温湿度数据。9.3 可燃气体传感器当我们在传感器周围释放打火机内的液化气后，其报警指示灯亮，同时其中断引脚有中断信号输出，说明其可以正常工作。该传感器启动时有大约两分钟的预热过程，每次重启后都必须等待其预热完毕。9.4 火焰传感器当我们在传感器周围打着打火机后，其报警指示灯亮，同时其中断引脚有中断信号输出，说明其可以正常工作。9.5 PC 监控平台测试打开 PC 监控平台，当改变环境变量的值时，观察采集数据的变化，特别当采集数据值超过警戒值时，观察监控平台是否做出相应的提示9.6 手机接收短信模块测试全 国 大 学 生 嵌 入 式 物 联 网 设 计 大 赛22通过串口助手向
43、GSM 模块发送的命令，其均能正确接收，并通过串口返回命令回执，在向其发送了发送短信的命令后，均有短信发出。由于移动运营商网络延迟，短信发送速度不一定，但在 30S 之内短信就可以发送到对应手机。全 国 大 学 生 嵌 入 式 物 联 网 设 计 大 赛23第十章 实现功能 森林火灾预防与监测系统主要由信息采集、无线收发、火灾监控功能模块组成。系统采用烟雾传感器、温湿度传感器、火焰传感器采集各林区的环境参数信息，并对传感器采集的环境参数数据进行处理和分析，监控中心根据分析结果实现火险预报、火情监测、应急预案功能。在森林火灾监测系统中，需要进行信息采集、处理、传输，控制结果输出执行等操作。传感器
44、节点是构成无线传感器网的基本要素，具有信息采集、信息处理和无线通信功能，它们既是数据包传输的发起者，也是数据包的转发者。传感器节点被随机、密集地布设在森林中，各林区的传感器节点自组织成簇，传感器节点为簇成员，负责林区环境信息的采集。传感器节点将采集的数据传送到簇首节点，簇首节点负责对采集簇内信息采集节点的数据融合，然后传送给汇聚点，汇聚节点以多跳的方式与各簇首节点通信，收集各林区环境信息，将数据送到控制中心，控制中心进行综合处理，监测各林区火险情况。整个森林火灾监测系统分为 3 个功能模块：信息采集模块、火灾监控模块和无线收发模块，森林火灾监测系统功能模块。1)信息采集模块负责对网络中的传感器
45、节点进行定位；并对传感器节点采集的环境参数进行信号调理、AD 转换等处理。2)火灾监控模块负责对信息采集模块采集的环境参数进行数据处理和分析，根据处理结果对火险进行预报。如果监测到火点，就向林业管理部门和消防部门发出警报，并实时监测火情，对资源进行合理的调度，制定合趣有效的应急方案，实施应急响应和救援。3)无线收发模块负责无线传感器节点与协调器进行无线通信。基于 ZigBee 的森林火灾监测系统可以根据实时采集到林区环境参数信息监测森林火灾情况，从而及时地预防森林火灾的发生或高效地实施火灾救援工作，保护生态环境，保障人民的财产和生命安全。 全 国 大 学 生 嵌 入 式 物 联 网 设 计 大
46、 赛24第 11 章系统特色本章分为无线特色，传感器特色，PC 端软件特色来介绍本系统。11.1 无线特色有线网络布线改线工程量大。有线带宽不断的增加，只是线变得越来越粗，那时换线工作将会无比艰巨。由于使用实体线，其线路容易损坏，一旦出错将不得不换掉整条线，维护不易。而且网中的各节点不可移动。特别是当要把相离较远的节点联结起来时，敷设专用通讯线路布线施工难度之大，费用、耗时之多，实是令人生畏。相比之下，无线组网(接入)的主要开支在于设备及天线和铁塔的维护，相比较而言费用要低很多。而且在网络需要改变时，无线网络可以根据需要进行规划和随时调整，省去了巨额的工作量与费用。因此可以说无线网络相较有线而
47、言在成本方面占据了一定的优势。无线网络具有极高的移动性与灵活性。在无线网的信号覆盖区域内，任何一个位置都可以接入网络。 11.2 传感器特色 温度传感器：DS18B20 可以程序设定 912 位的分辨率，精度为0.5C。可选更小的封装方式，更宽的电压适用范围。分辨率设定，及用户设定的报警温度存储在 EEPROM 中，掉电后依然保存。DS18B20 的性能是新一代产品中最好的！性能价格比也非常出色！ 烟雾传感器：MQ-3 气体传感器所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡(SnO2)。当传感器所处环境中存在酒精蒸汽时，传感器的电导率随空气中酒精气体浓度的增加而增大。使用简单的电路即可将
48、电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号。 MQ-3 气体传感器对酒精的灵敏度高，可以抵抗汽油、烟雾、水蒸气的干扰。这种传感器可检测多种浓度酒精气氛，是一款适合多种应用的低成本传感器 火焰传感器： 可以检测火焰或者波长在 760 纳米1100 纳米范围内的光源，打火机测试火焰距离为 80cm，对火焰越大，测试距离越远。探测角度 60 度左右，对火焰光谱特别灵敏灵敏度可调（蓝色数字电位器调节） 。比较器输出，信号干净，波形好，驱动能力强，超过 15mA。配可调精密电位器调节灵敏度工作电压 3.3V-5V。输出形式 ：数字开关量输出（0 和 1） 。使用宽电压 LM393 比较器。11.3
49、PC 监控平台特色PC 机监控平台软件是在 WindowsXP 系统下使用 VC+ 6.0 用 C+语言编写，集成了温度显示，烟雾检测报警，火焰检测报警，高温度预警这样几种功能，并在软件下方显示当前实时时间。当环境温度高达 40时，PC 端发出高危预警。提示人们改点温度过高，应当加强对该地区的注意，采取适当措施。如果终端节点检测到火焰或者烟雾，则立即发出火灾警报。这样就可实现对远方森林的安全环境进行实时的监测。全 国 大 学 生 嵌 入 式 物 联 网 设 计 大 赛25结论人类的活动正在对地球造成各方面不良的影响，森林本就在一点点减少，我们不能因为火灾失去的更多。所以，我们要坚决开始保护森林不受伤害。本设计本着切实可行、节约能源的原则，采用现在先进高端的科学技术，旨在第一时间发现森林安全隐患，有效保证相关部门能即使排除隐患，为森林免受火光之灾尽绵薄之力我们希望能更好的监测森林中的数据，及时报警，及时反映森林中的火灾情况。可以让指挥处及时准确的了解森林中的情况，可以准确及时预防火灾的发生和扩散。也许我们小组在本次设计大赛所出的成果是渺小的，但是过程绝对是我们每一个成员都难以忘怀的。由于专业的限制，我们的知道老师
