1、 題 目基于ZigBee的森林火災監(jiān)測系統(tǒng)設計 學生 常 樂 學號 1113024057所在學院物 理 與 電 信 工 程 學 院專業(yè)班級通 信 工 程 專 業(yè) 1102 班 指導教師 爭 兵 完成地點物 理 與 電 信 工 程 學 院 實 驗 室2015 年 6月3日56 / 62畢業(yè)論文設計任務書院(系) 物理與電信工程學院 專業(yè)班級 通信1102班 學生 常樂 一、畢業(yè)論文設計題目基于Zigbee的森林火災監(jiān)測系統(tǒng)設計二、畢業(yè)論文設計工作自 _2015 _年_ 1_ _月_10 _日 起至_2015_年 6 月_ 10 日止三、畢業(yè)論文設計進行地點: 物理與電信工程學院實驗室 四、畢業(yè)論

2、文設計的容要求：森林對于人類來說至關重要，它是生態(tài)平衡的保護著。但是近年來，隨著氣候變化，人為活動等因素，森林安全受到了巨大的威脅。這其中，森林火災是威脅森林的最大原因之一，它不僅會造成很大的人力物力的流失，關鍵的是，我們會更多的失去原本就在減少的森林資源。所以，森林火災的實時監(jiān)測與防治迫在眉睫。本課題構建了基于ZigBee無線傳感器網絡的森林火災監(jiān)測系統(tǒng)，具體要求如下： 1.掌握Zigbee技術的相關知識； 2.通過監(jiān)測煙霧濃度實現火災防，完成一定圍的監(jiān)測報警； 3.系統(tǒng)集成，完成功能調試。 成果形式：實驗樣機一套。 畢業(yè)設計進度安排: 1.103.20：查閱資料（參考文獻不少于10篇），進

3、行方案論證，完成開題報告。完成不少于3000字的外文翻譯； 3.204.30：設計硬件電路，編寫相關軟件、完成電路仿真與樣機調試； 5.15.20：完善系統(tǒng)調試，撰寫論文，準備畢業(yè)設計驗收等工作； 5.21-6.10：整理資料，修改論文，準備畢業(yè)答辯。 指 導 教 師系 (教 研 室) 通 信 教 研 室 系(教研室)主任簽名批準日期接受論文 (設計)任務開始執(zhí)行日期學生簽名基于Zigbee的森林火災監(jiān)測系統(tǒng)設計常樂（理工學院 物理與電信工程學院 通信工程專業(yè) 2011級2班， 723003）指導教師：爭兵摘 要 隨著經濟的快速發(fā)展，地下建筑、高層建筑以與大型綜合性的建筑日益增多,火災隱患也隨

4、之增加,火災發(fā)生的數量與其造成的巨大損失都呈現逐年上升的趨勢。而傳統(tǒng)的報警系統(tǒng)采用了有線連接，線路容易磨損或遭到腐蝕、老化，系統(tǒng)造價高、耗材多、擴展能力差、功耗大、設計、施工與維護復雜。在火災發(fā)生前后不能有效地發(fā)揮其作用。為了有效的降低火災帶來的損失，本論文利用Zigbee技術設計了一種火災報警系統(tǒng)。該系統(tǒng)由主模塊和從模塊構成。主模塊主要包括單片機最小系統(tǒng)、時鐘模塊、顯示模塊和Zigbee模塊，完成系統(tǒng)的監(jiān)測功能。發(fā)送模塊主要包括單片機最小系統(tǒng)、煙霧檢測模塊、溫度檢測模塊、報警模塊和Zigbee模塊，完成系統(tǒng)的檢測與報警功能。實驗測試結果表明：系統(tǒng)通過監(jiān)測煙霧的濃度，能夠實現一定圍的森林火災監(jiān)

5、測報警。關鍵詞 Zigbee；單片機；煙霧檢測電路；報警電路；溫度檢測電路Design of forest fire monitoring system based on ZigbeeChangle(Grade11,Class2,Major of Communication Engineering，School of Physics and Telecommunication Engineering , Shaanxi University of Technology, Hanzhong 723003,Shaanxi)Tutor: Zheng ZhengbingAbstract：With th

6、e rapid development of economy, underground buildings,high rise buildings and large - scale buildings are increasing, Fire hazards also increased , The number of fires and the losses are on the rise year by year. And the traditional alarm system uses a wired connection,lines easy wear or corrosion,

7、aging,the system has high cost, high material consumption, poor expansion ability, power consumption, design, construction and maintenance complex.Before and after the fire can not play its role effectively. In order to reduce fire losses, using Zigbee technology to design a fire alarm system. The s

8、ystem is composed of the receiving module and the sending module.The receiving module mainly includes the MCU minimum system, the clock module, the display module and the Zigbee module, and the monitoring function of the system is completed.The sending module mainly includes the minimum system, the

9、smoke detection module, the temperature detection module, the alarm module and the Zigbee module, and the detection and alarming function of the system is completed.The experimental results show that the monitoring and alarming of forest fire can be realized through monitoring the concentration of s

10、moke.Keywords：Zigbee; MCU; smoke detection circuit; the alarm circuit; the temperature detection circuit目 錄1緒論11.1課題背景11.2 課題研究現狀和前景11.3課題研究意義31.4論文結構32系統(tǒng)方案選擇32.1設計要求32.2方案選擇42.2.1主控芯片的選擇42.2.2時鐘芯片的選擇42.2.3顯示模塊的選擇42.2.4煙霧傳感器的選擇52.2.5無線模塊的選擇53硬件設計63.1 單片機最小系統(tǒng)的設計73.2 時鐘電路設計83.3 顯示電路設計103.4 煙霧檢測電路的設計11

11、3.5 DS18B20外圍電路的設計123.6 報警電路的設計133.7 無線模塊電路的設計144系統(tǒng)軟件設計184.1 仿真環(huán)境介紹184.2 Zigbee模塊的數據傳輸原理184.3主模塊軟件設計204.4 從模塊軟件設計225.系統(tǒng)調試245.1 單片機最小系統(tǒng)電路的調試245.2煙霧檢測電路的調試245.3 軟件調試255.4 測試結果27總結與展望28致29參考文獻30附錄A 英文文獻原文31附錄B 英文文獻譯文38附錄C 程序44附錄D 元器件清單54附錄E 整體電路圖551緒論1.1課題背景隨著經濟的快速發(fā)展，地下建筑、高層建筑以與大型綜合性的建筑日益增多，火災隱患也隨之增加。火

12、災發(fā)生數量與其造成的損失都呈現逐年上升的趨勢。美國消防協(xié)會強調煙霧報警器在消除火災、拯救生命方面發(fā)揮著越來越重要的作用，美國消防協(xié)會指出美國家庭火災死亡人數的40是由于沒有安裝報警器造成的。所以用來保障生命和財產安全的火災報警系統(tǒng)便顯得越來越必要。但是火災報警系統(tǒng)設置之后,往往會發(fā)現系統(tǒng)有些不如人意的地方。比如探測器誤報警,常演繹“狼來了”的故事,使消防人員飽受困擾。排除了一些設備的質量不過關等因素之后,我們發(fā)現這些情況往往是因探測設備受到干擾造成的1。因此，有效的火災報警系統(tǒng)成為保護人身生命財產安全的重要設施。根據它的發(fā)展過程又可以將它分為以下三種類型：多線型，總線型以與無線型。多線型的報警

13、系統(tǒng)顧名思義布線較多，且電路比較復雜，所以導致誤報率較高，可靠性較差，它已經逐步被總線型的報警系統(tǒng)所取代。總線型的自動報警系統(tǒng)采用微處理器控制，通過總線來與控制器實現信號傳送，它和以前的產品比起來有了很大的飛躍，布線方面工作顯著減少，安裝調試變得容易，降低了安裝和維修費用，目前國生產的火災自動報警系統(tǒng)大多數為此類產品。但隨著社會的發(fā)展，這一系統(tǒng)已逐漸暴露出它的問題。由于它采用了有線連接，線路容易磨損或遭到腐蝕、老化，系統(tǒng)造價高、耗材多、擴展能力差、功耗大、設計、施工與維護復雜，在火災發(fā)生前后不能有效地發(fā)揮其作用。而解決這些問題的最佳方法就是取消有線連接，使用可以即插即用的無線系統(tǒng)。國際上許多著

14、名的大學和公司紛紛從不同的角度、不同的層次對無線傳感器網絡進行了研究和開發(fā)。目前，國外在無線傳感器網絡方面的研究已經取得了一些積極的研究成果，他們已經成功地開發(fā)了全功能傳感器。極少數企業(yè)也已經開始使用無線傳感器網絡技術2。在中國，這種新興無線通信革命也在悄然發(fā)生。2007年9月29日，中科院的微系統(tǒng)與信息研究所聯(lián)合多家研究所、高校所共同承擔的“無線傳感器網絡的關鍵技術攻關與其在交通中的應用示研究”項目完成了驗收。該項目研究了：遠程高速傳輸的傳感網端機、基站；傳感網超輕量化 IPV6 協(xié)議棧；傳感網數據流的特征和模型等無線傳感器的網絡在交通信息領域的關鍵技術；交通傳感網協(xié)同模式的識別算法體系以與

15、多元數據源交通綜合信息的融合技術。國有關于無線傳感器網絡研究還處于剛起步的階段，但由于無線傳感器網絡是門新興的技術，國與國際之間的水平的差距并不是很大，與時開展這項對人類未來生活有深遠影響的前沿科技的研究，對整個國家的社會、經濟都將有重大的戰(zhàn)略意義。1.2 課題研究現狀和前景世界上的一些較發(fā)達的國家，像日本、加拿大、美國、德國，他們就具有非常成熟和完善的消防組織體系，包括火災的預防、報警以與處理等。這些國家進行了非常有益的嘗試，在公共報警研究工作中引入火災自動報警，然后再對火災報警與其相關方面的監(jiān)控系統(tǒng)進行整合，做到了統(tǒng)一管理，這樣便給消防部門開展工作帶來了很大便利，消防人員可以快速并準確地判

16、斷火災現場，從而可以有效進行火災處理工作。這些無線的火災報警系統(tǒng)通常采用專用網絡來實現，它們主要側重作為樓宇自控系統(tǒng)附屬的子系統(tǒng)或者是專業(yè)的火災報警場合，不符合我國關于火災報警必須自成一個系統(tǒng)的設計原則，所以目前國外無線火災自動報警的系統(tǒng)在我國的消防領域的應用受到了限制。我國煙霧超標報警技術實現了較快發(fā)展，但由于在實際應用中，煙霧超標報警系統(tǒng)的通訊協(xié)議不一致，煙霧超標報警自動排氣工程技術水平還相對落后，還存在著一些比較突出的問題。如智能化程度低、網絡化程度低、適用圍過小、組件連接方式有待改善、漏報問題較多、煙霧超標報警系統(tǒng)誤報、超早期煙霧探測報警技術應用還幾乎處于空白。在我用無線通信方式的火災

17、報警系統(tǒng)也日漸受到重視，因其方便安裝、靈活性較好以與容易擴展等特點，能適用很多公共場所，所以成為現代火災自動報警的發(fā)展方向。如今我國報警系統(tǒng)在借鑒國外的先進技術基礎上，同時積極運用新技術以與新材料來改進系統(tǒng)的性能，使無線火災報警器向誤報率低、可靠性高、多功能化、無線網絡化、自動化以與智能化的方向發(fā)展。隨著Zigbee技術的逐漸成熟，國多家單位已經將基于Zigbee的無線傳感器網絡應用于煤礦安全、環(huán)境監(jiān)測、智能家居、遠程抄表等領域，從理論和實踐上獲得了突破。火災報警系統(tǒng)無線化的時代即將到來3。下面對Zigbee協(xié)議加以介紹。1.2.1 Zigbee協(xié)議概述Zigbee 一詞來自于蜂群在找到了花粉

18、位置的時候，用跳 ZigZag的舞蹈來告訴同伴，以此來進行信息的交換,這是一種簡便的用來實現“無線”交流的方式。人們便借此來稱呼一種專注于成本小、功耗低、速率低以與復雜度低的近距離的無線網絡通信技術，也包括了這種寓意。Zigbee 的協(xié)議基礎是IEEE 802.15.4，這是 IEEE 無線個人區(qū)域網（PAN）工作組的一個標準，被稱為 IEEE 802.15.4（Zigbee）技術標準； Zigbee 聯(lián)盟對它的網絡層協(xié)議和 API 進行標準化是由于IEEE 只處理低級的MAC 層和物理層的協(xié)議。Zigbee 聯(lián)盟還開發(fā)了安全層，用來保證這一種便攜設備不會輕易的泄漏它的標識，而且其它的節(jié)點不會

19、獲得這一種利用網絡的遠距離的傳輸 4。1.2.2 Zigbee 設備類型與其網絡拓撲結構（1）Zigbee 的設備類型IEEE802.15.4 標準定義了兩個類型的物理設備：全功能設備（FFD）以與簡單功能設備（RFD）。這兩種物理設備功能的描述如表1.1 所示。表1.1 Zigbee設備功能設備類型設備類型適用拓撲結構功能描述全功能設備（FFD）星型網絡網狀網絡簇-樹狀網絡具有轉發(fā)與路由能力，其處理控制能力較強，擁有足夠的存儲空間存放路由信息。可作為協(xié)調器或設備與任何設備進行通訊簡單功能設備（RFD）星型網絡存小，功耗低，功能簡單。在網絡中為源節(jié)點，只能和全功能設備通訊。（2）Zigbee

20、的網絡拓撲結構Zigbee 主要采用了三種組網方式，對等網、星型網與混合網5。在星型網絡中，所有設備都與中心設備網絡協(xié)調器通信。網絡協(xié)調器一般在這種網絡中會使用持續(xù)的電力系統(tǒng)供電，而其他設備則采用電池供電。網絡的協(xié)調器只能用FFD設備。對等網是由主器件連接在一起而形成的，它又可以分為簇樹結構和點對點結構。任意兩個設備只要彼此在對方的無線輻射圍，收得到對方的無線的信號，就能進行通信，而且不需要其他設備的轉發(fā)。這種網絡的結構支持 Ad Hoc 網絡，它允許用多跳路由的途徑在網絡中傳送數據。這種網絡結構適合用于設備分布圍較廣的應用，比如在貨物庫存的跟蹤、工業(yè)上的檢測與控制以與農田的監(jiān)管等方面。星型網

21、與對等網相互結合便形成了混合網。混合網各個子網的部以星型連接，而它的主器件又以對等的方式相互連接。信息流首先傳至同一個子網部的主節(jié)點上，然后通過網關節(jié)點再到達更高層的子網，隨后繼續(xù)上傳一直到其到達中心采集節(jié)點為止。混合網可以用在覆蓋的圍比較大的區(qū)域，比如智能樓房的控制網絡。但是由于任何的控制和同步信息都要通過多重的鏈路來到達接收點，所以要實現同步和控制會比較困難。1.2.3 Zigbee的技術特點目前的無線通信技術主要有藍牙、移動通信、無線局域網wifi等幾種模式。由于Zigbee 具有功耗低、價格低、數據傳輸速率低、傳輸圍小和支持的節(jié)點眾多等優(yōu)點，因此它和其他的同類型無線通信技術相比之下，優(yōu)

22、勢盡顯無疑6。數據的傳輸速率低：Zigbee技術的數據傳輸速率僅有10k字節(jié)/秒到250k 字節(jié)/秒，專注于傳輸速率低的應用；功耗低：在待機的模式下，兩節(jié)普通的5號干電池就能使用6個月到2年，省去了充電或者頻繁更換電池的麻煩。而這也是Zigbee的支持者們一直以來比較自豪的獨到優(yōu)勢。成本低：Zigbee數據傳輸的速率低，協(xié)議簡單，因此很大程度的降低了成本，且Zigbee協(xié)議免收專利費。時延短：一般時延是在15毫秒至30毫秒之間；安全：Zigbee 提供了數據完整性的檢查和鑒權功能，加密算法采用AES-128，還可以靈活的確定它的安全屬性；有效圍小：Zigbee有效覆蓋圍為1075米之間，具體依

23、據實際發(fā)射功率的大小和各種不同應用模式而定，基本上可以覆蓋普通家庭環(huán)境或者辦公室的環(huán)境；隨著研究進一步的深入，傳感器將會變得更小，而且功能也會越來越完善。最終他們有可能會縮小至塵埃大小。那時將會釋放更多的微小傳感器到大氣中去檢測任何東西。1.3課題研究意義無線傳感器網絡技術在工業(yè)自動化生產線的實時監(jiān)測、核電廠的安全檢測、實時數據采集以與井礦中的應用，正變得日漸成熟。在工廠安裝這種基于無線傳感器網絡技術的監(jiān)測系統(tǒng)必然會大大的改善工廠運作的條件，降低設備的維護成本。無線傳感器網絡技術還在工業(yè)自動化的領域中應用，與其他的領域有所不同，它主要表現在不同傳感器的節(jié)點傳輸的數據量不同，且傳感器的節(jié)點往往是

24、固定安裝在生產線上，其網絡節(jié)點一般是靜態(tài)的。因此，本設計將致力于研究一種基于Zigbee的無線傳感器網絡系統(tǒng)，利用通信模塊組建小型無線傳感器網絡，并進行傳感器網絡的軟硬件設計。煙霧超標報警器的意義在于可以實現對普通環(huán)境中煙霧濃度進行實時檢測，以減少煙霧有毒氣體對人體的傷害，通過報警來警示人們所處環(huán)境的煙霧濃度過高。現在家具產品多種多樣，智能化、小型化的節(jié)能、綠色、安全產品越來越受到普通大眾的青睞。該設計以其智能化、小型化并且設計的電路系統(tǒng)簡潔明了、電路構成簡單、實用性強、易于維護等特點能夠廣泛的應用于居民、企事業(yè)單位等多方面的安全防。1.4論文結構本課題主要是研究并實現一個基于Zigbee協(xié)議

25、的無線網絡的火災監(jiān)控系統(tǒng)，這個系統(tǒng)由兩個部分組成：發(fā)送端和接收端。本課題具體的研究容大致有以下幾部分，分別如下：第一部分緒論簡單的介紹選題的背景，課題所用技術Zigbee發(fā)展的國外相關的研究現狀，隨后講述了本課題要完成的任務以與所要實現的功能。第二部分方案選擇主要論述了本課題總體的設計思想與系統(tǒng)框圖，對系統(tǒng)各個模塊所用芯片進行了選擇。第三部分硬件設計主要介紹了系統(tǒng)所用芯片的功能和特點，以與芯片之間連接的方法，并給出了詳細的設計電路圖。第四部分系統(tǒng)的軟件設計描述了無線模塊各個節(jié)點之間數據傳輸的原理以與主從模塊軟件設計流程。第五部分系統(tǒng)調試主要論述了系統(tǒng)的軟件調試和硬件部分各個電路的調試。2系統(tǒng)方

26、案選擇2.1設計要求森林火災不僅給人類經濟的建設造成了巨大的損失，破壞了生態(tài)環(huán)境，而且也威脅到了我們人類的生命以與財產安全。傳統(tǒng)的森林防火方式不是很完善，只能做一些簡單的防備措施，而不能主動的實時的監(jiān)控森林具體的情況。只要了解了森林火災發(fā)生的條件，防火系統(tǒng)的設計也就有跡可循。Zigbee無線傳感網絡具有功率小、成本低的優(yōu)點，因此，本文基于ZigBee無線傳感網絡，構建了森林火災監(jiān)測系統(tǒng)，并通過監(jiān)測煙霧對數據濃度實現火災防，完成一定圍的監(jiān)測報警。2.2方案選擇根據設計要求，主模塊具體分為主控芯片、時鐘模塊、顯示模塊、傳感器模塊、無線模塊這五個部分，系統(tǒng)框圖如圖2.1所示：圖2.1 基于Zigbe

27、e的火災報警系統(tǒng)原理框圖2.2.1主控芯片的選擇 AT系列和STC系列單片機的選擇：AT89C系列單片機不能進行在線編程，AT89C系列和STC系列都可以ISP在線編程，但是STC可通過串口在線編程，而AT系列采用并口編程方式，相對來說，STC的編程方式更為簡單也較為普遍，基于這一點，本設計選擇STC系列。51和52系列的選擇：51系列具有4KROM存儲空間，而52系列有8KROM存儲空間，容量較51來說大一些。根據以上分析，本次畢業(yè)設計采用STC89C52芯片，STC89C52是一款功耗低，高性能的8位CMOS微控制器，具有8K可編程Flash存儲器，方便下載程序，性價比高，能較好的適應本實

28、驗要求。2.2.2時鐘芯片的選擇 方案一：采用單片機部定時計數器實現時鐘功能，通過計算可以知得，使定時器每25ms產生一次中斷，當產生40次中斷后秒單元將加一，依次類推，進而實現時、分和秒的計時，并通過LCD1602對時間加以顯示。方法較為簡單，簡化硬件電路，但在時間精度上必然與實際時間有一定的差距，不符合設計中對實時顯示精度的要求，故不采用此方案。 方案二：采用DS1302實時時鐘芯片，DS1302可提供精準的秒、分、時、日、星期、月和年等時間信息，耗電低，工作電壓較寬，有專用的部寄存器用于存放定時信息，可實現對開關的定時控制要求。故采用DS1302來作為時鐘芯片。2.2.3顯示模塊的選擇

29、方案一:采用LED數碼管顯示。LED數碼管具有亮度大，接口電路簡單，價格便宜等優(yōu)點，但它只能顯示數字和簡單字母，而設計中要求顯示時、分、秒、年、月、日等多個信息，使用數碼管的話會使硬件電路設計龐雜，而且連線復雜，單片機接口欠缺，不夠使用，故不采用此方案。方案二:采用LCD1602液晶屏顯示。LCD1602使用非常普遍，在生活中很多地方都能見到LCD1602液晶顯示屏，例如計算器，遙控器，家用電器等，它主要用來顯示數字，字母，專用字符和圖形，具有顯示質量高、功耗低、體積小等優(yōu)點，此外，LCD1602采用數字式接口，與單片機連線簡單，故采用LCD1602來顯示時鐘。2.2.4煙霧傳感器的選擇煙霧傳

30、感器的主要分為離子式煙霧傳感器、光電式煙霧傳感和氣敏式煙霧傳感器。（1）光電式煙霧傳感器：光電式煙霧傳感器煙霧傳感器部有一個光學迷宮，安裝有紅外對管，沒有煙霧時紅外接收管接收不到紅外發(fā)射管發(fā)射出的紅外光線，當煙霧進入光學迷宮時，通過折射、反射后，接收管接收到紅外光線，報警電路判斷是否超過閾值，超過則發(fā)出警報，反之則不然。（2）離子式煙霧傳感器：離子式煙霧傳感器是一種采用先進技術，工作穩(wěn)定可靠的傳感器，廣泛的運用到各種消防報警系統(tǒng)中，它的性能遠遠優(yōu)于由光電式煙霧傳感器構成的火災報警器。（3）氣敏式煙霧傳感器：該煙霧傳感器是一種檢測特定氣體的傳感器。它主要包括半導體氣敏傳感器、接觸燃燒式氣敏傳感器

31、和電化學氣敏傳感器等，其中用的最多的是半導體氣敏傳感器。半導體氣敏元件有N型和P型之分。N型在檢測時其阻值隨著氣體濃度的增大而減小，P型阻值隨氣體濃度的增大而增大。當溫度在200300時半導體氣敏元件讓空氣中的氧吸附在元件表面，當氧負離子吸附在半導體氣敏元件表面可以形成氧負離子吸附，氧負離子的減少就會使半導體中的電子密度減少，從而使其電阻值增加。當遇到空氣中可燃氣體時，由于可燃氣體能夠提供給電子，可燃氣體中就會有正離子附著在金屬氧化物半導體的表面，氧負離子放出電子使可燃性氣體也以正離子的吸附而放出了電子，阻值下降就是因為半導體電子密度的增加。此次使用的氣敏式煙霧傳感器選擇的具體型號為MQ-2。

32、該傳感器常用于家庭以與工廠的氣體泄漏裝置，適宜于煙霧、酒精、丁烷、丙烷、甲烷、液化氣、氫氣等的探測。本設計選用的MQ-2型氣體傳感器，這種型號的傳感器的特點是靈敏度高、響應快、抗干擾能力強、壽命長、價格低廉等優(yōu)點。2.2.5無線模塊的選擇方案一：基于紅外線強度的火災報警系統(tǒng)基于紅外線強度的火災自動報警系統(tǒng)，其核心是利用51單片機作為控制中心，火焰?zhèn)鞲衅髯鳛樾盘柌杉ぞ撸I盤作為系統(tǒng)配置紅外信息中介，數碼管作為信息顯示器，蜂鳴器和LED燈作為聲光報警裝置。本文主要負責軟件部分的設計，主要完成了整個系統(tǒng)的軟件設計與實現。整個系統(tǒng)共分為四個模塊，有A/D轉換模塊，鍵盤輸入模塊，數碼管顯示，聲光報警模

33、塊。方案二：基于藍牙設計的火災報警系統(tǒng)藍牙技術是一種短距離無線通信技術，用于替代數字設備和計算機外設間的電纜連線，以與實現數字設備間的無線組網7。首先由單片機通過藍牙模塊接收數據，然后將該數據導入LCD屏進行顯示，同時單片機對煙霧值進行分析處理，將煙霧值與設定值進行比較，若煙霧值大于設定的值即刻啟動報警。方案三：基于Zigbee的火災報警系統(tǒng)ZigBee是一種用于近距離無線連接的無線通信技術。ZigBee傳感器網絡由大量具有不同功能的微小傳感器來實現組網，這些傳感器只需很少的能量就能以接力的方式將數據從一個節(jié)點傳到下一個節(jié)點，所以ZigBee網絡具有很高的通信效率8。Zigbee模塊接受到來自

34、傳感器的數據后顯示數值，并根據事先定制好的規(guī)則判斷煙霧是否超標，如果有煙霧超標則發(fā)出報警信息，并驅動報警電路發(fā)出報警。幾種無線傳輸方式的比較如表2.1所示。表2.1 幾種無線傳輸方式的比較藍牙紅外Zigbee系統(tǒng)開銷較大小小電池壽命較短長最長網絡節(jié)點2255/65000+物理圍（有效）10m定向1m1-100+傳輸率1Mbps16Mpbs20/250Mbps傳輸介質2.4GHZ 射頻980nm 紅外2.4GHZ 射頻根據國家相關標準，火災報警系統(tǒng)應具有故障修復的功能來保證系統(tǒng)正常運行。系統(tǒng)除了具有比較好的穩(wěn)定性、實時性和可靠性外，我們也希望低成本，這樣方便于我們較大規(guī)模地在森林布置節(jié)點。除此之

35、外系統(tǒng)也應該做到較節(jié)能，以便于系統(tǒng)長時間的運行，這樣就避免了頻繁得更換電池給用戶所帶來的不便。所以在選擇用來構建無線火災報警系統(tǒng)的無線技術時，必須考慮到火災報警系統(tǒng)的這些需求9。因此，綜合考慮成本、易操作性、系統(tǒng)性能等因素，最終選擇方案三。3硬件設計本次設計的森林火災監(jiān)測系統(tǒng)硬件部分主要由ZigBee模塊、主控芯片（STC89C52）、時鐘部分DS1302、顯示部分LCD1602、溫度傳感器電路、煙霧檢測電路和報警電路部分組成。各部分相互協(xié)作，構成有機統(tǒng)一的整體，從而實現通過煙霧濃度實現火災防的功能。3.1 單片機最小系統(tǒng)的設計STC89C52具有的特點是：40個引腳，128 比特隨機存取數據

36、存儲器（RAM），4KB片程序存儲器，5個中斷優(yōu)先級，2層中斷嵌套中斷，32個外部雙向輸入/輸出（I/O）口， 2個16位可編程定時計數器，片時鐘振蕩器，2個全雙工串行通信口，看門狗（WDT）電路。 STC89C52可以通過硬件設置振蕩頻率為0Hz，也可以通過對軟件的設置來進入省電模式。在空閑的模式下，單片機的CPU就會停止工作而RAM定時計數器、串行口以與外部中斷系統(tǒng)繼續(xù)去工作，這樣就可以在掉電的情況下使振蕩器凍結，將數據保存在RAM中，掉電的時候系統(tǒng)會停止芯片的其它功能，直至外部中斷響應或硬件電路進行復位。STC89C52芯片有三種封裝形式PDIP、TQFP和PLCC，這三種不同的封裝形式

37、適應不同產品的需求。特別注意：31腳(EA/VPP)是選擇片外存儲器的引腳，當EA/VPP接高電平時，單片機在復位后從部ROM的0000H開始執(zhí)行；當EA/VPP接低電平時，復位后直接從外部ROM的0000H開始執(zhí)行。單片機外圍需要一個復位電路，單片機在啟動時都需要復位，以使CPU與系統(tǒng)各個電路的狀態(tài)都處于一個確定的初始狀態(tài)，并且從這個初始狀態(tài)開始工作。復位后PC0000H，使單片機從第個單元取指令。當振蕩器穩(wěn)定且系統(tǒng)處在正常的工作狀態(tài)，如果RST引腳上有一個保持2個機器周期以上的高電平，則CPU便能響應并復位系統(tǒng)10。單片機最小系統(tǒng)的復位方式有：上電復位和手動按鈕復位。為了保險起見，電源穩(wěn)定

38、后還得經過一定時間的延時再撤除復位信號，以防止電源的開-關或電源插頭分-合的過程中所引起的抖動對復位的影響。最小系統(tǒng)中復位電路的電容C1的大小會直接影響單片機的復位時間，通常采用10uF左右極性電容，單片機最小系統(tǒng)的電容值越大復位時間就越短。單片機最小系統(tǒng)中晶振的振蕩頻率會直接影響到單片機的處理速度，頻率越大則處理速度越快。時鐘電路：單片機引腳18和引腳19外接晶振與電容，STC89C52單片機的工作頻率在233MHz圍，單片機工作頻率取決于晶振XT的頻率，通常選用11.0592MHz晶振。兩個小電容通常取值30pF，以保證振蕩器電路的穩(wěn)定性與快速性11。此設計中P0口作為輸出口用來驅動LCD

39、顯示，而P0口部又沒有上拉電阻，所以加上10K上拉電阻。最小系統(tǒng)電路圖如圖3.1所示：圖3.1 單片機最小系統(tǒng)電路圖在單片機的最小電路系統(tǒng)上分別設計主模塊和從模塊。主模塊主要由單片機控制DS1302時鐘芯片，從模塊主要由單片機控制DS18B02溫度傳感器和MQ-2煙霧傳感器，主從模塊同時由單片機控制LCD1602顯示器和Zigbee模塊。3.2 時鐘電路設計DS1302是一種低功耗，高性能的實時時鐘芯片，它是由美國DALLAS公司推出的。它附加31字節(jié)靜態(tài)RAM，采用SPI三線接口和單片機同步通信，且可以采用突發(fā)方式來一次性傳送多個字節(jié)的時鐘信號和RAM數據。DS1302實時時鐘能給單片機提供

40、年、月、日、星期、時、分和秒等信息，一個月小于31天能自動調節(jié)，其工作電壓寬達2.5-5.5V。它采用兩個電源供電（主電源與備用電源），可以設置備用電源的充電方式，提供了對后背電源進行涓細電流充電的能力，DS1302可以用于數據記錄，尤其是對某些具有特殊意義的數據點的記錄 ，能實現數據與出現該數據的時間同時記錄，基于這一點，DS1302可以實現定時功能，通過記錄的定時時間與實時時間比對，實現定時時間到后，發(fā)出信號。DS1302與單片機之間進行通信可以采用同步串行方式，且僅需用到三個口線：RES復位、I/O數據線和SCLK串行時鐘。DS1302工作的時候功耗較低，保持數據和時鐘信息的時候功率小于

41、1mW。DS1302部管腳圖如圖3.2所示。各管腳功能描述如表3.1所示。 圖3.2 DS1302部管腳圖表3.1 DS1302部管腳引腳號名稱功能1VCC1備份電源輸入2X132.768KHz晶振輸入3X232.768KHz晶振輸出4GND地5RST控制移位寄存器/復位6I/O數據輸入/輸出7SCLK串行時鐘8VCC2主電源輸入 DS1302的數據讀寫方式有兩種，一種是多字節(jié)操作方式，另一種是單字節(jié)操作方式。每次對時鐘/日歷的8字節(jié)或31字節(jié)RAM進行全體寫入或讀出的操作，稱其為多字節(jié)操作方式，而每次僅寫入或讀出一個字節(jié)數據稱為單字節(jié)操作。當以多字節(jié)方式寫時鐘寄存器時，必須按數據傳送的順序依

42、次寫到8個寄存器中。但是，當以多字節(jié)方式寫RAM時，則不必寫所有31個字節(jié)。不管是否寫了全部31個字節(jié)，所寫的每一個字節(jié)都將傳送至RAM。DS1302是SPI總線驅動方式。它不僅要向寄存器寫入控制字，還需要讀取相應寄存器的數據。為了啟動數據傳輸，CE引腳信號應由低變高，當把CE驅動至邏輯1狀態(tài)時，SCLK必須為邏輯0，數據在SCLK的上升沿串行輸入。在開始的8個時鐘周期將命令字（具有地址和控制信息的8位數據）裝進移位寄存器之后，其余的時鐘在讀操作的時候輸出數據，在寫操作的時候輸入數據，所有數據在時鐘的下降沿變化。不管是讀周期亦或是寫周期，也無論是多字節(jié)傳送還是單字節(jié)傳送的方式，都要通過控制字指

43、定40字節(jié)中的哪個會被訪問。對于單字節(jié)操作，包括命令字節(jié)在，每次為2個字節(jié)，需要16個時鐘；對于時鐘/日歷多字節(jié)模式操作，每次為7個字節(jié)，需要72個時鐘；而對于RAM多字節(jié)模式操作，每次則為32字節(jié)，需要多達256個時鐘。所有寫入或讀出操作都是先向芯片發(fā)送一個命令字節(jié)。控制字節(jié)最高的有效位（位7）必須為邏輯1，如果為0，就不能將數據寫進DS1302中。位6為0，表示為存放或取出日歷時鐘的數據，為1表示為存放或取出RAM數據。操作單元的地址由位5至位1（A4-A0）標示，而最低有效位（位0）若為1時表示要實行讀操作，為0時表示要實行寫操作。控制字節(jié)一般從其最低位來開始傳輸。在控制字指令輸入之后的

44、下一個SCLK時鐘上升沿時，DS1302中寫入數據，數據的輸入從最低位（0位）開始。而同樣的，在緊跟8位控制字指令后的下一個SCLK脈沖的下降沿，讀出DS1302的數據，讀出的數據也是從最低位到最高位。表3.2為DS1302的控制字：表 3.2 DS1302控制字1RAMA4A3A2A1A0RDCKWRDS1302中與時間、日期有關的寄存器共有12個，其中7個存放數據的格式為BCD碼格式，其讀寫地址如表3.3所示。表3.3 DS1302寄存器讀寫地址讀寄存器寫寄存器Bit7Bit7Bit7Bit7Bit7Bit7Bit7Bit7圍81H80HCH10秒秒00-5983H82H10分分00-59

45、85H84H12010時時0-2324AM/PM1-1287H86H10日日1-3189H88H10月月1-128BH8AH00000周1-78DH8CH10年年00-998FH8EHWP0000000第一行為秒寄存器，CH是時鐘暫停標志位，CH位為1的時候時鐘停止，為0的時候時鐘運行；第二行為分寄存器，bit0bit6表示分鐘數，因采用BCD編碼，所以低四位所能表示的最大數字為9，計數滿則向高三位進1；第三行為時寄存器，12/24用來定義DS1302小時的運行模式，12小時的模式下bit5若為1表示PM(下午），bit5若為0表示AM(上午)；第八行為控制寄存器，bit7為寫保護位WP，當W

46、P為1時，寫保護位可以防止對任何一個寄存器的寫操作，在任何對時鐘和RAM的寫操作之前，WP位必須為0 ； DS1302分別有SCLK、I/O、RST與單片機連接，X1與X2之間接32.768KHz晶振 ，具體電路如圖3.3所示： 圖3.3 DS1302與單片機的接口電路3.3 顯示電路設計工業(yè)字符型液晶LCD1602指的是顯示的容為16*2，且能同時顯示兩行，每行16個字符。常見的LCD1602字符液晶顯示器有兩種，一種是藍色背光白色字體顯示，另一種是綠色背光黑色字體顯示，本課題所用LCD1602液晶顯示器模塊，顯示屏是藍色背光白色字體，因為白色字體藍色背光看起來比較清楚。LCD1602分為帶

47、背光和不帶背光兩種，基控制器大部分為HD44780，帶背光的比不帶背光的厚，是否帶背光在應用中并無差別。1602LCD所采用的是標準的14腳（無背光）或16腳（帶背光）接口，各個引腳的接口說明如表3.4所示。表3.4 引腳接口說明編號符號引腳說明編號符號引腳說明1VSS電源地9D2數據2VDD電源正極10D3數據3VL液晶顯示偏壓11D4數據4RS數據/命令選擇12D5數據5R/W讀/寫選擇13D6數據6E使能信號14D7數據7D0數據15BLA背光源正極8D1數據16BLK背光源負極 液晶顯示器LCD1602與單片機STC89C52的接口由一組8位數據傳輸線和3根控制線完成。LCD1602的

48、RS、RW、E分別由單片機的P1.2、P1.1、P1.0來控制，數據輸入口DB0DB7由P0.0P0.7傳輸數據，因為是接在P0口,所以要接上拉電阻。LCD1602與單片機的接口電路如圖3.4所示： 圖 3.4 LCD1602與單片機的接口電路3.4 煙霧檢測電路的設計MQ-2氣體傳感器是SnO2(氧化錫)半導體氣敏傳感器屬于電阻型氣敏元件。它是利用氣體在半導體表面的氧化和還原反應導致敏感元件阻值變化。若氣濃度發(fā)生變化，其阻值也將隨之變化。根據這一變化，可以從阻值的變化得出吸附氣體的種類和濃度。MQ-2的主要特點：(1)具有信號輸出指示。(2)雙路信號輸出（模擬量輸出與TTL電平輸出）(3)T

49、TL輸出有效信號為低電平。（當輸出為低電平時信號燈亮，可直接單片機）(4)模擬量輸出05V電壓，濃度越高電壓值越高。(5)快速的響應恢復特性。(6)具有長期的使用壽命和可靠的穩(wěn)定性。(7)適宜于煙霧、液化氣、丁烷、丙烷、甲烷、酒精、氫氣等的探測。煙霧檢測電路圖如圖3.5所示。主要由煙霧傳感器MQ-2和相關元器件構成。圖3.5 煙霧檢測電路圖傳感器的電導率是隨空氣中可燃氣體濃度的增大而增大，再使用相應的外圍電路就可將電導率的變化轉變成與該氣體濃度變化相對應的電信號。一般情況下，傳感器輸出的信號會比較弱，而且其中還包括了一些避免不了的干擾，對這種信號的放大就需要有很好的共模抑制比以與高增益、低噪聲

50、和高輸入阻抗的放大電路。當傳感器輸出的信號經過前置放大電路對其進行的放大、濾波、電平調整后，輸出的信號才能滿足單片機對輸入信號的要求。煙霧傳感器是氣-電變換器，它屬于氣敏傳感器，它將空氣中煙霧或可燃性氣體的含量(即濃度)轉化成對應的電壓或者電流信號，傳感器作為煙霧報警器的信號采集部分，是整個系統(tǒng)的核心組成部分之一。一個煙霧傳感器既可以只實現單個功能，也可以實現多種功能的。一個完整的煙霧傳感器都必須具有：(a)能夠檢測到某一種單一的煙霧，且對于其他的共存煙霧不響應或低響應； (b)對被檢測的煙霧應具有比較精準的靈敏度，可以有效地去檢測適用圍之的煙霧濃度；(c)對被檢測的信號應做到響應的速度快且重

51、復性好；(d)其工作的穩(wěn)定性長期較好，制造成本比較低且其使用與維護較方便等條件。3.5 DS18B20外圍電路的設計溫度傳感器我們選擇DALLAS(達拉斯)公司生產的DS18B20。主要是因為它精度高，測量圍廣。除此之外，它還具有超小的體積，超低的硬件開消，精度高，抗干擾能力強，附加功能強等優(yōu)勢。它的封裝形式比較多樣化，如管道式，螺紋式，磁鐵吸附式，不銹鋼式，主要根據應用場合的不同而改變其外觀。DS18B20數字溫度傳感器提供9-12位的攝氏溫度測量并有一個報警功能。它接收或者發(fā)送信息是通過一個單線接口，因此在DS18B20和中央處理器之間只需一條連接線。此外，DS18B20可以直接從單線通訊

52、線上面攝取能量，所以除去了它對外部電源的需求。每個DS18B20都有一個比較特別的64位序列號，因此它允許多只DS18B20同時連在一根單線總線上。這一個特殊性能在HVAC環(huán)境控制、探測儀器或機器的溫度、建筑物以與過程監(jiān)測和控制等方面都非常有用。DS18B20的另一個功能是它能在無外部電源供電的情況下正常工作。由于DS18B20的溫度檢測和數字數據輸出在一個芯片上集成，因此抗干擾力更強。它的一個工作周期可以分為數據處理和溫度檢測兩個部分。DS18B20三種形態(tài)的存儲器分別為：（1）ROM 只讀存儲器。DS18B20共有64位ROM，它用來存放DS18B20的ID編碼，單線系列編碼（DS18B2

53、0的編碼是19H）是它的前8位，而芯片中唯一的序列號是后面48位，以上56位的CRC（冗余校驗）碼是最后8位。用戶不能更改數據出產時的設置；（2）RAM 數據暫存器，它用于部的數據存取和計算，數據會在斷電后丟失。DS18B20的RAM共有9個字節(jié)，每個字節(jié)為8位。第1和第2個字節(jié)為溫度轉換之后的數據信息，第3和第4個字節(jié)為用戶EEPROM（經常用在溫度報警值儲存）的鏡像，它的值在上電復位的時候會被刷新。第5個字節(jié)則為用戶第3個EEPROM的鏡像。第6、第7和第8個字節(jié)是計數寄存器，它的設計目的是可以讓用戶獲得更高的溫度分辨率，它也是部溫度轉換和計算的暫存單元。第9個字節(jié)是前8個字節(jié)的CRC碼；

54、（3）EEPROM 非易失性記憶體。它用來存放一些需要長時間保存的數據、上限或者下限的溫度報警值和校驗數據，DS18B20一共有3位EEPROM，且都在RAM存在鏡像，用來方便用戶的操作。DS18B20的主要特征有：(1) 全數字的溫度轉換和輸出(2)獨特的單線接口僅需一個端口引腳進行通訊(3)最高可達12位分辨率，精度可達0.5攝氏度 (4)當為12位分辨率時，其最大工作周期為750毫秒(5)可以選擇寄生的工作方式 (6)檢測的溫度圍為55C +125C (67F +257F) (7)置EEPROM，限溫報警功能 (8)64位光刻ROM，置產品序列號，方便多機掛接(9)多樣封裝形式，適應不同硬件系統(tǒng)溫度檢測電路圖如圖3.6所示。圖3.6 溫度傳感器電路圖3.6 報警電路的設計設計的報警