本科毕业论文---基于zigbee的森林火灾监测系统设计.doc
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1、 题 目 基于ZigBee的森林火灾监测系统设计 学生姓名 常 乐 学号 1113024057 所在学院 物 理 与 电 信 工 程 学 院 专业班级 通 信 工 程 专 业 1102 班 指导教师 郑 争 兵 完成地点 物 理 与 电 信 工 程 学 院 实 验 室 2015 年 6月 3日毕业论文设计任务书院(系) 物理与电信工程学院 专业班级 通信1102班 学生姓名 常乐 一、毕业论文设计题目 基于Zigbee的森林火灾监测系统设计 二、毕业论文设计工作自 _2015 _年_ 1_ _月_10 _日 起至_2015_年 6 月_ 10 日止三、毕业论文设计进行地点: 物理与电信工程学院
2、实验室 四、毕业论文设计的内容要求: 森林对于人类来说至关重要,它是生态平衡的保护着。但是近年来,随着气候变化,人为活动等因素,森林安全受到了巨大的威胁。这其中,森林火灾是威胁森林的最大原因之一,它不仅会造成很大的人力物力的流失,关键的是,我们会更多的失去原本就在减少的森林资源。所以,森林火灾的实时监测与防治迫在眉睫。本课题构建了基于ZigBee无线传感器网络的森林火灾监测系统,具体要求如下: 1. 掌握Zigbee技术的相关知识; 2.通过监测烟雾浓度实现火灾防范,完成一定范围内的监测报警; 3.系统集成,完成功能调试。 成果形式:实验样机一套。 毕业设计进度安排: 1.103.20:查阅资
3、料(参考文献不少于10篇),进行方案论证,完成开题报告。完成不少于3000字的外文翻译; 3.204.30:设计硬件电路,编写相关软件、完成电路仿真及样机调试; 5.15.20:完善系统调试,撰写论文,准备毕业设计验收等工作; 5.21-6.10:整理资料,修改论文,准备毕业答辩。 指 导 教 师 系 (教 研 室) 通 信 教 研 室 系(教研室)主任签名 批准日期 接受论文 (设计)任务开始执行日期 学生签名 基于Zigbee的森林火灾监测系统设计常乐(陕西理工学院 物理与电信工程学院 通信工程专业 2011级2班,陕西 汉中 723003)指导教师:郑争兵 摘 要 随着经济的快速发展,地
4、下建筑、高层建筑以及大型综合性的建筑日益增多,火灾隐患也随之增加,火灾发生的数量及其造成的巨大损失都呈现逐年上升的趋势。而传统的报警系统采用了有线连接,线路容易磨损或遭到腐蚀、老化,系统造价高、耗材多、扩展能力差、功耗大、设计、施工与维护复杂。在火灾发生前后不能有效地发挥其作用。为了有效的降低火灾带来的损失,本论文利用Zigbee技术设计了一种火灾报警系统。该系统由主模块和从模块构成。主模块主要包括单片机最小系统、时钟模块、显示模块和Zigbee模块,完成系统的监测功能。发送模块主要包括单片机最小系统、烟雾检测模块、温度检测模块、报警模块和Zigbee模块,完成系统的检测与报警功能。实验测试结
5、果表明:系统通过监测烟雾的浓度,能够实现一定范围的森林火灾监测报警。关键词 Zigbee;单片机;烟雾检测电路;报警电路;温度检测电路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: Z
6、heng ZhengbingAbstract:With the 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 connectio
7、n, lines easy wear or corrosion, 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 t
8、o design a fire alarm system. The system 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 mai
9、nly includes the minimum system, the 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 thr
10、ough monitoring the concentration of smoke.Keywords:Zigbee; MCU; smoke detection circuit; the alarm circuit; the temperature detection circuit目 录1绪论11.1课题背景11.2 课题研究现状和前景11.3课题研究意义31.4论文结构32系统方案选择32.1设计要求32.2方案选择42.2.1主控芯片的选择42.2.2时钟芯片的选择42.2.3显示模块的选择42.2.4烟雾传感器的选择52.2.5无线模块的选择53硬件设计63.1 单片机最小系统的设计7
11、3.2 时钟电路设计83.3 显示电路设计103.4 烟雾检测电路的设计113.5 DS18B20外围电路的设计123.6 报警电路的设计133.7 无线模块电路的设计144系统软件设计184.1 仿真环境介绍184.2 Zigbee模块的数据传输原理184.3主模块软件设计204.4 从模块软件设计225.系统调试245.1 单片机最小系统电路的调试245.2烟雾检测电路的调试245.3 软件调试255.4 测试结果27总结与展望28致谢29参考文献30附录A 英文文献原文31附录B 英文文献译文38附录C 程序44附录D 元器件清单54附录E 整体电路图55IV 陕西理工学院毕业设计1绪论
12、1.1课题背景 随着经济的快速发展,地下建筑、高层建筑以及大型综合性的建筑日益增多,火灾隐患也随之增加。火灾发生数量及其造成的损失都呈现逐年上升的趋势。美国消防协会强调烟雾报警器在消除火灾、拯救生命方面发挥着越来越重要的作用,美国消防协会指出美国家庭火灾死亡人数的40是由于没有安装报警器造成的。所以用来保障生命和财产安全的火灾报警系统便显得越来越必要。但是火灾报警系统设置之后,往往会发现系统有些不如人意的地方。比如探测器误报警,常演绎“狼来了”的故事,使消防人员饱受困扰。排除了一些设备的质量不过关等因素之后,我们发现这些情况往往是因探测设备受到干扰造成的1。因此,有效的火灾报警系统成为保护人身
13、生命财产安全的重要设施。根据它的发展过程又可以将它分为以下三种类型:多线型,总线型以及无线型。多线型的报警系统顾名思义布线较多,且电路比较复杂,所以导致误报率较高,可靠性较差,它已经逐步被总线型的报警系统所取代。总线型的自动报警系统采用微处理器控制,通过总线来与控制器实现信号传送,它和以前的产品比起来有了很大的飞跃,布线方面工作显著减少,安装调试变得容易,降低了安装和维修费用,目前国内生产的火灾自动报警系统大多数为此类产品。但随着社会的发展,这一系统已逐渐暴露出它的问题。由于它采用了有线连接,线路容易磨损或遭到腐蚀、老化,系统造价高、耗材多、扩展能力差、功耗大、设计、施工与维护复杂,在火灾发生
14、前后不能有效地发挥其作用。而解决这些问题的最佳方法就是取消有线连接,使用可以即插即用的无线系统。国际上许多著名的大学和公司纷纷从不同的角度、不同的层次对无线传感器网络进行了研究和开发。目前,国外在无线传感器网络方面的研究已经取得了一些积极的研究成果,他们已经成功地开发了全功能传感器。极少数企业也已经开始使用无线传感器网络技术2。在中国,这种新兴无线通信革命也在悄然发生。2007年9月29日,中科院的上海微系统与信息研究所联合多家研究所、高校所共同承担的“无线传感器网络的关键技术攻关及其在交通中的应用示范研究”项目完成了验收。该项目研究了:远程高速传输的传感网端机、基站;传感网超轻量化 IPV6
15、 协议栈;传感网数据流的特征和模型等无线传感器的网络在交通信息领域的关键技术;交通传感网协同模式的识别算法体系以及多元数据源交通综合信息的融合技术。国内有关于无线传感器网络研究还处于刚起步的阶段,但由于无线传感器网络是门新兴的技术,国内与国际之间的水平的差距并不是很大,及时开展这项对人类未来生活有深远影响的前沿科技的研究,对整个国家的社会、经济都将有重大的战略意义。1.2 课题研究现状和前景世界上的一些较发达的国家,像日本、加拿大、美国、德国,他们就具有非常成熟和完善的消防组织体系,包括火灾的预防、报警以及处理等。这些国家进行了非常有益的尝试,在公共报警研究工作中引入火灾自动报警,然后再对火灾
16、报警及其相关方面的监控系统进行整合,做到了统一管理,这样便给消防部门开展工作带来了很大便利,消防人员可以快速并准确地判断火灾现场,从而可以有效进行火灾处理工作。这些无线的火灾报警系统通常采用专用网络来实现,它们主要侧重作为楼宇自控系统附属的子系统或者是专业的火灾报警场合,不符合我国关于火灾报警必须自成一个系统的设计原则,所以目前国外无线火灾自动报警的系统在我国的消防领域的应用受到了限制。我国烟雾超标报警技术实现了较快发展,但由于在实际应用中,烟雾超标报警系统的通讯协议不一致,烟雾超标报警自动排气工程技术水平还相对落后,还存在着一些比较突出的问题。如智能化程度低、网络化程度低、适用范围过小、组件
17、连接方式有待改善、漏报问题较多、烟雾超标报警系统误报、超早期烟雾探测报警技术应用还几乎处于空白。在我国采用无线通信方式的火灾报警系统也日渐受到重视,因其方便安装、灵活性较好以及容易扩展等特点,能适用很多公共场所,所以成为现代火灾自动报警的发展方向。如今我国报警系统在借鉴国外的先进技术基础上,同时积极运用新技术以及新材料来改进系统的性能,使无线火灾报警器向误报率低、可靠性高、多功能化、无线网络化、自动化以及智能化的方向发展。随着Zigbee技术的逐渐成熟,国内多家单位已经将基于Zigbee的无线传感器网络应用于煤矿安全、环境监测、智能家居、远程抄表等领域,从理论和实践上获得了突破。火灾报警系统无
18、线化的时代即将到来3。下面对Zigbee协议加以介绍。1.2.1 Zigbee协议概述 Zigbee 一词来自于蜂群在找到了花粉位置的时候,用跳 ZigZag的舞蹈来告诉同伴,以此来进行信息的交换,这是一种简便的用来实现“无线”交流的方式。人们便借此来称呼一种专注于成本小、功耗低、速率低以及复杂度低的近距离的无线网络通信技术,也包括了这种寓意。Zigbee 的协议基础是IEEE 802.15.4,这是 IEEE 无线个人区域网(PAN)工作组的一个标准,被称为 IEEE 802.15.4(Zigbee)技术标准; Zigbee 联盟对它的网络层协议和 API 进行标准化是由于IEEE 只处理低
19、级的MAC 层和物理层的协议。Zigbee 联盟还开发了安全层,用来保证这一种便携设备不会轻易的泄漏它的标识,而且其它的节点不会获得这一种利用网络的远距离的传输 4。1.2.2 Zigbee 设备类型及其网络拓扑结构(1)Zigbee 的设备类型IEEE802.15.4 标准定义了两个类型的物理设备:全功能设备(FFD)以及简单功能设备(RFD)。这两种物理设备功能的描述如表1.1 所示。表1.1 Zigbee设备功能设备类型设备类型适用拓扑结构功能描述全功能设备(FFD)星型网络网状网络簇-树状网络具有转发与路由能力,其处理控制能力较强,拥有足够的存储空间存放路由信息。可作为协调器或设备与任
20、何设备进行通讯简单功能设备(RFD)星型网络内存小,功耗低,功能简单。在网络中为源节点,只能和全功能设备通讯。(2)Zigbee 的网络拓扑结构Zigbee 主要采用了三种组网方式,对等网、星型网及混合网5。在星型网络中,所有设备都与中心设备网络协调器通信。网络协调器一般在这种网络中会使用持续的电力系统供电,而其他设备则采用电池供电。网络的协调器只能用FFD设备。对等网是由主器件连接在一起而形成的,它又可以分为簇树结构和点对点结构。任意两个设备只要彼此在对方的无线辐射范围内,收得到对方的无线的信号,就能进行通信,而且不需要其他设备的转发。这种网络的结构支持 Ad Hoc 网络,它允许用多跳路由
21、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。1.2.3 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
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