基于ZigBee的船艇消防安全监测系统研究

0 引言
    我国是一个海洋大国，海洋面积为陆地面积的三分之一，各类船艇在国防、国民经济和海洋开发等方面都占有十分重要的地位。船艇的基本部分为船体，其内部有工作舱、生活舱、贮藏舱、仪器设备舱等各种用途的舱室。由于船艇舱室多为狭小的半封闭式空间，舱内消防安全监测尤为重要。
    传统的船艇舱室消防安全监测系统一般采用有线监控的方式，火灾探测器直接通过硬线与控制器连接。有线监测系统造价高、布线复杂、扩展性差、设备后期维修困难。目前，无线传感器网络已经在各种环境条件的监控系统中得到了广泛的应用，船艇舱室的监测系统使用无线传感器网络，不会出现传统布线方法带来的种种不便。由于消防安全为长期的连续监测，使用ZigBee这种安装简单、能量消耗小的短距离无线通信技术十分适合。本文提出了一种基于ZigBee技术的船艇消防安全监测系统的设计方案，在成本低、易于实现的前提下实现对船艇各个舱室内部的消防安全监测。

1．ZigBee无线传感器网络
1．1 ZigBee技术简介
    ZigBee是一种低复杂度、低成本、低功耗、低速率的短距离双向无线通信新技术，是建立在IEEE 802．15．4定义的可靠的物理层(PHY)和媒体访问层(MAC)之上的标准。IEEE 802．15．4定义了两类设备类型：精简功能设备(RFI))和全功能设备(FFD)。在ZigBee系统中，这两类设备指的是物理设备类型。在ZigBee网络中，一个节点可以有三种角色：ZigBee协调器、ZigBee路由器和ZigBee终端设备。ZigBee技术可实现的网络拓扑结构有三种：星形、树形、网状，如图1所示。

1．2 ZigBee技术特点
    相对于传统的无线电、微波、蓝牙、射频等各种无线通信方式，ZigBee技术是最低功耗和最低成本的技术。ZigBee技术主要有以下特点：
    (1)功耗低，在低功耗模式下，2节普通5号电池使用时间为6～24个月。
    (2)设备成本低，协议简单，协议免专利费，搭建平台的成本较低，适合广泛使用。
    (3)网络容量大，可容纳最多65 000个设备。
    (4)网络的自组织、自愈能力强，通信可靠。

2 船艇舱室消防安全监测系统
2．1 系统设计方案
    船艇消防安全监测系统探测火灾发生的原理是检测火灾发生前后的烟浓度、温度和光这三个物理参数的变化，利用分布在舱室待测区域内的传感器节点采集这些环境参数。
    船艇消防安全监测系统设计由硬件电路设计和系统软件设计两部分组成。使用ZigBee技术通过控制器和若干个传感器节点，搭建一个无线通信网络。多个传感器节点置于船艇各舱室内，通过传感器采集烟浓度、湿度、光强数据，将采集结果通过无线通信的方式发送到路由器节点，然后路由器节点再将数据以无线通信的方式发送到协调器节点。协调器节点将收集的多个数据进行分析处理后，显示在LCD显示屏上，同时也可通过串口将采集信息传输至PC机。系统设计主要结构如图2所示。

2．2 功能模块设计
    系统选用的ZigBee设备为基于Jennic公司的JN5139 ZigBee解决方案，它提供了完整的ZigBee协议栈、软件编辑、编译／链接、调试、下载等工具。JN5139芯片是英国Jennic公司推出的高性能、低功耗的一系列无线芯片，该系列芯片天线的灵敏度高、功耗低、通讯距离远，为ZigBee技术提供了良好的解决方案。系统节点框图如图3所示。

    ZigBee网络协调器模块设备板载UART接口用于和嵌入式主板或PC连接，可进行数据传输及软件下载或调试。作为网络协调者，负责管理整个ZigBee网络的组建和维护。传感器节点／路由模块设备采用2节5号电池供电，提供模拟传感器和数字传感器扩展接口，用于连接烟浓度、温度、光强度传感器。作为路由节点或终端节点，其自身可采集数据，并可转发其他节点的数据包。
2．3 系统软件设计
    软件平台同样使用Jennic公司所提供的代码编辑和编译环境Jennic CodeBlocks。CodeBlocks是一款开源的C／C++开发工具，Jennic基于这个工具对其进行扩展形成了自己的开发平台。Jennic Flash Programmer程序用来将CodeBlocks中编译好的代码下载到控制器板或传感器板中。
    系统的软件设计包括网络协调器节点和传感器节点的设计。网络协调器节点在初始化过程中找到合适的信道，建立一个网络，循环检测传感器节点的绑定请求。当传感器节点加入网络后，便可进行数据的传输。传感器节点的软件流程图如图4所示。该程序的主要作用就是将传感器节点加入网络协调器节点建立的无线网络，实时读取传感器测得的环一境参数数据，并周期性地将这些数据发送给网络协调器节点。

3 结语
    提出了一种以JN5139模块为核心，基于ZigBee的船艇消防安全监测系统的设计与实现方法。将ZigBee这种低功耗、高可靠性、可扩展性强的无线网络应用在消防安全监测，避免了各种现场布线，加强了系统的灵活性和可靠性，提高了船艇消防安全监测能力，更好地避免船艇火灾的发生。