基于Zigbee的无线校园火灾监控系统硬件节点设计

摘要：在校园安全监控中，对火灾险情的监控至关重要。该文以意法半导体公司推出的STM32系列ARM控制器、TI公司的CC2420无线射频芯片为技术核心，设计出了基于ZigBee技术的无线校园火灾监控、报警系统的硬件节点模块。实践表明，以该模块构成的火灾监控系统，能够有效地对校园火灾进行无线网络化监控。

关键词: STM32；zigbee；无线；火灾监控；硬件节点

中图分类号：TP393文献标识码：A文章编号：1009-3044(2012)13-3011-03

Hardware Node Design of Wireless Fire Alarm System for Campus Based on ZigBee

DING Fan,ZHOU Yong-ming

(School of Physics and Mechanical & Electrical Engineering, Shaoguan College, Shaoguan 512005, China)

Abstract: It’s vital important to monitor the fire for the campus.In this paper,a Zigbee wireless network based fire alarm hardware module was designed, in which the STM32 series ARM controller and TI’s CC2420 RF chip was used. Practice shows that, the fire monitoring system composed of the designed modules realizes the wireless network of fire system for campus.

Key words: STM32; zigbee; wireless; fire monitoring; hardware node

在校园环境中，火灾等危险事故时有发生；如果对这些事故能进行监控，及时对事故预测和预报，就能大大减少人员伤亡和财产损失。近些年来，随着以微机电系统（MEMS）为基础的传感器技术、低功耗的数字和模拟技术以及无线射频通信技术的进步，推进了低成本、低功耗的无线传感网络技术的飞速发展[1-2]，从而使得开发低成本的火灾监控和报警网络系统成为可能。

目前校园安防监控系统大多是基于有线通信，这就使得一些不便于布线的区域成为了安防监控的盲区，而且采用的是有线方式连接，可扩展性较差，维护起来也比较困难，因为相对成本较高。

基于上述原因，结合校园防火报警需要，该文提出了基于意法半导体公司推出的STM32系列ARM控制器、TI公司的CC2420无线射频芯片以及Zigbee无线通信技术为技术核心的无线智能型校园火灾监控系统硬件节点设计方案。利用zigbee无线传感器网络，配合各种传感器的使用，可以对校园实行全方位、多角度实时监控。当校园内有火灾等安全事故发生时，便可以快速通知管理人员及时进行处理，从而极大地保证了学校师生的生命财产安全。

1系统总体架构设计

本文设计的火灾监控系统采用树形网络拓扑结构，整个网络由三种硬件节点模块组成，包括ZigBee终端节点、路由器节点、网络协调器节点，ZigBee终端设备节点负责收集探测器探测到的报警信息，并把报警信息利用ZigBee无线通讯方式发送到终端设备的路由器节点(即父设备)，再由路由器节点转发到网络协调器节点。基于ZigBee技术的智能火灾监控报警系统提高了管理系统中数据的可靠性,对每个终端节点所监控的区域内发生的火灾险情能够及时判断并通过无线网络通知管理人员。系统的整体结构如图1所示。

2系统硬件节点模块设计

2.1微处理器（MCU）控制模块

在本系统中，采用意法半导体公司(ST)推出的STM32系列微控制芯片STM32F103R8为主控制器。STM32系列32位闪存微控制器使用来自于ARM公司专为嵌入式领域开发的具有突破性的Cortex—M3内核，该内核是专门设计于满足集高性能、低功耗、实时应用于一体的嵌入式领域的要求，具有高性能、低功耗、实时性等特点。STM32提供3种睡眠、停机和待机模式三种低功耗省电模式和灵活的时钟控制机制，用户可根据自己的需求合理的优化耗电和性能要求。STM32F103R8属于增强型系列芯片，主频率为72 MHz，高达90DMips，1.25DMips/MHz，内置128K字节高速闪存程序存储器和20K字节的SRAM，通过APB总线连接的丰富和增强的外设以及多达80个的高速I/0口。

图1无线校园火灾报警系统的整体架图

2.2 Zigbee无线射频传输模块

CC2420是Chipcon公司推出的第一款真正意义上符合2.4GHz IEEE802.15.4协议规范，广泛应用于无线网络中的低功耗、低电压的射频收发芯片，只需极少外部元器件，性能稳定且功耗极低。CC2420的选择性和敏感性指数超过了IEEE802.15.4标准的要求，可确保短距离通信的有效性和可靠性。CC2420为工作于2.4GHz免授权频段的无线通信提供了一个低成本的完整解决方案。

无线射频模块的功能是以射频模式接收和发送数据。CC2420通过SPI接口与主微控制器（MCU）交换数据、发送命令等通信，由于STM32F103系列芯片一般都集成了SPI控制器，因此CC2420射频模块可以很方便地通过SPI总线接口与处理器STM32直接连接并进行数据通信。

CC2420与微处理器STM32F103R8的接口如图2所示，CC2420通过SPI四条线接口（CSn, SI, SO, SCK）直接连接到的STM32F103R8的4个SPI通信接口，负责数据通信；另外，还有SFD, FIFO, FIFOP和CCA 4个引脚与微处理器STM32F103R8连接，负责表示收发数据的状态。在这种连接方式中，STM32工作在SPI主模式下;而CC2420射频模块工作在子模式下，由处理器STM32控制进行有效的数据收发工作。

图2 Zigbee无线射频通信模块与STM32的连接框图

2.3传感器模块

随着微处理器技术、传感器技术和信号处理技术的快速发展，火灾自动探测技术已从单一传感器探测向着多传感器融合的方向发展，火灾探测预警的可靠性也随之大幅度提高。目前多传感器融合火灾探测技术主要选用光电感烟、感温和感CO传感器组合形式。采用多传感器的优点在于使探测器能够提高对火灾特征信号响应的灵敏度和均衡度，进而提高探测的质量和可靠性。

在本系统设计中，也采用了三层多传感器复合探测方案，选用烟雾传感器、CO浓度传感器和温度传感器，将烟雾浓度、CO浓度和温度作为火灾探测信号。选用了红外发光二极管OP231和红外接收二极管OP801SL构成光电烟雾传感器、Maxim公司的DS18B20传感器、TGS的TGS2442 CO气体传感器。

考虑到一般得烟雾传感器价格相对较高，这里我们使用的烟雾传感器由价格低廉的OP231,OP801SL红外发射、接收光电二极管组成，按照75℃安装在内壁为黑色粗糙面的迷宫型集烟盒内，利用火灾发生时产生的烟雾微粒对光的散射作用，在一定的烟雾浓度范围内，散射光的强度与烟雾的浓度成比例，而这种漫散射的光将使光电二极管的阻抗发生变化，这样便可以将烟雾信号转变为电信号，以供传感器节点采集。DS18B20采用的是1-Wire总线协议方式，在-55～+125℃的测量精度为±0.5℃，，测量结果可选用11位串行数据输出。而CO传感器选择的是TGS系列半导体式气体传感器TGS2442，其特点是低功耗、对CO的灵敏度高、寿命长、成本低，对湿度的依赖性低，工作于极短的脉冲加热方式。

2.4 Zigbee节点硬件总体结构设计

结合本火灾报警系统中数据融合技术zigbee节点数据处理能力和内存的要求，本设计采用基于意法半导体公司(ST)推出的STM32系列微控制芯片STM32F103 +CC2420的方案。

系统中有三种节点：zigbee终端设备节点、zigbee路由器节点和zigbee网络协调器节点，从硬件角度看，二者的核心部件都是STM32F103+CC2420、天线、电源，这也是ZigBee设备可以工作的最简系统。基于其硬件结构上的异同点，在设计和组装时根据不同的节点用途对部分单元电路作相应取舍。例如路由器节点和终端节点采用的是电池供电方式，并且不必有串口扩展电路；而协调器采用交流电源供电方式，不必有传感器单片机（无需采集数据），但必须有串口扩展电路以实现与上位机通信。

除此以外，协调器还有与火灾报警控制器通信用的串口及作实时显示之用的LCD;路由器还有显示状态用的指示灯;终端传感器节点有显示节点状态用的状态指示灯以及温度传感器。二者电路均不复杂，都是基本系统加上少量扩展电路。为了节约成本，只制作一种集成所有的电路电路板，留出所需外扩电路接口，这样便可在制作正式产品时外接使用所需的不同电路即可。本系统所设计的Zigbee节点硬件总体架构如图3所示：

3结论

综上所述，本系统采用ST公司推出的新一代基于ARM Cortex-M3内核的STM32系列处理器作为主控制器（MCU），同时在原有有线监控报警系统的基础上，引入了Zigbee无线传感组网技术，实现了校园火灾事故的无线实时监控。相比传统的有

线传感器火灾报警系统，该文设计的基于Zigbee技术的无线传感器网络克服了有线传感器网络的局限性，既避免了其他无线通信技术的高功耗的缺点，同时也降低系统布线成本、安装和维护难度，具有广泛的前景和推广价值，可广泛在校园、医院等场所的火灾监控报警中。

图3硬件节点总体结构图

点，同时也降低系统布线成本、安装和维护难度，具有广泛的前景和推广价值，可广泛在校园、医院等场所的火灾监控报警中。

本文作者创新点：

1）采用的是ST公司推出的基于ARM Cortex-M3内核的STM32系列处理器，具有高性能、低成本、低功耗、实时性强、易开发等特点，后期维护和升级简单。

2）引入了先进的Zigbee无线传感组网技术，实现了校园火灾事故的无线实时监控；克服了有线传感器网络的局限性，避免了其他无线通信技术的高功耗的缺点，和现有的无线传感器网络相比，它具有节点成本低、网络容量大、生存周期长等诸多优点，同时降低系统布线成本、安装和维护难度。

参考文献：

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[2] Yunzhou ZHANG,Dingyu XUE,Chengdong WU,Hao CHU.Design and Implementation of A Wireless Sensor Network Node[C].Proceedings of 2008 IEEE International Conference onWiCOM. pp:1-4.doi:1109/WiCom.2008:906.

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