基于ZigBee的无线消防探测器网络系统及控制方法
专利汇可以提供基于ZigBee的无线消防探测器网络系统及控制方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且基于ZigBee的无线消防探测器网络系统及控制方法，其特征是系统组成包括无线消防通信网络模 块 、无线消防网关和消防 控制器 ；无线消防通信网络模块包括消防探测器、相应联动装置、 无线通信模块 及无线消防 中继器 ，完成火灾信息数据的采集与网络化传输；无线消防网关与消防控制器有线连接，并通过一个无线通信模块接入无线消防通信网络；由无线消防网关对无线 传感器 网络的数据进行收集，同时接受来自控制器的巡检和查询；由消防控制器接收无线消防网关收集的无线消防 信号 ，根据不同的信号类型，输出相应的处理信息。系统具有自适应特性、安装维护方便、成本低。，下面是基于ZigBee的无线消防探测器网络系统及控制方法专利的具体信息内容。
1、基于ZigBee的无线消防探测器网络系统，其特征是系统组成包括无线消防通信网 络模块、无线消防网关和消防控制器：
所述无线消防通信网络模块包括消防探测器、相应联动装置、无线通信模块及无线消 防中继器，完成火灾信息数据的采集与网络化传输，其中：
a、所述消防探测器包括烟雾探测器、可燃气体探测器、温度探测器，用于对火灾和 当前区域状态进行捕捉；
b、所述相应联动装置包括消防水阀、喷洒装置、声光报警器，用于接受消防控制器 的指令实现自动灭火、指示火警、指引人群疏散；
c、所述无线通信模块采用ZigBee通信模块，与消防探测器及联动装置相连，以ZigBee 协议构建无线通信网络，实现数据的网络化无线传输；
d、所述无线消防中继器通过无线通信模块接入无线通信网络，实现无线信号的放大 转发功能；
所述无线消防网关与所述消防控制器有线连接，并通过一个无线通信模块接入无线通 信网络；由无线消防网关对网络中的数据进行收集，同时接受来自控制器的巡检和查询； 由所述消防控制器接收无线消防网关收集的无线消防信号，根据不同的信号类型，输出相 应的处理信息。
2、根据权利要求1所述的系统，其特征是所述消防控制器支持多个总线回路，每条 回路均为由该回路中的无线消防网关与无线消防通信网络模块以及所述消防控制器共同 构成的一个子网络系统。
3、一种基于权利要求1所述系统的控制方法，其特点是包括以下步骤：
a、无线通信模块将消防探测器的输入信号按照固定报文格式化，通过直接序列扩频调 制，然后按照ZigBee无线通信协议进行无线网络传输；
b、无线消防网关收集无线消防网络中的数据信息，通过串口将信息按照消防控制器 兼容报文格式发送给消防控制器；
c、消防控制器对信息进行分析和做出相应的处理；
d、消防控制器可以控制路由，自动识别无线消防通信网络模块，任意增删网络节点；
4、根据权利要求3所述的方法，其特征是在所述步骤a中，消防探测器的输入信号包 括烟雾浓度，温度，电量和开关量，包含以下三种接口：
a、报警、预警信号输入接口：提供两个I/O口，所述I/O口通过10K电阻接地，高电 平输入；
b、数字信号输入接口：采用UART接口，协定波特率；
c、模拟电平信号输入接口：提供一路8位A/D输入接口，其参考电压(Vrf+和Vrf-) 可调节。
5、根据权利要求3所述的方法，其特征是在所述步骤a中的报文格式为： 报文头 报文类型 (地址) (类型) (数据) 报尾
6、根据权利要求3所述的方法，其特征是在所述步骤a中，所述无线网络传输采取 8bit数据方式传输，传输方式有三种：定时发送、巡检和报警输出，其中：
巡检：某网络节点对其发出查询要求，则发送；
定时发送：定时向网络节点发出状态信息，供控制器记录数据；
报警输出：当超过预警或报警阀值时，主动发送。
7、根据权利要求3所述的方法，其特征是所述步骤b中的无线消防网关收集无线消防 网络中的数据信息是通过利用与其相连的无线通信模块作为采集节点来实现的。
8、根据权利要求3所述的方法，其特征是所述步骤c中所述分析与相应的处理包括：
当无火情时：
a、分析当前时间、探测器地址、环境温度，探测器电量，烟雾浓度值；
b、将上述数据各存入系统数据库供查询；
c、LCD显示屏同步显示状态信息；
当出现火情时：
a、分析当前时间、探测器地址、环境温度，探测器电量，烟雾浓度；
b、启动警笛，提示火情出现；
c、启动联动装置，自动灭火及指引人群疏散；
d、将上述数据存入系统数据库并打印；
e、LCD显示屏同步显示状态信息。
技术领域：
本发明涉及无线消防探测器网络系统及其控制方法，更具体地说是一种基于ZigBee 的无线消防探测器网络及基于该网络的控制方法。
背景技术：
具有火灾探测功能、自动报警，并联动自动灭火装置的消防系统已成为保障人民生产、 生活顺利进行的十分重要手段。但是，国内目前尚无无线火灾自动报警系统，对于一些没 有条件设置有线消防系统的古建筑来说，因其耐火等级低、火灾荷载大、建筑毗连、组群 布局、远离城镇、靠山缺水、器材缺乏、道路不畅等原因，存在着重大的安全隐患；在一 些多功能楼宇内，布线混乱、线路老化也为有线系统长期可靠工作增加了相当的难度；已 经投入使用的建筑重新配备有线系统不仅成本高，而且难度也相当大。而国外现有的非网 络的无线消防探测系统产品存在着支持规模小、价格昂贵等问题，不能满足我国需求。
发明内容：
本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种安装便利、价格适中、工作 可靠的基于ZigBee的无线消防探测器网络系统。本发明同时提供基于该网络系统的控制方法。
本发明解决技术问题所采用的技术方案是：
本发明基于ZigBee的无线消防探测器网络系统，其系统组成包括无线消防通信网络模 块、无线消防网关和消防控制器：
所述无线消防通信网络模块，包括消防探测器、相应联动装置、无线通信模块及无线 消防中继器，完成火灾信息数据的采集与网络化传输，其中：
a、所述消防探测器包括烟雾探测器、可燃气体探测器、温度探测器，用于对火灾和 当前区域状态进行捕捉；
b、所述相应联动装置包括消防水阀、喷洒装置、声光报警器，用于接受消防控制器 的指令实现自动灭火、指示火警、指引人群疏散；
c、所述无线通信模块采用ZigBee通信模块，与消防探测器及联动装置相连，以ZigBee 协议构建无线通信网络，实现数据的网络化无线传输；
d、所述无线消防中继器通过无线通信模块接入无线通信网络，实现无线信号的放大 转发功能；
所述无线消防网关与所述消防控制器有线连接，并通过一个无线通信模块接入无线消 防通信网络；由无线消防网关对网络中的数据进行收集，同时接受来自控制器的巡检和查 询；由所述消防控制器接收无线消防网关收集的无线消防信号，根据不同的信号类型，输 出相应的处理信息。
基于本发明系统的控制方法的特点是包括以下步骤：
a、无线通信模块将消防探测器的输入信号按照固定报文格式化，通过直接序列扩频调 制，然后按照ZigBee通信协议进行无线网络传输；
b、无线消防网关收集无线消防网络中的数据信息，通过串口将信息按照消防控制器 兼容报文格式发送给消防控制器；
c、消防控制器对信息进行分析和做出相应的处理；
d、消防控制器可以控制路由，自动识别无线消防通信网络模块，任意增删网络节点。
与现有技术相比，本发明有益效果体现在：
1、基于最新的ZigBee技术的无线网络结构
ZigBee技术是专门针对无线传感器网络开发的一种近距离、低复杂度、低功耗、低数 据速率、低成本的双向无线通信技术。本发明采用了最新的ZigBee无线通信技术，构建起 无线消防探测器网络，与传统的有线消防报警系统相比，系统安装，调试的复杂度大大降 低，对建筑物的破坏和改造也几乎不存在。对于国内众多无法进行改造的古建筑和已投入 使用的建筑物的安防改造，有着很强的针对性和实用性。
2、灵活的自适应性
本发明所搭建的无线消防探测器网络，有着健壮的网络体系，具有强大的自适应性。 消防控制器可以控制路由，增删探测器节点，使网络规模可以依据建筑规模任意调整，且 安装与设置的复杂度没有增加，避免了传统有线报警系统规模较小，灵活性弱的弊端。
3、低廉的成本
国外已经出现了无线消防探测器系统，但价格极为昂贵。本发明采用的ZigBee技术具有低 速率、低功耗、低成本等特点，使当前系统成本已经下降到与传统有线消防系统持平的程度， 而且ZigBee模块的价格仍在进一步降低，本发明的系统成本将会非常低廉，易于市场推广。
4、低功耗
本发明可以采用Ember公司的EM2420芯片，在单一的芯片内包含了802.15.4及 ZigBee兼容系统中必备的组件，支持同步睡眠和唤醒，有效的降低了功耗，在绝大多数目 标应用场合下仅靠两节标准5号电池就可持续工作6个月至两年，从而延长了各探测器节 点维护周期，节省了相应的人力和物力。
5、及时准确的信息收集与传输
本发明通过采用高质量消防探测器，能够及时捕捉火情；通过在其无线网络传输中采 取8bit数据方式传输，以及定时发送、巡检和报警输出的三种传输方式进行协调工作，可 以使信息数据能够在第一时间进行网络传输；基于ZigBee协议的网络传输，包括严格的数 据校验，充分保证了数据的准确性，有效避免了火情的误报和漏报。
6、数据直观齐全
本发明内部互相通讯的数据包括区域温度，烟雾浓度，探测器位置，探测器电量等多 种数据，并在消防控制器数据库内统一存储、调用和管理，并以LCD显示屏，自带打印 机进行数据输出。
附图说明：
图1为本发明的系统组成框图。
图2为本发明的网络节点硬件框图。
图3为本发明中所应用的Ember ZigBee体系结构示意。
具体实施方式：
参见图1，本发明系统组成包括无线消防通信网络模块、无线消防网关和消防控制器：
所述无线消防通信网络模块，包括消防探测器、相应联动装置、无线通信模块及无线 消防中继器，完成火灾信息数据的采集与网络化传输，其中：
a、消防探测器包括烟雾探测器、可燃气体探测器、温度探测器，用于对火灾和当前区 域状态进行捕捉；
b、相应联动装置包括消防水阀、喷洒装置、声光报警器，用于接受消防控制器的指 令实现自动灭火、指示火警、指引人群疏散；
c、无线通信模块采用ZigBee通信模块，与消防探测器及联动装置相连，以ZigBee 协议构建无线通信网络，实现数据的网络化无线传输；
d、所述无线消防中继器通过无线通信模块接入无线通信网络，实现无线信号的放大 转发功能；
所述无线消防网关与所述消防控制器有线连接，并通过一个无线通信模块接入无线通 信网络；由无线消防网关对网络中的数据进行收集，同时接受来自控制器的巡检和查询； 由所述消防控制器接收无线消防网关收集的无线消防信号，根据不同的信号类型，输出相 应的处理信息。如果出现火情，将启动警笛，并输出火警信息，输出控制指令以指挥消防 联动装置及消防人员进行工作。
具体实施中，消防控制器支持多个总线回路，每条回路均为由该回路中的无线消防网 关与无线消防通信网络模块以及所述消防控制器共同构成的一个子网络系统。本实施例最 多可以支持20条总线回路，每个总线回路上连接一无线消防网关，并可最大支持200个 节点，无线中继器为大规模网络提供信号放大与转发。所以对于单个消防控制器，可最大 支持4000个节点，构成一个庞大的无线网络系统。
参见图2，本实施例中的探测器节点主要由三部分构成，包括传感器电路、主控电路 和无线收发电路。
其中，主控单片机采用AVR内核的8位单片机Atmega128L，它采用先进的RISC架 构，提供丰富的IO，并具有很低的功耗。同时，它具有启动引导功能，给程序的升级和维 护提供了极大的方便。
无线收发电路采用Ember Crop的EM2420，它在单一的芯片内包含了802.15.4及ZigBee 兼容系统中所有必备的组件，融合了2.4GHz的射频收发器，内嵌了ZigBee的联网堆栈和 开发环境。
基于本实施例系统的控制方法包括以下步骤：
1、无线通信模块将消防探测器的输入信号按照固定报文格式化，通过直接序列扩频 调制，然后按照ZigBee无线通信协议进行无线网络传输；
在这一步骤中，消防探测器的输入信号包括烟雾浓度，温度，电量和开关量，包含以 下三种接口：
a、报警、预警信号输入接口：提供两个I/O口，所述I/O口通过10K电阻接地，高电 平输入；
b、数字信号输入接口：采用UART接口，协定波特率；
c、模拟电平信号输入接口：提供一路8位A/D输入接口，其参考电压(Vrf+和Vrf-) 可调节。
报文格式为： 报文头 报文类型 (地址) (类型) (数据) 报尾
无线网络传输采取8bit数据方式传输，传输方式有三种：定时发送、巡检和报警输出， 其中：
巡检：某网络节点对其发出查询要求，则发送；
定时发送：定时向网络节点发出状态信息，供控制器记录数据；
报警输出：当超过预警或报警阀值时，主动发送。
2、无线消防网关收集无线消防网络中的数据信息，通过串口将信息按照消防控制器 兼容报文格式发送给消防控制器。
具体实施中，无线消防网关收集无线消防网络中的数据信息是通过利用与其相连的无 线通信模块作为采集节点来实现的。
3、消防控制器对信息进行分析和做出相应的处理，包括：
当无火情时：
a、分析当前时间、探测器地址、环境温度，探测器电量，烟雾浓度值；
b、将上述数据各存入系统数据库供查询；
c、LCD显示屏同步显示状态信息；
当出现火情时：
a、分析当前时间、探测器地址、环境温度，探测器电量，烟雾浓度；
b、启动警笛，提示火情出现；
c、启动联动装置，自动灭火及指引人群疏散；
d、将上述数据存入系统数据库并打印；
e、LCD显示屏同步显示状态信息。
4、消防控制器可以控制路由，自动识别无线消防通信网络模块，任意增删网络节点。
图3示出了本发明采用的Zigbee协议的分层模型以及其与OSI网络模型的对应关系。 从结构上来说，如图所示主机应用层和Ember协议栈属于用户自定义范围，对应着OSI 网络模型的应用层到网络层的五层协议，本发明则通过Atmega128L单片机编程实现；然 后通过SPI同步串行接口与EM2420芯片相连接，由EM2420完成传输中的差错控制和流 量控制，调制后通过天线发射。本部分对应着OSI网络模型中数据链路层Data link layer 和物理层Physical layer两层协议。
以一条总线回路为例，当系统工作时，传感器电路负责将烟雾浓度，外部区域温度等 物理量转化为0到2.5V的电平信号，提供给主控电路，主控电路将这个电平信号进行模数 转换(AD)，转化成一个字节的数据信号，再根据一定的数据格式将其打包，再利用SPI 同步串行接口将数据传送给无线收发电路。最后由无线收发电路通过直接序列扩频调制， 依照ZigBee协议，将其发射出去。
其报文格式为：
(1)报文结构
报文头+报文类型+(地址)+(类型)+(数据)+报尾
(2)具体报文类型及格式
Information报文，指节点发送常规数据信息，报文长度12B。
4B数据指电量、温度、浓度、开关量，下同。
New报文，指汇报新加入节点及数据，报文长度12B。
Lost报文，指汇报新加入节点及数据，报文长度12B。
Ack报文，应答信号，报文长度4B。
应答数据为0——非正常应答，1——正常应答，2——应答同时请求应答。
接收到对方发来的报文以后，一般都需做出应答以表示数据成功接受。 正常应答也表示节点的生存，如中心节点与网关之间的通信保持握手。
Set报文，设置开关量模块，报文长度9B。
在收到Set报文后，除了正常应答之外，还必须在开关量变化后传回实施节点操作后的 开关量值。
Update报文，网关节点要求中心节点重新传输所有节点地址信息，报文长度3B
Query报文，报文长度12B。
当网关接收到不存在于路由表内节点的信息时，向中心节点查实该节点，同时该信息 作废。如中心节点查实存在，则在适宜的时候发送New指令。
同时，传感器结点也可以充当路由节点，具有数据转发功能。在主控电路的控制下， 无线收发电路将接收到数据通过SPI同步串行接口传至主控单片机，单片机再将数据从新 处理，加上一些必要的路由信息，再通过SPI同步串行接口传回无线收发电路。
无线消防网关主要起到数据聚集和转发的作用：收集无线消防网络中的数据信息，通 过串口将信息按照消防控制器兼容报文格式发送给消防控制器。
消防控制器接收到报文，进行分析，获取温度，烟雾浓度等信息，并根据信息做出处理。
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