ZigBee无线火灾监控节点及其时钟同步算法的设计

传统的火灾监控网络主要通过有线的连接方式进行连接。有线连接方式具有安装费用贵、线路易老化和损坏、维护成本高等缺点，系统安装之后不易扩展，并且系统的故障率高。ZigBee作为一种新兴的短距离无线通信技术[1-2]，凭借其短距离、低功耗、高可靠等优点，已经被广泛地运用于无线传感器网络(WSN)。将ZigBee技术应用到火灾报监控网络中，构建无线火灾监控网络，不但可以摆脱线路铺设，降低系统安装维护费用，还可以有效弥补有线火灾监控网络的不足，提高火灾监控网络的预警能力和可靠性。

1 基于ZigBee技术的无线火灾监控网络

笔者通过长时间的理论研究，在前人研究的基础上设计一套基于ZigBee短距离无线通信技术的火灾监控网络，系统结构如图1所示。该ZigBee无线火灾监控网络由主机、协调器、路由器、监控节点四部分构成，主机与协调器之间通过串口通信，协调器与路由器、路由器与终端节点之间通过无线连接进行通信。

2 终端节点设计

无线烟雾报警器作为火灾报警系统中最重要的传感器节点，承担着发现火灾、预报火灾的重要任务，设计高性能的烟雾报警器对于及时有效的发现火灾，避免重大火灾的发生有着至关重要的作用。

2.1 硬件设计

无线烟雾报警器主要由中央处理及发射模块、传感器模块两部分构成(图2)。烟雾报警节点采用TI公司的CC2530作为中央处理芯片，它具有高的接收灵敏度和抗干扰性能，可运行在不同的工作模式，且功耗低。它的主要任务是负责对数据的处理、无线传输等。CC2530可以搭配具备PA和LNA功能的CC2591芯片进行工作，增加传感器节点的无线信号发射功率，提高信号传输距离，可以有效减少数据经过的路由器数量，减小路由节点的能量损耗。同时，CC2530芯片可以采用倒F板载天线和外接微型天线的双天线结构，并可根据实际情况选择所需的天线，增加了节点的灵活性[3]。

无线烟雾报警器采用MC145010光电烟雾传感器，MC145010 是低电流 BiCMOS 烟雾报警器电路。该电路包括功率极低的数模电路，它与红外光电腔体同时使用，通过接收微小的烟雾颗粒所散射的光来达到检测烟雾的目的。当检测到烟雾时，该电路中的推挽式输出电路会驱动外围的蜂鸣器发出报警声。烟雾报警器的CC2530芯片可以实时采集MC145010的状态信息，通过无线方式传输给无线传感器网络的主协调器。本烟雾报警器具备温度采集功能，报警器采用DS18B20温度传感器，DS18B20温度传感器具有体积小、抗干扰能力强、测量温度范围宽等优点，能够实时监测监控范围内的温度，可以通过CC2530芯片设置监控温度报警阈值，在很大程度上提高了烟雾报警器的可靠性能。除此之外，CC2530支持14 位的ADC模拟数字转换，多达8个可配置通道，通过寄存器配置，可以将8个端口配置为内部ADC输入通道，无需外置A/D转换器，可以扩展到使用燃气传感器、火焰传感器、一氧化碳传感器等多种传感器，使节点的硬件设计大大简化，体积减小，稳定性提高，且扩展方便。

2.2 无线烟雾报警器工作状态流程图

无线烟雾报警器工作状态包括正常工作状态和报警工作状态，报警器上电后即进入正常工作状态，报警器会定时采集报警器状态信息并发送给协调器，报警器在正常工作状态下会进入周期性休眠状态，减少节点电量消耗。当传感器检测到火灾报警信号后会触发蜂鸣器报警并改变工作状态进入报警工作状态，当报警状态消除后会再次进入正常工作状态。其工作流程图3所示。

3 ZigBee时钟同步算法设计

ZigBee技术在低功耗无线传感器网络中的应用越来越广泛。目前，在整个传感器网络中节点设备主要采用电池供电的方式，如何有效降低整个无线传感器网络的整体功耗是ZigBee无线传感器网络中一个亟待解决的问题。本文通过研究无线传感器时钟同步算法，路由器、终端节点同步进入周期性进入休眠，将有助于降低整个网络的能耗，延长电源工作寿命。

3.1 常用无线网络时钟同步算法及其实现原理

在整个无线传感器网络中，影响时钟同步的原因主要有硬件时钟频率差别、传输延迟等。目前较为成熟的时钟同步算法主要有基于发送者—接收者的双向时钟同步算法，基于发送者—接收者的单向时钟同步算法：

①基于发送者—接收者的双向时钟同步算法，例如TPSN时钟同步算法。

TPSN协议是基于双向报文交换的时间同步机制，每个节点与它上一级的节点通过两路消息交换进行时间同步，最后实现所有节点与根节点的同步。算法示意图如图4所示。

节点B向节点A发送同步请求报文并记录此刻的本地时间T2，A收到该请求报文时记录本地时间T2，并立即向节点B返回一个应答报文，并在该