摘 要：为有效解决现有船舶机舱消防系统布线复杂、成本高、维护困难等问题，文中在研究ZigBee技术的基础上，通过无线传感器网络和船舶局域网，构建了一个完整的机舱消防监测与报警系统。设计了协调器、终端节点等硬件电路，采用CC2530核心板，借助IAR集成开发环境，实现对机舱火灾发生率高的设备和区域进行监测和报警，试验证明，该系统可在船舶消防监控等方面进行推广。
关键词：船舶消防监测与报警；ZigBee技术；CC2530核心板；IAR
中图分类号：TP39；TN915.02 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2017）07-00-03
0 引 言
船舶火灾在世界上被公认为是最难扑救的火灾之一，它是船舶海滩中较常见且危险性较大的一种事故。机舱作为船舶的动力源，相当于船舶的心脏。机舱内装有大量运转的机器和电气设备，有大量油料及其他可燃物，如若不慎很容易导致火灾。机舱内一旦着火，由于通道狭窄，设备管路众多，极易失去控制而造成重大损失。目前船舶的各种监控模式基本为有线式集中监控，随着使用年限的增加，线路极易受到腐蚀、磨损等，且线路维修、更换不易。因此采用基于ZigBee技术的无线传感网络构建船舶机艙消防系统，对火灾进行实时监控，具有成本低、功耗低、自组网等特点，符合无线火灾报警系统的要求，能解决有线制火灾报警系统存在的问题。
1 ZigBee技术概述及特点
1.1 ZigBee技术概述
ZigBee技术以IEEE802.15.4标准为基础，是一种短距离、低功耗的无线通信技术。主要适用于自动控制和远程控制领域，可嵌入各种设备。
1.2 ZigBee技术主要特点
（1）低功耗：这是 ZigBee技术的一个显著特点。由于工作周期较短、收发信息功耗较低且采用了休眠模式，可以确保两节五号电池工作长达六个月到两年的时间。
（2）低成本：协议简单且所需存储空间小，极大地降低了ZigBee的成本，每块芯片价格仅2～5美元，且ZigBee协议免专利费。
（3）时延短：通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短。设备搜索时延为30 ms，休眠激活时延为15 ms，活动设备信道接入时延为15 ms。
（4）数据传输速率低：传输速率范围为10～250 kb/s，主要用于低传输。
（5）数据传输可靠性高：采用碰撞避免机制，为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突。MAC层采用完全确认的数据传输机制，发送的每个数据包都必须等待接收方的确认信息。
（6）网络容量大：网络包含星状、树状和网状网络结构。一个ZigBee设备可与其他254个设备相连，一个ZigBee网络最多可容纳一个主设备和65 536个从设备，一个区域至少可同时存在100个ZigBee网络。在有节点加入和撤出时，网络具有自动修复功能。
根据ZigBee技术的显著特点，发现该技术适用于组建成本低、功耗低、可靠性高的船舶消防系统。
2 基于ZigBee技术的船舶消防监测系统架构
本文设计的依靠ZigBee技术对机舱重要设备如主机、辅机、主机燃油系统、辅机燃油系统、电气设备等火灾发生率高的设备和区域进行监测和报警。系统分为终端无线传感器节点、ZigBee协调器、上位机，整个系统通过无线传感器网络和船舶局域网连在一起，构建了一个完整的机舱消防监测与报警系统。图1所示为船舶机舱消防系统的整体结构。
ZigBee无线数据采集网络分布在主机、辅机等系统中，主要完成终端的机舱环境数据采集并通过ZigBee技术与上位机的数据传输组建网状结构的网络拓扑结构，利用ZigBee的温度传感器、烟雾传感器采集机舱环境的数据信息。分布在机舱内的各终端节点采集到的数据上传至协调器节点，以便进行再次传输。
ZigBee网络协调器作为整个系统的中间环节，可以完成ZigBee网络的组建，完成ZigBee网络和船舶局域网之间的相互连通工作，同时还可将上位机的命令传输给现场的传感器节点，并将机舱分布的传感器节点采集的数据传输到上位机中。
集控室中的上位机是船员操作机舱消防监测系统的重要平台，可对机舱中运转装置的消防状况进行实时监控和报警，将现场温度传感器和烟雾传感器采集到的设备参数通过文本、曲线等形式显示出来，存储采集到的数据，方便查询。
3 基于ZigBee技术的消防监测与报警系统硬件设计
要进行ZigBee技术的船舶机舱消防系统设计离不开硬件的支持，硬件设备主要包含ZigBee协调器、路由器和终端节点。这些设备选择CC2530-EB核心板，主要包括CC2530单片机、天线接口、晶振及I/O扩展接口，CC2530-EB的核心板是一款完全兼容8051内核，同时支持IEEE 802.15.4协议的无线射频单片机，使用单周期访问特殊功能寄存器SFR、数据DATA和主SRAM。当CC2530处于空闲模式时，任何中断可以把CC2530恢复到主动模式。Flash容量为128 KB，以保证程序代码和常量等数据在设备重启后可用。
3.1 ZigBee协调器
ZigBee协调器负责建立机舱网络及完成网络的相关配置，是整个网络的核心。系统上电后，协调器会自动选择一个信道与一个网络号，建立网络。网络建立后，该设备就相当于一个路由器。协调器的节点主要由CC2530芯片、电源模块、射频天线模块、晶振电路、串口模块组成，串口模块主要用于实现CMOS/TTL电平到RS 232电平的转换。由于终端传感器节点位于机舱的复杂环境中，要求能量消耗低，因此在设计电源电路时用5 V电源通过DC-DC变换器得到3.3 V工作电压，也可采用2节5号电池供电的方案。RF模块主要用于无线数据的发送和接收。晶振模块采用两种不同频率的晶振，分别用于无线收发数据和休眠状态。协调器节点设计如图2所示。