淡江大學覺生紀念圖書館 (TKU Library)
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系統識別號 U0002-1108200923181100
中文論文名稱 Zigbee技術在住宅火災警報系統之研究
英文論文名稱 The Study of The Residential Fire Alarm System by The Zigbee Technique
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 機械與機電工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Mechanical and Electro-Mechanical Engineering
學年度 97
學期 2
出版年 98
研究生中文姓名 余國鼎
研究生英文姓名 Guo-Ding Yu
學號 696372050
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2009-07-21
論文頁數 85頁
口試委員 指導教授-楊智旭
共同指導教授-楊棧雲
委員-曾偉文
委員-湯敬民
委員-孫崇訓
中文關鍵字 群蜂  火警感測器  無線感測網路  消防安全  遠端監控 
英文關鍵字 Zigbee  Fire Detector  Wireless Sensor Networks  Fire Safety  Remote Monitoring 
學科別分類 學科別應用科學機械工程
中文摘要 本論文研究的目的是將Zigbee技術嵌入於偵煙式警報器中,利用Zigbee技術具有無線、低功耗、低傳輸率的無線傳輸特性,使偵煙式警報器也具備有遠端監控及火災預警之功能。
相較於現有之系統,偵煙式警報器雖可獨立運作,但無法網路連結,監控性差。而具受信總機之系統雖可網路連結,卻是有線連結形式,佈線繁複維修不易,在建築裝修的重新規劃時安裝不易。採用Zigbee無線感測網路卻可兼顧上述二種型式感測器之優點。所研發的獨立運作感測器可以透過無線網路將資訊回傳到主控端之監控系統上。
本論文主要內容分成三大部分,第一部份是偵煙感測頭及其訊號擷取,設計相關電路以擷取動態類比訊號以反應所偵測之煙霧濃度。第二部份則為Zigbee無線感測網路之通訊系統設計,藉由相容於IEEE 802.15.4及Zigbee聯盟標準模組軟硬體,依現行消防法規開發合適的火災訊息無線傳輸系統,以結合第一部份之感測頭。第三部份則是主控端伺服器及其資料庫的建立,並開發其使用者介面,提供給遠端專責人員有效率地掌握火災狀況。
運用本論文成果,可提供現有住宅、公共建築及古蹟建築等因配線困難造成窘境一個較好的解決方案。發展完成之火警感測器經測試各部分功能皆達預期之規劃。
英文摘要 The developed Zigbee smoke alarm can be applied to monitor and pre-alarm the fire accident remotely. Zigbee is a wireless, low power consumption, and low transmitting rate device. The objective of this thesis is to develop a residential fire alarm system by using zigbee technique.
Normally, there are two types of fire alarm systems for the fire detection: one is the type of standalone detectors which are operated individually without connection to the remote host, and the other type are those detectors connected to the host via wires. Both of these two types have the advantages and disadvantages from their tradeoff between physical wiring complexity and prediction accuracy. In contrast to the two types, the detectors connected by wireless sensor networks overcome these deficiencies. By wireless communication, server on the remote host integrates all the dynamic signals from individual sensors which are deployed in the building satisfactorily.
The study consists three parts mainly. First, a smoke detector is introduced, including the circuits redesign and calibration of corresponding characterized transfer function. With the change, the smoke detector can produce output analog signals which can reflect dynamic changes of the smoke concentration. The second part is to describe the application of Zigbee wireless sensor network. Following IEEE 802.14.5 and Zigbee alliance standards, the hardware as well as the software are examined and calibrated specifically to satisfy the goal of the study and the formal fire safety law. Compliant design of the Zigbee devices is therefore conducted to interface the signals from the smoke detectors. Finally, the establishment of host server is stated in the third part. A database fusing all the signals from the detector is employed in the host, and a VB based user-interface is also developed which provides graphical information of the detectors for better understanding of the first responders.
The developed fire detection system can be widely applied. in the old apartments in which the layout has been significantly changed, grand public buildings, or heritage attractions. It resolves difficulties in setting systematically the detectors in these specific places.
論文目次 目錄
誌謝 I
中文摘要 II
英文摘要 IV
目錄 VII
圖目錄 X
表目錄 XIII
第一章 緒論 1
1-1 前言 1
1-2 研究動機與目的 2
1-3 相關文獻探討 3
第二章 基礎背景 6
2-1 消防安全 6
2-1-1 火災之定義 6
2-1-2 火災之特性 7
2-1-3 火災原理概述 8
2-2 火警自動警報設備 11
2-2-1 受信總機 12
2-2-2 火警探測器 15
2-3 無線感測網路 19
2-3-1 感測器硬體設計 20
2-3-2 感測網路的設計 23
2-4 Zigbee的介紹 26
2-4-1 IEEE 802.15.4/Zigbee架構 27
2-4-2 實體層(Physical Layer, PHY) 29
2-4-3 媒介存取層(Media Access Control Layer, MAC) 31
2-4-4 網路層 36
第三章 實驗系統架構 39
3-1 硬體設計 40
3-2 軟體設計 49
3-2-1 CC2430程式 50
3-2-2 主控端之伺服程式 55
第四章 研究結果 59
4-1 電路的實作與驗證 60
4-2 警報器煙濃度之測試調校 61
4-2-1 實驗場所與器材 61
4-2-2 實驗數據 65
4-3 迴歸分析以建立感測特性曲線 71
4-4 通信距離 74
第五章 結論與討論 76
5-1 結論 76
5-2 討論 77
參考文獻 78
附錄一 監控介面程式碼 82
圖目錄
圖1-1 例年火災發生次數圖[1] 1
圖2-1 火災發展過程 8
圖2-2 蓄積R型火警通報時間 13
圖2-3 非蓄積R型火警通報時間 14
圖2-4 火警探測器種類[18] 16
圖2-5 無線感測網路架構圖 19
圖2-6 感測器硬體架構圖 20
圖2-7 IEEE 802.15.4/Zigbee無線通訊協定堆疊 28
圖2-8 實體層的訊框結構 31
圖2-9 超框圖 33
圖2-10 推動式信標網路傳輸圖 34
圖2-11 拉動式信標網路傳輸圖 34
圖2-12 非信標網路傳輸圖 35
圖2-13 MAC層的訊框結構 36
圖2-14 星狀拓樸 37
圖2-15 網狀拓樸 38
圖2-16 叢集樹型拓樸 38
圖3-1 系統架構圖 39
圖3-2 硬體架構圖 40
圗3-3 CC2430腳位說明圖 42
圖3-4 CC2430 ZDK開發版工具[26] 43
圖3-5 Zigbee 模組 44
圖3-6 運算放大器腳位說明圖 46
圖3-7 偵煙式警報器 47
圖3-8 偵煙式警報器原理圖 47
圖3-9 工作原理流程圖 49
圖3-10 IAR介面圖 50
圖3-11 遠端監控畫面 56
圖3-12 監控程式流程面 57
圖4-1 無線偵煙式警報器電路實體圖 59
圖4-2 CC2430 GPIO控制圖 61
圖4-3 控制盤 62
圖4-4 煙循環式試驗槽 63
圖4-5 盒狀圖(Box plot) 67
圖4-6 偵煙式警報器特性曲線:實驗一 69
圖4-7偵煙式警報器特性曲線:實驗二 69
圖4-8偵煙式警報器特性曲線:實驗三 70
圖4-9偵煙式警報器特性曲線:實驗四 70
圖4-10 實驗比較圖 71
圖4-11 實驗一之一階、二階多項式擬合比較 72
圖4-12 實驗二之一階、二階多項式擬合比較 72
圖4-13 實驗三之一階、二階多項式擬合比較 73
圖4-14 實驗四之一階、二階多項式擬合比較 73
表目錄
表2-1 探測器之種類及其動作原理 17
表2-2 IEEE 802.15.4 各頻帶與傳輸率 30
表3-1 Zigbee模組主要規格 45
表4-1 檢出電壓出力對應表 63
表4-2 光電式局限型探測器靈敏度試驗數值表 64
表4-3 實驗取出之電壓與煙濃度隨時間變化之動態平均 66
表4-4 各組實驗數據迴歸分析比較 74
參考文獻 參考文獻
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