基于無線傳感器網(wǎng)絡的城市火災報警系統(tǒng)的設計

劉建林，戴瑜興

(1.湖南機電職業(yè)技術學院電氣工程系，中國 長沙 410151; 2.湖南大學電氣與信息工程學院，中國 長沙 410082)

目前，隨著人們安全意識的加強，我國大多數(shù)城市中的一些用于預防火災事故發(fā)生的一些獨立的火災報警系統(tǒng)已經(jīng)基本達到了普及和完善，這些獨立的設備在火災預警和防火救災工作了中起到了很大的作用．但是，在使用中，也不可避免的暴漏出了一些問題．

在我國，傳統(tǒng)的城市火災報警系統(tǒng)一般是采用公共電話網(wǎng)絡來實現(xiàn)通信過程，監(jiān)控器通過Modem發(fā)送和接受信號，從一定程度上來說，這種方式成本較低，可靠性較高，但是，依靠公共電話網(wǎng)絡可能出現(xiàn)影響正常通話的情況，而另外布線又極大的增加了成本和工作量，而且，這種有線連接的公共電話網(wǎng)也容易受到各種外界因素的影響．

首先，獨立式的火災報警系統(tǒng)相關的信息處理過程需要經(jīng)過人的參與，容易因為人員的失誤而造成損失．其次，這種獨立的系統(tǒng)的作用范圍僅僅是很小的一塊區(qū)域，不能滿足規(guī)模較大的建筑物或者是較多的保護對象，第三，這種設備本身需要較好的維護，而一些單位管理人員消防意識淡薄，加上這些設備本身質量參差不齊，導致很多設備損壞，在關鍵時刻不能起到很好的預防作用，因此，在一定程度上，開發(fā)出基于網(wǎng)絡的城市火災報警系統(tǒng)已是勢在必然．

無線傳感器網(wǎng)絡是近年來發(fā)展起來的新興網(wǎng)絡，它一般由微小的傳感器組成，具有很強的感應能力和信息處理能力．廣泛的應用于軍事、醫(yī)療、空間探索和各種商業(yè)應用，在這種條件下，利用無線傳感器網(wǎng)絡進行城市火災報警系統(tǒng)的研究和開發(fā)具有很強的優(yōu)勢[1]．

1 系統(tǒng)整體架構

無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)總體上由無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)和計算機上層管理的軟件組成，對于無線傳感器網(wǎng)絡，采用了若干個基站構成星形網(wǎng)絡，通過煙霧傳感器來采集周圍環(huán)境信息，經(jīng)過一定的信息處理以后將數(shù)據(jù)發(fā)送出去，計算機充當服務器，通過傳感器網(wǎng)絡接受相關信息進行處理，對于傳感器網(wǎng)絡中不同節(jié)點的識別，通過軟件定義一定的數(shù)據(jù)幀，識別出不同的節(jié)點，并通過存儲在服務器上的數(shù)據(jù)記錄確定出相應節(jié)點的對應位置．

根據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡的結構特點，基于無線傳感器網(wǎng)絡的城市火災報警系統(tǒng)主要由三個部分組成，包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)和數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)．其中數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由很多傳感器節(jié)點組成，主要作用是采集城市現(xiàn)場的信息，數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)由服務器和通信程序組成，它可以接收并存儲城市的火災報警歷史信息，為以后的火災報警信息提供一定的依據(jù)[2-3]．數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的主要作用是對接收的信息以及數(shù)據(jù)存儲器中的信息進行分析，從而實時分析出城市當前的安全狀況，對可能或者是已經(jīng)發(fā)生火災的地點進行報警提示，并且，提供一定的人機接口，便于操作人員進行參數(shù)觀察和設置．整個系統(tǒng)的結構框圖如圖1所示.

圖1 系統(tǒng)結構框圖

2 系統(tǒng)硬件的設計

圖2 傳感器節(jié)點功能模型

無線傳感器網(wǎng)絡的特點是以數(shù)據(jù)為中心，面向應用，對于傳感器數(shù)據(jù)采集節(jié)點的位置分布，主要取決于檢測的分布和被檢測環(huán)境的狀況等[4]．因此，本文對城市火災報警系統(tǒng)的傳感器節(jié)點進行了重點設計，設計的系統(tǒng)傳感器節(jié)點的功能模型如圖2所示.

從功能上來分，傳感器節(jié)點主要由傳感器模塊、處理模塊、無線通信模塊和電源管理模塊4個部分組成，系統(tǒng)中，電源模塊復雜整個無線傳感器節(jié)點的能量供應，以及電壓的轉換等等．處理模塊包含調理電路和A/D轉換電路兩個部分，它的作用是將傳感器采集到的信號進行信號調理并轉換成適合無線網(wǎng)絡傳輸?shù)男盘柲Ｊ?，然后將信號發(fā)送到系統(tǒng)中的無線傳輸部分，由無線控制芯片以及相應的射頻電路進行發(fā)送和接受通信．傳感器主要是對環(huán)境中的煙霧量進行檢測，采用煙霧傳感器MC145010，該芯片內部有增益可編程的光信號放大電路，煙霧比較器、蜂鳴信號控制及驅動器電路，使用該芯片時，外部電路需配有紅外發(fā)射二極管、紅外接收二極管和光電室．利用它的自檢模式，可以通過模擬煙霧條件，從而定期檢查系統(tǒng)的功能，在一定程度上保證了系統(tǒng)的可靠性．本系統(tǒng)中煙霧傳感器MC145010的連線圖如圖3所示.

圖3 煙霧傳感器MC145010的連線圖

該系統(tǒng)采用9 V電池供電，在芯片的一腳C1和二腳C2分別接入一個電容，可以用來調節(jié)光信號放大的增益，從而，通過改變這兩個電容的大小，調節(jié)煙霧傳感器的靈敏度，防止傳感器靈敏度過高造成誤報警，或者是靈敏度過低造成的不報警．圖3中，由一個按鈕PUSHBUTTON將芯片的TEST腳與系統(tǒng)的高電平端相連，當按下該按鈕時，將TEST腳接入高電平，經(jīng)過一個時鐘周期后，通過芯片的1腳的電容C1，使光信號放大器的增益提高，在此情況下，系統(tǒng)將煙霧室中的反射光誤認為是火災煙霧造成了散射光，從而模擬煙霧發(fā)生時的情況，測試系統(tǒng)的工作情況，系統(tǒng)報警情況測試正常后，釋放按鈕PUSHBUTTON，TEST腳恢復成為低電平的形式，系統(tǒng)的靈敏度增益也就相應的恢復成為正常情況，經(jīng)過大約1 s的時間后，系統(tǒng)退出報警模式．該模式適用于系統(tǒng)調試和定期檢查的情況下．在很大程度上保證了系統(tǒng)的可靠性．

無線通信模塊復雜信號的無線傳輸，當前比較流行的無線傳輸技術包括：藍牙技術、Wi-Fi技術、UWB技術、ZigBee技術、紅外技術和GPRS技術等．從本系統(tǒng)的特點以及成本、可靠性等各個方面綜合考慮，本系統(tǒng)設計過程中采用ZigBee技術作為系統(tǒng)無線傳輸?shù)姆桨福甖igBee信道信息表如表1所示.

表1 ZigBee信道信息表

其中2.4 GHz的頻段，由于傳輸速率高，覆蓋范圍廣，得到了很廣泛的應用，本系統(tǒng)采用ZigBee2.4 GHz的ISM頻段進行設計．

從系統(tǒng)的可靠性和開發(fā)的方便性方面考慮，無線收發(fā)的控制芯片選用CC2430芯片，它具有21個可編程的輸入輸出口，通過內部寄存器的設置，可以實現(xiàn)引腳功能的選擇，而且，芯片上有內置的無線收發(fā)機，具有很好的抗干擾能力；它的低功耗的休眠功能可以滿足本系統(tǒng)電池供電的需求；內置14位的AD轉換功能，使用51內核，外部電路比較簡單，方便開發(fā)設計，可以很好的滿足本系統(tǒng)的開發(fā)和使用需求．

圖4 系統(tǒng)鋰電池供電與充電電路結構圖

電源電路的設計好壞是影響系統(tǒng)工作可靠性的重要因素，本系統(tǒng)供電采用鋰電池，它具有電壓高、能量密度高、放電曲線平緩、可以反復使用等種種優(yōu)點，因此，設計方案中采用了1 200 mAh的鋰電池供電，并且，相應的對鋰電池的放電和充電電路進行了設計．鋰電池的充電電路采用MAX1555芯片，可以利用通用的USB口進行充電，電源的充電和供電電路結構圖如圖4所示.

3 系統(tǒng)軟件部分設計實現(xiàn)

系統(tǒng)的軟件設計也是系統(tǒng)正?？煽抗ぷ鞯闹匾糠?，目前對于軟件開發(fā)有很多的開發(fā)平臺，相應的開發(fā)語言也有很多種．從系統(tǒng)的開發(fā)周期和可讀性方面考慮，本系統(tǒng)的開發(fā)語言采用C語言，C語言是一種機構化的程序設計語言，具有很好的程序架構，而且，C語言作為一種較底層的語言，具有效率高的優(yōu)點，具有匯編語言的大部分的功能，而且便于改進和擴充，適合編寫規(guī)模較大，結構較復雜的系統(tǒng)軟件．而對于軟件開發(fā)平臺，采用AVR Studio集成開發(fā)環(huán)境．該開發(fā)環(huán)境能夠實現(xiàn)代碼的運行仿真和下載編程功能，但是，沒有集成C語言編譯器，因此，本系統(tǒng)開發(fā)時使用AVR-GCC 3.4.3編譯器進行開發(fā)編譯，而采用AVR Studio進行下載和仿真運行．本系統(tǒng)無線傳感器節(jié)點的軟件部分主要由以下4個模塊組成：

(1)數(shù)據(jù)采集模塊，該模塊控制傳感器完成數(shù)據(jù)采集和AD轉換等部分，然后，對采集到是數(shù)據(jù)進行初步的校正．

圖5 終端子系統(tǒng)程序流程圖

(2)數(shù)據(jù)預處理模塊，它對采集到的信號進行初步的處理過程，以減少數(shù)據(jù)傳輸過程中的數(shù)據(jù)量，保證通信過程的暢通．

(3)數(shù)據(jù)收發(fā)模塊，該模塊控制無線通信模塊的接受和發(fā)送，并負責數(shù)據(jù)的打包和解包過程，進行下一步的處理．

(4)電源管理模塊，由于該系統(tǒng)使用鋰電池供電，為保證系統(tǒng)的工作時間，系統(tǒng)的節(jié)能和低功耗設計也是很重要的一個內容，該模塊主要控制系統(tǒng)的休眠狀態(tài)，當沒有數(shù)據(jù)傳輸?shù)葍热輹r，控制系統(tǒng)進入休眠，并在適當?shù)臅r刻喚醒休眠，保證系統(tǒng)的正常工作狀態(tài)．

該網(wǎng)絡的終端系統(tǒng)用于采集環(huán)境數(shù)據(jù)，并經(jīng)過一定的數(shù)據(jù)處理后進行無線發(fā)送的過程，終端硬件系統(tǒng)加電后，首先對系統(tǒng)狀態(tài)進行檢測和初始化，并進行自檢過程，自檢成功后進入正常檢測過程，否則，報警并將錯誤狀態(tài)發(fā)送到服務器[5]．終端系統(tǒng)的軟件流程圖如圖5所示.

另外，除了系統(tǒng)節(jié)點軟件控制部分的設計外，該系統(tǒng)的軟件設計還包含上位機主控制器的軟件部分，包括數(shù)據(jù)的分析和報表生成，以及節(jié)點的拓撲和數(shù)據(jù)分析，以及相應的錯誤報警等各個部分的功能，在此不再贅述．

4 結語

隨著城市現(xiàn)代化的進一步發(fā)展，對城市消防的要求也步入了一個新的高度，在此情況下，開發(fā)更加合理高效的城市火災報警系統(tǒng)具有很重要的現(xiàn)實意義，本文對基于無線傳感器網(wǎng)絡的城市火災報警系統(tǒng)進行了一定的研究和設計．

參考文獻：

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