基于CC2530古建筑無線火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計

楊洪艷

（中國人民武裝警察部隊學(xué)院 部隊管理系，河北 廊坊 065000）

基于CC2530古建筑無線火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計

楊洪艷

（中國人民武裝警察部隊學(xué)院 部隊管理系，河北 廊坊 065000）

傳統(tǒng)的古建筑火災(zāi)監(jiān)測體系采用有線網(wǎng)絡(luò)的方式，存在許多弊端。為了解決這個問題，結(jié)合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，基于 CC2530芯片，針對古建筑的建筑特點和環(huán)境參數(shù)需求，設(shè)計實現(xiàn)了適合古建筑的火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)。硬件部分設(shè)計了傳感節(jié)點，軟件部分設(shè)計了系統(tǒng)的路由策略。系統(tǒng)中傳感節(jié)點通過無線模塊將自身的溫度、光強(qiáng)和氣體信息送到協(xié)調(diào)器節(jié)點，協(xié)調(diào)器節(jié)點將收集到的數(shù)據(jù)通過串口送到監(jiān)控主機(jī)，在監(jiān)控主機(jī)軟件上顯示出來。監(jiān)控主機(jī)可以通過通信網(wǎng)絡(luò)將這些數(shù)據(jù)送到安卓系統(tǒng)的手機(jī)以便于監(jiān)控人員隨時了解情況。

CC2530；古建筑；無線火災(zāi)監(jiān)測

0 引言

目前，在古建筑物早期火災(zāi)探測和報警上，還是一直沿用有線網(wǎng)絡(luò)的方式，其線路遍布在建筑內(nèi)，造成了對古建筑的破壞，同時線路本身也是很大的火災(zāi)隱患?，F(xiàn)在迫切需要一種新型的適合古建筑的火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)，即用無線網(wǎng)絡(luò)的方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)的有線網(wǎng)絡(luò)，同時，無線報警系統(tǒng)應(yīng)用型式更加靈活，系統(tǒng)安裝更加方便、快捷，且其安裝成本更為低廉。本文在與傳統(tǒng)古建筑火災(zāi)監(jiān)測方法比較的基礎(chǔ)上，參考無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在農(nóng)業(yè)、環(huán)境監(jiān)控等領(lǐng)域的成功應(yīng)用所體現(xiàn)出來的技術(shù)優(yōu)勢，確定采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來實時、精確地實現(xiàn)古建筑火災(zāi)監(jiān)測［1］。

1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)

古建筑無線火災(zāi)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)采用數(shù)據(jù)聚合的層次組網(wǎng)方式，由一個匯聚節(jié)點、多個路由節(jié)點和多個傳感節(jié)點構(gòu)成。傳感節(jié)點將采集的溫度、光強(qiáng)和氣體信息發(fā)送給傳感節(jié)點所在簇的路由節(jié)點，路由節(jié)點把數(shù)據(jù)匯聚之后發(fā)送給匯聚節(jié)點，再通過串口傳送給監(jiān)控主機(jī)，由監(jiān)控主機(jī)上的軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄、反饋或傳輸?shù)剑ㄊ謾C(jī)）顯示終端［2］。古建筑無線火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)如圖1所示。

2 基于CC2530的傳感節(jié)點硬件設(shè)計

2.1 傳感節(jié)點的硬件系統(tǒng)框圖

圖1 古建筑無線火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)

傳感節(jié)點硬件系統(tǒng)框圖如圖2所示，其中射頻模塊和微處理器集成在一起，采用 CC2530芯片，多參數(shù)火災(zāi)探測單元包括溫度傳感器模塊和煙霧傳感器模塊，同時基于節(jié)能的考慮，加入了光強(qiáng)感知模塊。當(dāng)出現(xiàn)異常情況時，蜂鳴器發(fā)出警報。

圖2 傳感節(jié)點硬件系統(tǒng)框圖

2.2 處理器及射頻模塊

本文采用 CC2530作為處理器和射頻模塊，如圖3所示。CC2530結(jié)合了一個完全集成了精簡指令集的8051微處理器和高性能2.4GHz的RF收發(fā)器，是真正的片上系統(tǒng)解決方案。它接收靈敏度高，發(fā)送距離遠(yuǎn)；相比于 CC2430，CC2530提供了 101dB的鏈路質(zhì)量以及10dBm的發(fā)送功率，優(yōu)秀的接收器靈敏度和健壯的抗干擾性，使得通信距離達(dá) 350m以上。

圖3 CC2530電路圖

2.3 傳感器設(shè)計

傳感器是數(shù)據(jù)采集的核心模塊，種類繁多，用于測量各種物理量，是連接物理世界與數(shù)字網(wǎng)絡(luò)的接口。本文面向古建筑火災(zāi)監(jiān)測這一應(yīng)用環(huán)境，主要使用的傳感器模塊包含溫度、煙霧濃度傳感器模塊。

2.3.1 溫度傳感器模塊

DS18B20數(shù)字溫度計是DALLAS公司生產(chǎn)的單總線器件，具有線路簡單、體積小的特點。只要求一個端口即可實現(xiàn)通信，實際應(yīng)用中不需要外部任何元器件即可實現(xiàn)測溫，測量溫度范圍在－55℃～+125℃之間，數(shù)字溫度計的分辨率用戶可以從9位到 12位選擇［3］。

2.3.2 ZYMQ-2煙霧傳感器模塊

ZYMQ-2氣敏元件的核心是 AL2O3陶瓷管、SnO2敏感層、測量電極和加熱器，固定在塑料或不銹鋼制成的腔體內(nèi)。封裝好的氣敏元件有 6只針狀管腳，其中 4個用于信號取出，外部能源通過另外2個管腳為氣敏元件的加熱器提供電流。

3 古建筑無線火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)的路由策略

路由協(xié)議的主要任務(wù)是在傳感器節(jié)點和協(xié)調(diào)節(jié)點間建立路由，可靠地傳遞數(shù)據(jù)。其首要設(shè)計原則是節(jié)省能量，延長網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的生存期。針對火災(zāi)發(fā)生的突發(fā)性特點，為了降低整個網(wǎng)絡(luò)的功耗，可以借鑒典型的事件觸發(fā)路由協(xié)議 TEEN協(xié)議。TEEN （Threshold sensitive Energy Efficient sensor Network protocol）協(xié)議［4］是一種基于層次結(jié)構(gòu)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議，其目標(biāo)是能夠?qū)W(wǎng)絡(luò)中監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化做出快速反應(yīng)，對于傳感屬性值高于給定閾值的數(shù)據(jù)，及時監(jiān)測突發(fā)事件的反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)。本文在 TEEN路由協(xié)議的基礎(chǔ)上，結(jié)合古建筑火災(zāi)監(jiān)測的特點，提出了一種適合古建筑火災(zāi)監(jiān)測的層次路由協(xié)議。下面探討具體的路由組網(wǎng)過程。

3.1 系統(tǒng)初始階段

系統(tǒng)初始階段，協(xié)調(diào)器首先向全網(wǎng)廣播一個起始消息，當(dāng)所有的節(jié)點收到這個消息后，它們分別向協(xié)調(diào)器返回一個帶有節(jié)點自身ID號和節(jié)點自身剩余能量的消息［5］。

3.2 簇的建立階段

在這個階段，本文采取周期性等概率隨機(jī)選取簇首的方式，同時綜合考慮節(jié)點的剩余能量，以平衡網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點的能量消耗。每輪中，每個傳感節(jié)點選擇［0，1］之間的一個隨機(jī)數(shù)，如果選定的值小于 T（n），則該節(jié)點向周圍節(jié)點廣播自己成為簇頭的消息，網(wǎng)絡(luò)中的非簇頭節(jié)點根據(jù)接收信號的強(qiáng)度決定加入哪個簇，并通知相關(guān)簇頭。T（n）的計算公式為：

其中，p是簇頭占所有節(jié)點的百分比，r是目前循環(huán)進(jìn)行的輪數(shù)，G是最近 1/p輪中還未當(dāng)選過簇頭的節(jié)點集合。 Ej_cure是傳感節(jié)點 J的當(dāng)前剩余能量，Ej_init是傳感節(jié)點J的初始能量。

成簇完成后，協(xié)調(diào)器節(jié)點通過簇頭節(jié)點向全網(wǎng)節(jié)點通告兩個閾值：硬閾值和軟閾值。其中硬閾值用來監(jiān)測溫度和煙霧濃度參數(shù)，當(dāng)參數(shù)超過硬閾值時，表明可能有火災(zāi)情況發(fā)生。軟閾值用來衡量火災(zāi)參數(shù)的變化，以便對是否發(fā)生火災(zāi)進(jìn)行初步判斷。

3.3 簇的穩(wěn)定階段

在簇的穩(wěn)定階段，節(jié)點通過傳感器不斷地感知周圍環(huán)境的溫度和煙霧濃度，當(dāng)節(jié)點第一次監(jiān)測到數(shù)據(jù)超過硬閾值時，節(jié)點打開收發(fā)器向簇頭上報數(shù)據(jù)，并將當(dāng)前監(jiān)測數(shù)據(jù)保存為監(jiān)測值（Sensed Value，SV）。節(jié)點繼續(xù)感知數(shù)據(jù)，只有當(dāng)數(shù)據(jù)大于硬閾值，同時新數(shù)據(jù)與 SV之差大于等于軟閾值時，節(jié)點才再次向簇頭發(fā)送監(jiān)測數(shù)據(jù)，并將該監(jiān)測數(shù)據(jù)保存在 SV中。對于一些非火災(zāi)引起的煙霧，傳感數(shù)據(jù)沒有顯著變化，或者煙霧消失，數(shù)據(jù)正常，節(jié)點也不傳送數(shù)據(jù)，能夠在一定程度上避免誤報的發(fā)生。

3.4 簇的重構(gòu)

在簇重構(gòu)過程中，如果新一輪的簇首確定，該簇首可重新設(shè)定和發(fā)布以上兩個參數(shù)。簇首通過TDMA方法實現(xiàn)數(shù)據(jù)調(diào)度，避免沖突碰撞。

針對古建筑的特點，在節(jié)省能量的同時實現(xiàn)對火災(zāi)進(jìn)行更好的監(jiān)測。白天，古建筑有人員來往，故不必頻繁地發(fā)送采集數(shù)據(jù)，傳感器采集數(shù)據(jù)，不超過閾值時，不發(fā)送數(shù)據(jù)，有效地減少通信流量。晚上，古建筑內(nèi)人員減少，巡視的時間間隔也較長，監(jiān)控人員在主機(jī)上對古建筑進(jìn)行整體監(jiān)控。為了防止某些傳感節(jié)點出現(xiàn)問題，而監(jiān)控人員不知情，在傳感節(jié)點上加入光敏電阻，當(dāng)天黑之后，光線變暗，無論感知數(shù)據(jù)是否達(dá)到閾值要求，均要求感知節(jié)點每隔1個小時發(fā)送一次感知數(shù)據(jù)。

路由協(xié)議流程圖如圖4所示。

圖4 路由協(xié)議流程圖

感知節(jié)點負(fù)責(zé)感知數(shù)據(jù)，并進(jìn)行初步的判斷。感知節(jié)點把需要傳送的數(shù)據(jù)發(fā)送給路由節(jié)點，路由節(jié)點再把需要傳送的數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器節(jié)點，之后協(xié)調(diào)器節(jié)點通過串口把數(shù)據(jù)傳送到監(jiān)控主機(jī)。由于監(jiān)控人員可能出現(xiàn)外出等情況，如果這時出現(xiàn)火情，監(jiān)控人員將不能及時接到警報。為了解決這個問題，在本系統(tǒng)中，監(jiān)控主機(jī)可以通過3G網(wǎng)絡(luò)將這些數(shù)據(jù)送到安卓系統(tǒng)的手機(jī)上，如圖5所示，這樣，當(dāng)出現(xiàn)異常情況時，監(jiān)控人員就能隨時隨地了解情況，及時應(yīng)對。

圖5 安卓系統(tǒng)的顯示頁面

4 結(jié)論

本文完成了傳感節(jié)點的設(shè)計和實現(xiàn)，通過測試，能夠?qū)崿F(xiàn)基本的采集數(shù)據(jù)、傳送數(shù)據(jù)的功能，同時給出了適合古建筑火災(zāi)監(jiān)測的路由協(xié)議。接下來的工作是火災(zāi)監(jiān)測中，溫度、煙霧濃度的各個閾值的確定，需要通過實驗總結(jié)，在探測精度和能耗之間達(dá)到一個平衡。目前，對于建筑物內(nèi)部的消防報警系統(tǒng)而言，沒有獨立構(gòu)成的無線消防報警系統(tǒng)，也沒有無線消防報警系統(tǒng)的國家及行業(yè)驗收標(biāo)準(zhǔn)，均采用有線火災(zāi)報警系統(tǒng)。對于古建筑，無線網(wǎng)絡(luò)火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)可以解決傳統(tǒng)的有線監(jiān)測系統(tǒng)布線復(fù)雜、造成建筑物的破壞等弊端，是古建筑火災(zāi)監(jiān)測的理想解決方案。同時，本文的研究也為推進(jìn)我國火災(zāi)監(jiān)測工作的信息化、自動化與智能化奠定了理論基礎(chǔ)。

［1］孫利民，李建中，陳渝，等.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2005.

［2］黃鋒，劉士興，顧勤東.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點概述［J］.合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2008，31（8）：1208-1212.

［3］王春雷，黃玉，柴喬林，等.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn) ［J］.計算機(jī)工程與設(shè)計，2007，28（10）：2320-2322.

［4］MANJESHWAR A，AGRAWAL D P.TEEN：a routing protocol for enhanced efficiency in wireless sensor networks［C］. In the Proceedings of the 1st International Workshop on Parallel and Distributed Computing Issues in Wireless Networks and Mobile Computing，2001：2009-2015.

［5］何莉媛，李永明，汪泉弟.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)簇類路由協(xié)議的分析［J］.重慶大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2007，30（1）：50-53.

Research and implementation of ancient building wireless fire monitoring system based on CC2530

Yang Hongyan
（Force Management Department，The Chinese People′s Armed Police Forces Academy，Langfang 065000，China）

The traditional fire monitoring system for ancient building adopts wired mode which can do a lot of damage to the building.In order to solve this problem，a wireless fire monitoring system is designed based on CC2530.The sensor node and the routing strategy are implemented in this system.The sensor nodes sense the temperature，light and smoke.Then they transmit this information to the coordinator node.The coordinator gathers all the information and sends them to the monitor computer and displays them.The monitor computer can send the information to the Android mobile telephone in order to make the supervisor know about the situation.

CC2530；ancient building；wireless fire monitoring

TN925

A

1674-7720（2015）23-0027-03

楊洪艷.基于CC2530古建筑無線火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2015，34（23）：27-29.

2015-08-06）

楊洪艷（1978-），通信作者，女，碩士，講師，主要研究方向： 電路設(shè)計、 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和火災(zāi)探測。 E-mail：surthing@126.com。