基于433MHz無線自組網(wǎng)的火災(zāi)監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)

葛 嵐，陳俊愷

（煙臺(tái)金盾電氣防火檢測中心，山東 煙臺(tái) 264005）

基于433MHz無線自組網(wǎng)的火災(zāi)監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)

葛 嵐，陳俊愷

（煙臺(tái)金盾電氣防火檢測中心，山東 煙臺(tái) 264005）

針對復(fù)雜建筑結(jié)構(gòu)、受地理?xiàng)l件限制的場所布設(shè)通信線有困難的問題，研制了一種基于433MHz無線自組網(wǎng) GPRS的火災(zāi)監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)。以射頻芯片 CC1110為無線自組網(wǎng)核心，搭載SimpliciTI網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，實(shí)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)設(shè)備無線連接。數(shù)據(jù)中心節(jié)點(diǎn)接入GPRS向消防中心傳輸信息。系統(tǒng)已應(yīng)用于實(shí)際，實(shí)現(xiàn)了本地報(bào)警和遠(yuǎn)程監(jiān)控。

無線自組網(wǎng)；火災(zāi)與可燃?xì)怏w監(jiān)控；433MHz；SimpliciTI協(xié)議

0 引言

越來越多的大型復(fù)雜建筑、人員密集型場所、地下建筑、危險(xiǎn)品存放地點(diǎn)等的涌現(xiàn)，使傳統(tǒng)有線報(bào)警系統(tǒng)［1］不能滿足要求。無線自組網(wǎng)［2］無需基站和鋪設(shè)通信線，覆蓋面廣，探測器可安放在任意位置，分布節(jié)點(diǎn)多，不受建筑條件限制，布設(shè)簡單，維護(hù)方便，成本較低，適合各種復(fù)雜建筑結(jié)構(gòu)，是火災(zāi)有線監(jiān)控系統(tǒng)的一種有效補(bǔ)充。

在工業(yè)上無線自組網(wǎng)用得較多的有 ZigBee協(xié)議［3］和SimpliciTI協(xié)議［4］。在火災(zāi)監(jiān)控領(lǐng)域，對 ZigBee技術(shù)也有所研究［5］，但是 ZigBee使用 2.4GHz頻段，穿透能力差，在建筑物內(nèi)特別在復(fù)雜結(jié)構(gòu)中遠(yuǎn)不如 433MHz穿透能力強(qiáng)、抗干擾性好、傳輸距離遠(yuǎn)。

鑒于上述背景，本文研制了基于 433MHz、采用 SimpliciTI協(xié)議構(gòu)建無線自組網(wǎng)的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)。

同時(shí)依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn) 《火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范2013》［6］，在研制探測控制器的基礎(chǔ)上，將可燃?xì)怏w報(bào)警系統(tǒng)納入火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)對火災(zāi)與可燃?xì)怏w泄漏的同時(shí)監(jiān)測。

1 433MHz無線自組網(wǎng)與通信協(xié)議

433MHz無線自組網(wǎng)是由分布在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的433MHz微型無線接收/發(fā)射節(jié)點(diǎn)，通過無線通信協(xié)議的自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，來采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域里的計(jì)量儀表數(shù)據(jù)。通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠茏詣?dòng)配置和管理，同時(shí)自組網(wǎng)中的無線通信接口設(shè)備能作為數(shù)據(jù)中繼使用，從而形成具有自組功能的多跳無線網(wǎng)絡(luò)。

火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)的監(jiān)控設(shè)備位置固定，通信協(xié)議須具備如下功能：能夠自行組建和管理通信網(wǎng)絡(luò)；具有多跳轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制，以延長通信距離；有較強(qiáng)的抗干擾、抗安全風(fēng)險(xiǎn)能力。

SimpliciTI網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是由 TI公司開發(fā)的針對低射頻網(wǎng)絡(luò)的小型低功耗無線自組網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，協(xié)議提供三類無線通信接口節(jié)點(diǎn)設(shè)備：數(shù)據(jù)中心節(jié)點(diǎn)設(shè)備、范圍擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)設(shè)備和終端節(jié)點(diǎn)設(shè)備。SimpliciTI網(wǎng)絡(luò)協(xié)議定義的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溆悬c(diǎn)對點(diǎn)和星形網(wǎng)絡(luò)，通過范圍擴(kuò)展設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋽U(kuò)展，以多跳形式形成樹形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。SimpliciTI網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D1。

圖1 SimpliciTI網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

SimpliciTI協(xié)議有較遠(yuǎn)的傳輸距離和較高的傳輸速率，適合用于火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)。同時(shí)該協(xié)議源代碼開放，有利于系統(tǒng)開發(fā)。根據(jù)火災(zāi)監(jiān)控的實(shí)際布局，選用 SimpliciTI協(xié)議樹形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹?/p>

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本文研制的 SimpliciTI樹形網(wǎng)絡(luò)由終端探測器節(jié)點(diǎn)、中繼器節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)中心節(jié)點(diǎn)組成。以中心節(jié)點(diǎn)為核心，組成RF 433MHz通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行節(jié)點(diǎn)間無線通信。同時(shí)中心節(jié)點(diǎn)接入GPRS連接消防中心PC機(jī)。

2.1 433MHz無線通信單元

433MHz無線通信單元是本設(shè)計(jì)的核心，由微處理器模塊、無線通信模塊、天線模塊和電源模塊組成。

無線通信模塊選用 TI公司開發(fā)的應(yīng)用 SimpliciTI協(xié)議的 CC1110芯片，該芯片內(nèi)含一個(gè)增強(qiáng)型 8051MCU內(nèi)核和高性能CC1101RF無線收發(fā)模塊的芯片，包含數(shù)字轉(zhuǎn)換器、定時(shí)器、32 KB Flash和4 KB RAM。同時(shí)集成了一個(gè)高度可配置的調(diào)制解調(diào)器，支持不同的調(diào)制格式，為數(shù)據(jù)包處理、突發(fā)數(shù)據(jù)傳輸?shù)忍峁┯布С?。只需少量外圍元件即可完成系統(tǒng)射頻電路設(shè)計(jì)。由于其內(nèi)含8051MCU，在終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)中無需外加微處理器。

CC1110工作于315 MHz、433MHz、868 MHz和915 MHz的 ISM（工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)學(xué)）免費(fèi)頻段，具有高靈敏度和強(qiáng)抗干擾性?？山档烷_發(fā)運(yùn)行成本并減少誤報(bào)漏報(bào)。本設(shè)計(jì)采用433MHz頻段，主要是考慮433MHz的強(qiáng)穿透性和抗干擾性，適于復(fù)雜結(jié)構(gòu)建筑和電磁波干擾的區(qū)域。

2.2 智能監(jiān)控終端

智能終端設(shè)備包括傳感器模塊、微處理器模塊和433MHz無線通信模塊，硬件功能如圖2所示。

圖2 智能終端設(shè)備框圖

由于終端探測器中嵌入了微處理器和無線通信模塊，使其由單一信號采集功能擴(kuò)展為集信號采集、數(shù)據(jù)處理和無線數(shù)據(jù)傳輸為一體的探測控制器。依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范 2013》，將可燃?xì)怏w報(bào)警系統(tǒng)納入到火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)火災(zāi)煙霧與可燃?xì)怏w泄漏同時(shí)監(jiān)控。

此外，探測控制器在不宜組網(wǎng)建立自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)的區(qū)域，可獨(dú)立使用，在煙霧或可燃?xì)怏w泄漏超過閾值時(shí)，探測器會(huì)發(fā)出聲光報(bào)警。

智能終端設(shè)備的無線通信功能為：廣播入網(wǎng)請求；加入數(shù)據(jù)中心節(jié)點(diǎn)設(shè)定好的無線通信網(wǎng)絡(luò)；將采集到的火災(zāi)煙霧和可燃?xì)怏w報(bào)警信息上發(fā)至數(shù)據(jù)中心。

2.3 數(shù)據(jù)中心設(shè)備

數(shù)據(jù)中心設(shè)備是系統(tǒng)的核心，擔(dān)負(fù)整個(gè)系統(tǒng)433MHz組網(wǎng)、接收各節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)、報(bào)警、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)顯示及連接外網(wǎng)GPRS向遠(yuǎn)程消防中心傳輸警報(bào)。硬件由微處理器模塊、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸模塊和433MHz無線通信模塊組成。主控制器采用 MO516微處理器，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控與無線通信的協(xié)調(diào)功能。無線通信模塊選用CC1110芯片，GPRS單元選用SIM900A。結(jié)構(gòu)如圖3。

圖3 數(shù)據(jù)中心設(shè)備框圖

數(shù)據(jù)中心設(shè)備的無線通信模塊的功能為：完成無線自組網(wǎng)；等待終端和中繼設(shè)備入網(wǎng)并為入網(wǎng)設(shè)備分配端口PORT號；將終端采集到的警報(bào)信息上傳到消防中心。

2.4 中繼器

中繼器為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)單元，以微處理器MO516加無線通信模塊CC1110構(gòu)成。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)包括終端探測器程序設(shè)計(jì)、中繼器程序設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)中心程序設(shè)計(jì)。

系統(tǒng)初始化之前，使用 TI公司的 SmartRF Studio應(yīng)用程序，對系統(tǒng)工作的載波頻率、傳輸速率、信道寬度、數(shù)據(jù)調(diào)制方式等系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

軟件開發(fā)環(huán)境采用 CCS V4.2。Code Composer Studio是TI公司開發(fā)的專門用于TI的DSP、微處理器和應(yīng)用處理器的集成開發(fā)環(huán)境。

SimpliciTI協(xié)議規(guī)定兩個(gè)設(shè)備之間進(jìn)行通信時(shí)，需要有一個(gè)連接過程。連接信息中要包含一個(gè) 4 B的連接標(biāo)志，接受連接的設(shè)備才能允許該設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)連接是協(xié)議的關(guān)鍵步驟，主要通過偵聽、連接和加入實(shí)現(xiàn)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)加入。

在 SimpliciTI協(xié)議中，一個(gè)網(wǎng)絡(luò)地址由兩部分構(gòu)成：物理地址（由程序設(shè)置）和應(yīng)用層地址（PORT）。物理地址是程序編制過程設(shè)定的，網(wǎng)絡(luò)中的每一個(gè)設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中有唯一的硬件物理地址。應(yīng)用層地址（PORT）是在設(shè)備加入過程中分配的。

數(shù)據(jù)中心節(jié)點(diǎn)程序流程如圖4。當(dāng)系統(tǒng)上電復(fù)位后，首先進(jìn)行系統(tǒng)的初始化，分別是 BSP初始化、協(xié)議棧初始化以及定時(shí)器/串口的初始化。然后等待網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的加入，如果有節(jié)點(diǎn)設(shè)備，建立連接分配 PORT編號；如果沒有，則監(jiān)測是否收到數(shù)據(jù)幀。如果有報(bào)警數(shù)據(jù)，則通過GPRS上報(bào)到遠(yuǎn)程消防中心。

圖4 數(shù)據(jù)中心程序框圖

中繼設(shè)備節(jié)點(diǎn)的作用是延長數(shù)據(jù)的通信距離，起到擴(kuò)展設(shè)備通信距離的作用。中繼設(shè)備節(jié)點(diǎn)上電復(fù)位后，首先進(jìn)行 BSP、協(xié)議棧、定時(shí)器/串口初始化，然后向數(shù)據(jù)中心節(jié)點(diǎn)發(fā)送加入網(wǎng)絡(luò)請求，等待加入。成功加入網(wǎng)絡(luò)后，等待接收網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)幀，當(dāng)收到網(wǎng)絡(luò)設(shè)備發(fā)送來的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)幀，并判定為合法，則轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)信息。中繼設(shè)備程序框圖如圖5。

圖5 中繼節(jié)點(diǎn)程序框圖

終端節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集。終端節(jié)點(diǎn)上電復(fù)位后，首先進(jìn)行 BSP、協(xié)議棧、定時(shí)器/串口初始化，然后打開串口中斷，發(fā)送加入網(wǎng)絡(luò)請求，等待加入。終端節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)后，在事先設(shè)置好的頻率或信道上發(fā)送信息序列，并使用事先設(shè)置的密鑰對數(shù)據(jù)幀進(jìn)行加密和解密。對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，如果超過閾值，則將報(bào)警信息發(fā)送至數(shù)據(jù)中心。收到數(shù)據(jù)中心巡檢命令后，采集終端工作狀態(tài)信息，并發(fā)送至數(shù)據(jù)中心。終端節(jié)點(diǎn)程序框圖如圖6。

圖6 終端節(jié)點(diǎn)程序框圖

4 結(jié)論

以上介紹的終端探測控制器，將可燃?xì)怏w監(jiān)控接入火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了火災(zāi)煙霧與可燃?xì)怏w泄漏同時(shí)監(jiān)控。系統(tǒng)采用無線自組網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸方式，無需基站，無需布線，維護(hù)方便，可作為有線方式的有效補(bǔ)充。本系統(tǒng)已在山東、遼寧等地區(qū)應(yīng)用，取得了良好效果，并取得了專利權(quán)［7］。

［1］王軍，馬青波，隋虎林，等.火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警監(jiān)控聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展［J］.消防技術(shù)與產(chǎn)品信息，2003（12）：8-10.

［2］曹薊光.自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展趨勢［J］.電信網(wǎng)技術(shù)，2007（7）：39-42.

［3］丁雪蓮.ZigBee協(xié)議棧淺析［J］.電腦與信息技術(shù)，2013，21（5）：18-21.

［4］張穎，李俊莆，楊臻.基于 SimpliciTI協(xié)議的無線自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.自動(dòng)化儀表，2012，33（9）：53-56.

［5］胡祝格，趙敏華.基于信息融合技術(shù)的無線火災(zāi)探測報(bào)警系統(tǒng)［J］.電子科技，2012，25（10）：36-39.

［6］GB50116-2013.火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范 2013［S］.北京，2013.

［7］張瞳，陳俊愷.一種無線火災(zāi)感煙報(bào)警遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)：中國，ZL 2011 2 0358796.X［P］.2012-05-30.

Fire monitoring and alarming system based on 433MHz wireless Ad-hoc network

Ge Lan，Chen Junkai
（Yantai Jindun Electric Fire Detection Center，Yantai 264005，China）

In view of the difficulties of laying communication lines in complex construction and the location restricted by geographical conditions，a fire and combustible gas monitoring system based on 433MHz wireless Ad hoc network is developed. Taking a ridio frequency chip CC1110 as the core of the wireless Ad hoc network， with the SimpliciTI network protocol， the wireless connection of each node is realized.The access point is connected to transfer data to the fire center.The sytem has been applied to the actual and local alarm and remote monitoring are realized.

wireless Ad-hoc network；fire and combustible gas monitoring；433MHz；SimpliciTI protocol

TP23

A

1674-7720（2015）23-0080-03

葛嵐，陳俊愷.基于433MHz無線自組網(wǎng)的火災(zāi)監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2015，34（23）：80-82.

2015-08-10）

葛嵐（1977-），女，碩士，工程師，主要研究方向：火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

陳俊愷（1971-），男，高級工程師，主要研究方向：火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與產(chǎn)品研發(fā)。