基于RF無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的火災(zāi)自動報警系統(tǒng)

葛　嵐,　陳俊愷

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基于RF無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的火災(zāi)自動報警系統(tǒng)

葛嵐,陳俊愷

葛　嵐(1977—),女,工程師,從事電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與產(chǎn)品開發(fā)。

(煙臺金盾電氣防火檢測中心, 山東 煙臺264005)

摘要：結(jié)合現(xiàn)代建筑具有超高層、大空間及結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特點,針對傳統(tǒng)有線火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)存在的不足,研制了一種基于射頻(RF)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的火災(zāi)報警系統(tǒng)。系統(tǒng)采用RF無線數(shù)據(jù)傳輸,實現(xiàn)了對監(jiān)控目標(biāo)的煙霧、可燃氣體濃度的實時監(jiān)測,并在監(jiān)控主機中接入GPRS,以便實現(xiàn)遠程監(jiān)控。

陳俊愷(1971—),男,工程師,從事火災(zāi)報警系統(tǒng)設(shè)計與產(chǎn)品研發(fā)。

關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò); 射頻; SimpliciTi協(xié)議; 火災(zāi)監(jiān)控

0引言

隨著現(xiàn)代建筑的高度、深度和結(jié)構(gòu)復(fù)雜度的增加,對火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)提出了更高的要求。傳統(tǒng)火災(zāi)報警系統(tǒng)的終端設(shè)備與通信設(shè)備間的通信采用電話線、現(xiàn)場總線、RS-485串行總線及光纖等通信方式[1],由于受建筑結(jié)構(gòu)、地理條件等限制,在現(xiàn)場鋪設(shè)通信線路困難的條件下,采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)更具優(yōu)勢。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種分布式傳感網(wǎng)絡(luò)[2],具有覆蓋面大、監(jiān)測精度高、容錯性好等優(yōu)點?；馂?zāi)監(jiān)控系統(tǒng)是實現(xiàn)火災(zāi)早期預(yù)警、及時進行火災(zāi)撲救的有效手段,利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進行火災(zāi)探測已是消防安全領(lǐng)域的一個研究方向。

工業(yè)上無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用較多的是ZigBee協(xié)議[3]和SimpliciTi協(xié)議[4]。SimpliciTi協(xié)議是一種精簡的短距離無線通信開源網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,使用免費,開發(fā)成本低、周期短,對微控制器資源占用很少,適用于監(jiān)控區(qū)域并不廣域的建筑火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)。本文研制了一種基于SimpliciTi協(xié)議的射頻(Radio Frequency,RF)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的火災(zāi)報警系統(tǒng),結(jié)合GPRS實現(xiàn)火災(zāi)遠程監(jiān)控。

1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)及SimpliciTi網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由分布在監(jiān)測區(qū)域的大量無線傳感器節(jié)點以無線通信方式組成一個多跳自組織網(wǎng)絡(luò)。SimpliciTi是由TI公司開發(fā)的無線自組網(wǎng)射頻網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,支持星形和點對點網(wǎng)絡(luò)拓撲,規(guī)定數(shù)據(jù)中心(Access Point,AP)、范圍擴展設(shè)備(Range Extender,RE)和終端設(shè)備(End Devices,ED)三種邏輯設(shè)備。ED設(shè)備采集信息,AP建立網(wǎng)絡(luò)及接收數(shù)據(jù),ED與傳感器連接,負責(zé)數(shù)據(jù)采集、處理與傳輸,ER用來擴展傳輸距離。SimpliciTi技術(shù)具有較高的傳輸速率和較遠的傳輸距離,適合復(fù)雜建筑的火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)。

2系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)由無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點探測器、中繼器和數(shù)據(jù)中心設(shè)備構(gòu)成。節(jié)點設(shè)備探測器負責(zé)采集節(jié)點附近的煙霧和燃氣等信息并進行數(shù)據(jù)處理,當(dāng)數(shù)據(jù)超過閾值時將發(fā)送警報;數(shù)據(jù)中心設(shè)備完成建立無線通信網(wǎng)絡(luò),接收傳感器節(jié)點發(fā)送(或通過中繼器轉(zhuǎn)發(fā))的報警數(shù)據(jù)和工作狀態(tài)參數(shù),顯示、存儲數(shù)據(jù),并通過GPRS將警報傳送到消防中心;中繼器轉(zhuǎn)發(fā)距離較遠的節(jié)點數(shù)據(jù),最多可達四跳,并加長數(shù)據(jù)傳輸距離,擴大監(jiān)控區(qū)域。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示,終端節(jié)點以探測器表示。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1　節(jié)點設(shè)計

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點是火災(zāi)報警的基礎(chǔ),完成信息采集、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)傳輸功能,提供節(jié)點電源支持。節(jié)點由數(shù)據(jù)采集單元(傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器)、數(shù)據(jù)處理單元(微處理器、存儲器)、無線通信單元和電源單元構(gòu)成。

數(shù)據(jù)處理單元是節(jié)點的核心部件,實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理,與無線通信模塊進行數(shù)據(jù)傳遞,完成電源管理和節(jié)點工作狀態(tài)檢測等任務(wù)。本文選用CC1110芯片作為節(jié)點主控處理器,工作于315、433、868、915 MHz的工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)學(xué)的免費頻段,具有高靈敏度和強抗干擾性,可降低運行成本,并減少誤報、漏報。本文設(shè)計采用433 MHz頻段。

節(jié)點無線通信模塊完成:① 廣播入網(wǎng)請求,加入數(shù)據(jù)中心建立的無線通信網(wǎng)絡(luò);② 將火災(zāi)警報直接上傳或通過中繼器上傳到數(shù)據(jù)中心;③ 定期將節(jié)點工作狀態(tài)參數(shù)上傳。

節(jié)點數(shù)據(jù)采集傳感器為煙霧探測器和可燃氣體探測器。煙霧傳感器選用紅外煙霧傳感器,可燃氣體傳感器選用MQ-4(天然氣、甲烷傳感器)和MQ-6(液化氣、異丁烷、丙烷傳感器)。

CC1110與傳感器組成終端信號探測控制器,可直接對采集信號進行數(shù)據(jù)處理,并控制數(shù)據(jù)傳輸。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB 50116—2013《火災(zāi)自動報警系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》[5],可燃氣體探測控制器可接入火災(zāi)自動報警系統(tǒng),同時監(jiān)控火災(zāi)信號和可燃氣體泄漏。本文分別設(shè)計了煙霧傳感器和可燃氣體探測器。終端節(jié)點設(shè)備框圖如圖2所示,UARST為串口通信同步異步收發(fā)器。

圖2　終端節(jié)點設(shè)備框圖

2.2　數(shù)據(jù)中心設(shè)備

數(shù)據(jù)中心設(shè)備是整個系統(tǒng)的核心,主要完成以下功能:

(1) 以SimpliciTi網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進行組網(wǎng),監(jiān)聽中繼、終端設(shè)備入網(wǎng)請求,給加入的設(shè)備分配端口PORT編號。

(2) 匯集節(jié)點設(shè)備采集的數(shù)據(jù)。

(3) 以GPRS方式向遠程監(jiān)控中心發(fā)送數(shù)據(jù)。選用MO516為主控制器,與RF無線通信模塊CC1110、遠程數(shù)據(jù)傳輸單元GPRS模塊SIM300組成數(shù)據(jù)中心設(shè)備。

圖3　數(shù)據(jù)中心設(shè)備框圖

2.3　中繼器

中繼器完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能,以CC1110為核心進行設(shè)計。

3軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計主要包括無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點、中繼器和數(shù)據(jù)中心程序三部分。

數(shù)據(jù)中心的程序流程如圖4所示。

系統(tǒng)初始化后打開串口中斷,進入監(jiān)聽狀態(tài),等待節(jié)點和中繼器設(shè)備入網(wǎng)請求,收到請求信息后發(fā)回應(yīng)答信息,建立連接,分配通信端口號,并監(jiān)控中心發(fā)送設(shè)備端口。根據(jù)已加入的設(shè)備檢測是否收到數(shù)據(jù)進行判別,如果收到報警信息,則通過GPRS上傳到監(jiān)控中心。

中繼器的程序流程如圖5所示。

圖4　數(shù)據(jù)中心的程序流程

圖5　中繼器的程序流程

系統(tǒng)初始化后請求加入網(wǎng)絡(luò),加入成功后,等待轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點傳送的數(shù)據(jù),并上傳到數(shù)據(jù)中心。

節(jié)點設(shè)備的程序流程如圖6所示。

系統(tǒng)初始化后請求加入網(wǎng)絡(luò),加入成功后,采集火災(zāi)煙霧信號和可燃氣體信號,經(jīng)數(shù)據(jù)處理后判斷是否有火災(zāi)和可燃氣體泄漏,有警報時立即將數(shù)據(jù)傳送出去,無警報時以一定周期采集探測器工作狀態(tài)參數(shù)。

4結(jié)語

本文研制了一種基于SimpliciTI協(xié)議的RF無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的火災(zāi)報警系統(tǒng),無需鋪設(shè)通信線,終端探測器可根據(jù)需要密集、立體、靈活地分布于監(jiān)控區(qū)域,維護、更換方便,在結(jié)構(gòu)復(fù)雜且不易布線的情況下,優(yōu)勢更明顯。目前該產(chǎn)品已上市,并在遼寧、貴州等地應(yīng)用,運行情況良好。

圖6　節(jié)點設(shè)備的程序流程

參考文獻

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Automatic Wireless Fire System Based on RF Wireless Sensor NetworkGELan,CHENJunkai

(Yantai Jindun Electric Fire Detection Center, Yantai 264005, China)

Abstract：Aiming at existing problem of traditional fire monitoring system in modem buildings with high-rise,large space and complex structure,an automatic wireless fire system was developed based on RF wireless sensor network.The system employs the wireless network data transmission using SimpliciTi protocol,and realizes the real-time monitoring of smoke and combustible gas concentration.GPRS is accessed in the monitoring host to realize the remote monitoring.

Key words:wireless sensor network; radio frequency(RF); SimpliciTi protocol; fire monitoring

收稿日期：2015-06-02

中圖分類號：TU 892

文獻標(biāo)志碼：B

文章編號：1674-8417(2016)01-0007-03