基于ZigBee無(wú)線通信的車廂無(wú)線煙霧預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘 要： 當(dāng)前普遍采用的傳統(tǒng)車廂煙霧濃度報(bào)警系統(tǒng)無(wú)法針對(duì)復(fù)雜條件和多變環(huán)境下的煙霧濃度信息進(jìn)行準(zhǔn)確采集和特征表達(dá)，導(dǎo)致報(bào)警系統(tǒng)精確度無(wú)法保證。針對(duì)復(fù)雜環(huán)境信息準(zhǔn)確描述煙霧內(nèi)部特征，在語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)一種列車車廂煙霧無(wú)線檢測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，可以從根本上滿足實(shí)踐條件下彌補(bǔ)傳統(tǒng)車廂煙霧濃度報(bào)警的不足。系統(tǒng)以ARMS2C2440為核心控制器，采用ZigBee無(wú)線通信模塊與語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)結(jié)合的方式調(diào)節(jié)語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)距離描述表征煙霧濃度的相關(guān)特征信息閾值，通過(guò)語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞和交換，進(jìn)行比較報(bào)警，提高系統(tǒng)的準(zhǔn)確度和及時(shí)性。

關(guān)鍵詞： 車廂煙霧； 語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)； 無(wú)線通信； 預(yù)警功能

中圖分類號(hào)： TN926+.23?34； TP274.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2016）15?0021?04

Abstract： The commonly?used alarm system of carriage smoke density can′t perform the accurate acquisition and feature expression of the smoke density information under complex conditions and varied environment， so the accuracy of the alarm system can′t be guaranteed. Aiming at the smoke internal feature accurately described for the complex environmental information， a train carriage smoke wireless detection warning system based on semantic network adjustment was designed， which can fundamentally remedy the insufficient of traditional carriage smoke density alarm under practical conditions. This system takes ARMS2C2440 as its core controller， and uses the combination mode of ZigBee wireless communication module and semantic network to regulate the semantic network distance which can character the relevant feature information threshold of smoke density. The data transfer and exchange were conducted through the semantic network nodes to execute comparison and alarm， so as to improve the system accuracy and timeliness.

Keywords： carriage smoke； semantic network； wireless communication； warning function

0 引 言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，鐵路運(yùn)輸已經(jīng)成為我國(guó)當(dāng)前最為重要的交通運(yùn)輸手段之一。鐵路車廂的空間小且人員容量較大，列車在高速運(yùn)行中會(huì)發(fā)生各種意想不到的情況，一旦遇到明火引發(fā)火災(zāi)則可能給列車內(nèi)的人身和財(cái)產(chǎn)安全造成不可彌補(bǔ)的損失。在車廂加裝無(wú)線煙霧預(yù)警裝置可以有效改善現(xiàn)有缺陷，提高運(yùn)行可靠性，降低車廂火災(zāi)隱患。因此選擇合理有效的方式構(gòu)建車廂無(wú)線煙霧預(yù)警系統(tǒng)是當(dāng)前鐵路安全管理部門重要的研究項(xiàng)目。

在實(shí)際情況下，目前廣泛采用的傳統(tǒng)煙霧預(yù)警可以滿足隨機(jī)性與環(huán)境條件可變等情況，但由于系統(tǒng)設(shè)計(jì)限制無(wú)法針對(duì)具體復(fù)雜多變的環(huán)境和檢測(cè)到的煙霧濃度等信息進(jìn)行綜合判斷，此外，傳統(tǒng)的預(yù)警系統(tǒng)對(duì)表征各個(gè)環(huán)境因素參數(shù)的控制性和穩(wěn)定性要求十分苛刻，報(bào)警精度無(wú)法滿足實(shí)際需求，系統(tǒng)應(yīng)用范圍有相當(dāng)?shù)木窒扌浴Ｒ虼藶榱藵M足實(shí)際需求，本文結(jié)合傳統(tǒng)煙霧預(yù)警系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，在語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)一種列車車廂煙霧無(wú)線檢測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，對(duì)于異常信號(hào)可以進(jìn)行及時(shí)準(zhǔn)確分析，以提高報(bào)警精度。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)在于利用語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)性能結(jié)合實(shí)際需求分析在實(shí)際情況下列車車廂內(nèi)的煙霧濃度報(bào)警系統(tǒng)的相關(guān)特征信息和結(jié)構(gòu)性能，在語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)一種列車車廂煙霧無(wú)線檢測(cè)預(yù)警系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)主要包含煙霧濃度數(shù)據(jù)獲取模塊、預(yù)警信息采集模塊、語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)識(shí)別分析模塊、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)知識(shí)存儲(chǔ)模塊、人工智能對(duì)話模塊、火災(zāi)報(bào)警模塊以及相關(guān)輸出顯示、人工干預(yù)等執(zhí)行機(jī)構(gòu)，總體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

一旦列車車廂內(nèi)煙霧濃度超過(guò)限值，首先通過(guò)煙霧濃度數(shù)據(jù)獲取模塊進(jìn)行煙霧信息的初步采集和預(yù)處理，通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊將相關(guān)信息傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)知識(shí)存儲(chǔ)模塊進(jìn)行對(duì)比分析，再利用人工智能對(duì)話模塊和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)的相關(guān)信息進(jìn)行語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分析，借助網(wǎng)絡(luò)分析判別進(jìn)行相關(guān)信息特征鑒別和提取，分析相關(guān)煙霧信息進(jìn)行預(yù)警，在最終傳遞結(jié)果前還需要經(jīng)過(guò)人工干預(yù)以剔除誤報(bào)警等錯(cuò)誤信息，確保所得到的預(yù)警結(jié)果的正確性和可靠度，最后進(jìn)行輸出顯示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

列車車廂內(nèi)的煙霧信息檢測(cè)預(yù)警可以有效甄別列車車廂內(nèi)的煙霧濃度、傳輸速度等相關(guān)信息，結(jié)合實(shí)際設(shè)定的閾值進(jìn)行檢測(cè)分析，具有較好的實(shí)踐性能。整個(gè)系統(tǒng)包含報(bào)警模塊設(shè)計(jì)、語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)接收分析模塊、ZigBee發(fā)射與接收模塊以及核心主控制器模塊。采用S2C2440作為主控制模塊，具體硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖如圖2所示。

2.1 煙霧預(yù)警與ZigBee模塊硬件設(shè)計(jì)

本文在語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)一種列車車廂煙霧無(wú)線檢測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，可以將相關(guān)信息利用ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊傳送到語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)的對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)經(jīng)由整個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行相關(guān)信息特征鑒別和提取后再將得到的數(shù)據(jù)傳遞到系統(tǒng)主控制器，因此整個(gè)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)特征信息數(shù)據(jù)的雙通道傳遞，可以針對(duì)具體情況進(jìn)行有效報(bào)警，滿足實(shí)際需求。設(shè)計(jì)中采用MQ?2型煙霧傳感器，該傳感器屬于表面離子式N型半導(dǎo)體。遇到可燃煙霧時(shí)，半導(dǎo)體本身吸附的氧脫落，取而代之的是可燃?xì)怏w以正離子狀態(tài)附著于表面；氧脫附放出電子，使二氧化錫半導(dǎo)體導(dǎo)帶電子密度增加，電阻值下降。反之，當(dāng)空氣中煙霧檢測(cè)不到時(shí)，半導(dǎo)體具有自動(dòng)恢復(fù)氧的負(fù)離子吸附的特性，使電阻值恢復(fù)到原來(lái)設(shè)定的狀態(tài)。

2.2 煙霧信號(hào)采集電路與語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)計(jì)

在語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的列車車廂煙霧無(wú)線檢測(cè)預(yù)警系統(tǒng)采用煙霧傳感器及相關(guān)信號(hào)放大元件將檢測(cè)到的煙霧信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，再經(jīng)由模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路將檢測(cè)到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)送入核心控制器，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的數(shù)字處理和辨識(shí)。主控制器接收到輸入信號(hào)后首先進(jìn)行濾波，判斷獲得數(shù)值與設(shè)定閾值的關(guān)系，一旦檢測(cè)到的數(shù)值比設(shè)定閾值高，主控制器則進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)報(bào)警和信號(hào)傳遞。整個(gè)煙霧預(yù)警控制器主要由主控制器，煙霧傳感數(shù)據(jù)采集與檢測(cè)電路組成。車廂無(wú)線煙霧預(yù)警控制系統(tǒng)可以與用戶側(cè)的煙霧預(yù)警控制器相融合，針對(duì)整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行情況進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，然后利用相關(guān)參數(shù)及特征信息結(jié)合煙霧預(yù)警系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行共享。

2.3 主電路設(shè)計(jì)

主控制器采用Samsung S2C2440ARM作為核心控制器，芯片接口硬件設(shè)計(jì)采用如圖3所示的結(jié)構(gòu)形式。

微處理器S2C2440ARM是由三星公司推出的16/32位單片機(jī)處理器，這種低價(jià)格、低功耗、高性能的單片機(jī)處理控制器采用ARM920T作為內(nèi)核，采用0.13 μm的COMS標(biāo)準(zhǔn)單元和存儲(chǔ)單元進(jìn)行信息交換和儲(chǔ)存。S2C2440ARM可以實(shí)現(xiàn) MMU，AMBA BUS以及Harvard高緩沖體系結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)獨(dú)立的16 KB指令操作以及16 KB數(shù)據(jù)緩存。每個(gè)單元都可通過(guò)一系列完整有效的通用外設(shè)進(jìn)行讀/寫操作，無(wú)需其他外部組件構(gòu)成復(fù)雜的控制系統(tǒng)，降低了系統(tǒng)的整體運(yùn)行成本。

2.4 報(bào)警器故障自診斷電路

本電路采用判別傳感器電源的連接故障。在傳感器輸出端串聯(lián)相應(yīng)電阻，當(dāng)傳感器正常工作時(shí)，電阻可以與傳感器進(jìn)行分壓，此時(shí)電阻兩端能夠檢測(cè)到較微弱的電壓信號(hào)，控制單片機(jī)可以經(jīng)由相關(guān)輸入獲得。一旦傳感器電源的連接出現(xiàn)異常，則產(chǎn)生斷路，電阻兩端的電壓為零，輸入到單片機(jī)輸入口進(jìn)行相關(guān)報(bào)警動(dòng)作，如圖4所示。

自診斷電路用于分析傳感器兩端信號(hào)連接傳輸情況，還可以用于分析判斷傳感器信號(hào)傳輸是否正確。這時(shí)不需要外部連接電路，經(jīng)過(guò)若干時(shí)間的傳感器預(yù)熱后檢測(cè)傳感器輸出電壓信號(hào)，如果電壓處于高電位說(shuō)明傳感器的信號(hào)傳輸發(fā)生異常。一旦經(jīng)過(guò)自診斷發(fā)現(xiàn)傳感器出現(xiàn)連接異常的情況時(shí)，可以發(fā)出蜂鳴音進(jìn)行報(bào)警并可以經(jīng)由二極管發(fā)光，提示用戶及時(shí)排除故障。

3 煙霧預(yù)警系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 整體系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本文在語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)調(diào)節(jié)基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的列車車廂煙霧無(wú)線檢測(cè)預(yù)警系統(tǒng)整體軟件流程如圖5所示。系統(tǒng)首先檢測(cè)各個(gè)元件的運(yùn)行狀態(tài)，待檢測(cè)正常后首先針對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化操作，然后執(zhí)行系統(tǒng)內(nèi)部集成的監(jiān)控子程序，將煙霧傳感器檢測(cè)到的相關(guān)信息和特征進(jìn)行預(yù)處理，利用遠(yuǎn)程紅外檢測(cè)裝置將檢測(cè)獲得的數(shù)據(jù)和系統(tǒng)設(shè)定的閾值進(jìn)行對(duì)比，一旦檢測(cè)數(shù)據(jù)高于閾值再進(jìn)行煙霧濃度檢測(cè)，在未檢測(cè)到煙霧信號(hào)的情況下將定時(shí)器設(shè)置為設(shè)定值，一旦煙霧濃度達(dá)到設(shè)定閾值，則系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的報(bào)警控制動(dòng)作。

3.2 語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)技術(shù)分析

對(duì)煙霧濃度等相關(guān)數(shù)據(jù)的采集和分析，從根本上來(lái)說(shuō)需要得到可辨識(shí)的具有一定分析特征的價(jià)值信息，并能夠結(jié)合相關(guān)信息進(jìn)行特征分析和判別。利用語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)分析，可以針對(duì)煙霧濃度進(jìn)行聚類化的描述。假設(shè)煙霧濃度表達(dá)為特征函數(shù)[ω（x，y）]，其中包含可以進(jìn)行聚類的煙霧濃度信息，依據(jù)煙霧特征函數(shù)[ω（x，y）]可以獲取表征相關(guān)煙霧濃度的特征數(shù)據(jù)以及相關(guān)分析方法。

結(jié)合語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行特征信息分析，結(jié)合得到的相關(guān)數(shù)據(jù)作為反映煙霧濃度特征的辨識(shí)信息，用[u（x，y）]表征采用可調(diào)節(jié)語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)距離反映煙霧濃度復(fù)雜信息，若[x]與[y]具有一致的表達(dá)特征，且[u（x，y）]中相關(guān)變量與特征值具有一致關(guān)聯(lián)性，則[x]與[y]不可作為雙變量進(jìn)行分析，需要對(duì)[u（x，y）]進(jìn)行模糊化表達(dá)，最后得到獲取煙霧濃度監(jiān)測(cè)的最佳距離為[u（x，y）=i=1nxi-yi1r。]

一旦可調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)的距離處于相似模糊區(qū)間內(nèi)，則兩者之間的距離差會(huì)產(chǎn)生相反的網(wǎng)絡(luò)距離，則應(yīng)采用絕對(duì)值反映兩者之間的距離大小[u（x，y）=i=1nxi-yi，]同時(shí)可以轉(zhuǎn)換為歐幾里得距離[u（x，y）=i=1nxi-yi212。]根據(jù)可調(diào)節(jié)語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)距離可以獲得較好的描述煙霧濃度的特征，采用相應(yīng)的特征波動(dòng)限制函數(shù)獲取相關(guān)距離表達(dá)為[u（x，y）=（x-y）ts（x-y）12，]這里[s]定義為正相關(guān)矩陣。一旦煙霧濃度信息的獲取維度增加，則可調(diào)節(jié)語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)距離表達(dá)為[u（x，y）=i=1nSijxi-yi212。]因此，采用增加語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)可調(diào)節(jié)距離的方法可以很好地描述煙霧濃度特征和相關(guān)維度。

4 實(shí)驗(yàn)分析

本文針對(duì)新系統(tǒng)的相關(guān)特征數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析以確定系統(tǒng)的有效性和可靠度。本系統(tǒng)采用TOSSIM運(yùn)行環(huán)境，利用TinyOs作為事件驅(qū)動(dòng)程序，仿真在PC環(huán)境下運(yùn)行，運(yùn)行環(huán)境提供了語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的相關(guān)外部接口。新系統(tǒng)所采用的煙霧傳感器利用電阻值隨煙霧濃度升高而降低的特點(diǎn)將相關(guān)物理信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，兩者之間呈非線性關(guān)系，因此可以準(zhǔn)確表征復(fù)雜條件下煙霧濃度的特征，說(shuō)明該預(yù)警系統(tǒng)可以準(zhǔn)確表達(dá)實(shí)際情況下的煙霧濃度特征和維度。

設(shè)計(jì)的煙霧檢測(cè)報(bào)警探測(cè)器將“%LEL”作為表征煙霧濃度特征的重要參數(shù)，其具體指的是煙霧預(yù)警發(fā)生爆炸的下限值，即可燃燒煙霧在車廂內(nèi)遇到明火發(fā)生爆炸的最低濃度限值。與此對(duì)應(yīng)的可燃燒煙霧在車廂內(nèi)遇到明火發(fā)生爆炸的最高濃度限值稱為爆炸上限，簡(jiǎn)稱為UEL。車廂內(nèi)只有可燃燒煙霧的濃度達(dá)到上限與下限之間才有可能遇到明火發(fā)生爆炸。一般在具體實(shí)踐中，通常都將報(bào)警濃度的值設(shè)定在爆炸下限的25%以下，而常用的可燃煙霧檢測(cè)裝置的測(cè)量精度為0～100%LEL。

試驗(yàn)采取煙霧流速達(dá)到1.0 kg/s，濃度2 kg/s，設(shè)置煙霧濃度特征報(bào)警的閾值為發(fā)生火災(zāi)下限的25%，整個(gè)其他煙霧火災(zāi)下限的5%，基于此設(shè)置煙霧氣體火災(zāi)報(bào)警最高限為1%，對(duì)比分析傳統(tǒng)煙霧預(yù)警系統(tǒng)與本文設(shè)計(jì)的車廂無(wú)線煙霧預(yù)警系統(tǒng)，具體結(jié)果如表1所示。

從表1中可以看出，本文設(shè)計(jì)的車廂無(wú)線煙霧預(yù)警系統(tǒng)對(duì)于不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)的反映時(shí)間要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)無(wú)線煙霧預(yù)警系統(tǒng)，整體響應(yīng)時(shí)間降低了2～3 s，同時(shí)新系統(tǒng)的檢測(cè)精確度和可靠性要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)預(yù)警系統(tǒng)，提高了40%左右，說(shuō)明本文方法可以迅速對(duì)車廂煙霧的監(jiān)測(cè)和特征表達(dá)進(jìn)行響應(yīng)和分析，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)傳統(tǒng)煙霧預(yù)警系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中的不足，設(shè)計(jì)了一種基于語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)車廂無(wú)線煙霧預(yù)警系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)基于語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)車廂無(wú)線煙霧預(yù)警系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，表明該系統(tǒng)可以準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)和表征車內(nèi)煙霧特點(diǎn)，對(duì)超過(guò)限制的煙霧進(jìn)行及時(shí)預(yù)警，具有較高的檢測(cè)精度和較低的響應(yīng)時(shí)間。

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