基于傳感器數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸?shù)氖覂?nèi)突發(fā)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：智慧樓宇中的突發(fā)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)存在錯(cuò)報(bào)率高和報(bào)警間隔長(zhǎng)的問(wèn)題。為此，文章設(shè)計(jì)了一種基于傳感器數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸?shù)氖覂?nèi)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)。硬件上，文章選用并設(shè)計(jì)了火災(zāi)探測(cè)器和報(bào)警器，利用多種傳感器監(jiān)測(cè)室內(nèi)溫度、濕度和煙霧。軟件上，文章通過(guò)無(wú)線傳輸傳感器數(shù)據(jù)，采用數(shù)據(jù)融合技術(shù)識(shí)別火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)并快速報(bào)警。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，該系統(tǒng)錯(cuò)報(bào)率低于1%，報(bào)警間隔約為114 ms，能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)實(shí)時(shí)的火災(zāi)報(bào)警。

關(guān)鍵詞：傳感器數(shù)據(jù)；無(wú)線傳輸；突發(fā)火災(zāi)；報(bào)警系統(tǒng)；報(bào)警器；多傳感數(shù)據(jù)融合

中圖分類(lèi)號(hào)：TP311" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

基金項(xiàng)目：2023年寶雞文理學(xué)院國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃資助項(xiàng)目；項(xiàng)目編號(hào)：202310721005。

作者簡(jiǎn)介：汪德林（2001— ），男，本科生；研究方向：電子科學(xué)與技術(shù)。

0" 引言

隨著科技的快速發(fā)展和城市化進(jìn)程的加速，現(xiàn)代社會(huì)中人們的生活和工作環(huán)境越來(lái)越依賴于各種智能化設(shè)備與系統(tǒng)。特別是在室內(nèi)環(huán)境中，由于電氣設(shè)備的廣泛使用，火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)也隨之增加。因此，設(shè)計(jì)一種高效、準(zhǔn)確的室內(nèi)突發(fā)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)，對(duì)于保障人們的生命財(cái)產(chǎn)安全具有重要意義。

葉利［1］提出基于支持向量機(jī)的報(bào)警系統(tǒng)，利用傳感器技術(shù)、支持向量機(jī)算法進(jìn)行火災(zāi)監(jiān)測(cè)和報(bào)警的智能化系統(tǒng)，利用支持向量機(jī)算法對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析。徐根祺等［2］提出基于STM32F103ZET6的報(bào)警系統(tǒng)，是一種集成了高性能微控制器和先進(jìn)傳感技術(shù)的智能化安全系統(tǒng)。

傳統(tǒng)的室內(nèi)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)通常采用有線連接方式，通過(guò)布置在室內(nèi)的煙霧探測(cè)器、溫度探測(cè)器等傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境參數(shù)。當(dāng)環(huán)境參數(shù)超過(guò)預(yù)設(shè)閾值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)觸發(fā)報(bào)警并通過(guò)有線網(wǎng)絡(luò)將報(bào)警信息傳輸至監(jiān)控中心。然而，這種有線連接方式存在諸多局限性。為此，本文提出基于傳感器數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸?shù)氖覂?nèi)突發(fā)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

1" 室內(nèi)突發(fā)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件構(gòu)成的核心在于火災(zāi)探測(cè)器和火災(zāi)報(bào)警器，這2大組件之間的通信互聯(lián)依賴于ZigBee模塊技術(shù)，共同構(gòu)建了一個(gè)高效、靈活的自組織網(wǎng)絡(luò)?；馂?zāi)探測(cè)器用于采集室內(nèi)溫度、煙霧濃度等火災(zāi)數(shù)據(jù)信息，火災(zāi)報(bào)警器實(shí)現(xiàn)對(duì)火災(zāi)探測(cè)器的注冊(cè)添加和刪除操作，確保每一個(gè)探測(cè)器都能被系統(tǒng)識(shí)別并納入監(jiān)控范圍［3］。同時(shí)，報(bào)警器還負(fù)責(zé)從探測(cè)器接收信號(hào)，這些信號(hào)反映室內(nèi)環(huán)境中的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)情況。在接收到信號(hào)后，報(bào)警器會(huì)立即對(duì)信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和轉(zhuǎn)化，將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)能夠識(shí)別的信息格式并進(jìn)行必要的封裝，通過(guò)數(shù)據(jù)處理和分析后，對(duì)識(shí)別到的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行報(bào)警。

1.1" 火災(zāi)探測(cè)器選型與設(shè)計(jì)

系統(tǒng)火災(zāi)探測(cè)器由溫度傳感器、濕度傳感器和煙霧傳感器3部分組成，除了常規(guī)的煙感、溫濕度感應(yīng)功能外，還搭載ZigBee模塊，以實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的互聯(lián)和數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)發(fā)送與接收。在火災(zāi)探測(cè)器選型方面，主要選用了CC2430芯片作為核心組件。CC2430芯片是一款專為ZigBee無(wú)線通信設(shè)計(jì)的低功耗、高性能的片上系統(tǒng)解決方案［4］。通過(guò)集成ZigBee無(wú)線收發(fā)器、增強(qiáng)型8051微控制器和內(nèi)存等關(guān)鍵功能，CC2430芯片為火災(zāi)探測(cè)器提供了強(qiáng)大的通信和控制能力。利用CC2430芯片，火災(zāi)探測(cè)器與火災(zāi)報(bào)警器實(shí)現(xiàn)連接。通過(guò)ZigBee無(wú)線通信技術(shù)，火災(zāi)探測(cè)器將檢測(cè)到的煙霧、溫度、濕度等關(guān)鍵數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送給火災(zāi)報(bào)警器［5］。同時(shí)，火災(zāi)報(bào)警器也能夠向火災(zāi)探測(cè)器發(fā)送控制指令，如調(diào)整檢測(cè)靈敏度、設(shè)置報(bào)警閾值等［6］。

1.2" 報(bào)警器選型與設(shè)計(jì)

在火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)中，火災(zāi)報(bào)警器是核心組件，負(fù)責(zé)接收來(lái)自火災(zāi)探測(cè)器中各個(gè)傳感器感知的火災(zāi)信號(hào)，進(jìn)行信息處理并觸發(fā)相應(yīng)的報(bào)警機(jī)制。為了實(shí)現(xiàn)這些功能，本文選用ARM920TS3C2400作為火災(zāi)報(bào)警器的主控芯片。這款芯片以其強(qiáng)大的處理能力和高效的能耗管理，為火災(zāi)報(bào)警控制器提供了穩(wěn)定可靠的控制中心［7］。為了存儲(chǔ)火災(zāi)探測(cè)器的控制管理程序內(nèi)核代碼、啟動(dòng)代碼以及根文件，配備專門(mén)的Flash存儲(chǔ)芯片。這種存儲(chǔ)芯片具有高容量、高可靠性和低能耗的特點(diǎn)，能夠確?；馂?zāi)報(bào)警器在復(fù)雜環(huán)境中持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。

2" 室內(nèi)突發(fā)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1" 基于傳感器數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)通信

通信與火災(zāi)報(bào)警是系統(tǒng)的2個(gè)核心功能，本文在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中分別對(duì)2個(gè)功能模塊設(shè)計(jì)。利用傳感器數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸技術(shù)對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行通信，傳感器數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸?shù)暮诵脑谟诟鶕?jù)特定的傳輸協(xié)議，將多種傳感器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成一種單向的、標(biāo)準(zhǔn)化的傳輸格式。傳輸協(xié)議不僅定義數(shù)據(jù)的傳輸方式，還明確其覆蓋范圍、數(shù)據(jù)傳輸頻率、傳輸距離以及數(shù)據(jù)傳輸次數(shù)等關(guān)鍵參數(shù)［8］。假設(shè)傳感器數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸次數(shù)為n，數(shù)據(jù)傳輸頻率為v，則無(wú)線傳輸協(xié)議覆蓋范圍為：

K=1-nv+s2h（1）

其中，K為傳感器數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸協(xié)議覆蓋范圍，s為傳感器數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)可控區(qū)域面積，h為傳感器數(shù)據(jù)傳輸距離［9］。根據(jù)傳輸協(xié)議的覆蓋范圍，本文將傳感器數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸區(qū)域劃分為多個(gè)單元。每個(gè)單元都由一個(gè)特定的傳輸協(xié)議負(fù)責(zé)并配備一個(gè)定向控制協(xié)議，以確保與系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的有效連接，從而構(gòu)建一個(gè)靈活、動(dòng)態(tài)的無(wú)線傳輸體系。通過(guò)無(wú)線傳輸節(jié)點(diǎn)對(duì)傳感器數(shù)據(jù)變換，如式（2）所示。

x=（b，CK）T（2）

其中，x為無(wú)線傳輸節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)換后的傳感器數(shù)據(jù)，b為一個(gè)隨機(jī)數(shù)，CK為無(wú)線傳輸協(xié)議報(bào)文［10］。將節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)接收端，通過(guò)身份認(rèn)證接收數(shù)據(jù)，如式（3）所示。

x=Q（x）（3）

其中，x為接收到的傳感器數(shù)據(jù)，Q為用戶身份認(rèn)證證書(shū)。通過(guò)以上實(shí)現(xiàn)基于傳感器數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)通信。

2.2" 室內(nèi)火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別及報(bào)警

本文對(duì)接收到的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，提取室內(nèi)火災(zāi)特征并通過(guò)對(duì)火災(zāi)特征加權(quán)計(jì)算，量化室內(nèi)火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)，如式（4）所示。

P=∑i=1ixi-xi，max（4）

其中，P為室內(nèi)火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)，i為室內(nèi)火災(zāi)特征向量數(shù)量，此次系統(tǒng)選定溫度、濕度、煙霧濃度為火災(zāi)特征向量，i為第i個(gè)室內(nèi)火災(zāi)特征向量權(quán)重系數(shù)，xi，max為第i個(gè)室內(nèi)火災(zāi)特征向量上限［11］。根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定一個(gè)閾值，若火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)大于閾值，則室內(nèi)發(fā)生突發(fā)火災(zāi)，對(duì)其進(jìn)行報(bào)警；若火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)小于閾值，則室內(nèi)正常，無(wú)火災(zāi)，繼續(xù)對(duì)室內(nèi)突發(fā)火災(zāi)監(jiān)測(cè)，按照以上生成突發(fā)火災(zāi)識(shí)別報(bào)告并發(fā)送到報(bào)警器上進(jìn)行報(bào)警響應(yīng)。根據(jù)以上設(shè)計(jì)室內(nèi)突發(fā)火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警機(jī)制為：

N=1P≥τ

0P≥τ（5）

其中，N為室內(nèi)突發(fā)火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警機(jī)制，取值為1表示自動(dòng)報(bào)警指令，τ為非自動(dòng)報(bào)警指令，τ表示閾值。本文通過(guò)以上系統(tǒng)對(duì)室內(nèi)突發(fā)火災(zāi)報(bào)警響應(yīng)，以實(shí)現(xiàn)基于傳感器數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸?shù)氖覂?nèi)突發(fā)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

3" 實(shí)驗(yàn)論證

3.1" 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備與設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，檢驗(yàn)本文所設(shè)計(jì)的基于傳感器數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸?shù)氖覂?nèi)突發(fā)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的性能，以某小區(qū)為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，該小區(qū)共有20棟居民樓，樓層數(shù)量為10～15層，根據(jù)該小區(qū)建筑實(shí)際情況，本文實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備了20臺(tái)火災(zāi)探測(cè)器和報(bào)警器，在每個(gè)火災(zāi)探測(cè)器節(jié)點(diǎn)上安裝溫度、濕度、煙霧傳感器，感知室內(nèi)火災(zāi)溫度、濕度以及煙霧信號(hào)，對(duì)火災(zāi)探測(cè)器和無(wú)線傳感器進(jìn)行注冊(cè)并對(duì)其IP配置，啟動(dòng)火災(zāi)探測(cè)器中各個(gè)無(wú)線傳感器，共采集10000個(gè)數(shù)據(jù)樣本。在啟動(dòng)系統(tǒng)硬件后，本文實(shí)驗(yàn)啟動(dòng)系統(tǒng)軟件平臺(tái)，對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)線傳輸，通過(guò)數(shù)據(jù)融合和分析，識(shí)別室內(nèi)火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)火災(zāi)進(jìn)行報(bào)警。本文共選取8個(gè)樣本，其處理和分析結(jié)果如表1所示。

由表1可知，系統(tǒng)可以根據(jù)室內(nèi)環(huán)境采取正確的響應(yīng)，能夠識(shí)別突發(fā)火災(zāi)并進(jìn)行報(bào)警。根據(jù)系統(tǒng)對(duì)10000個(gè)樣本響應(yīng)結(jié)果，本文分析系統(tǒng)的報(bào)警精度和響應(yīng)性能。

3.2" 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

在文獻(xiàn)［1］系統(tǒng)和文獻(xiàn)［2］系統(tǒng)與本文系統(tǒng)中，對(duì)系統(tǒng)火災(zāi)錯(cuò)報(bào)率和報(bào)警間隔進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)比結(jié)果分別如表2和3所示。

由表1數(shù)據(jù)可知，設(shè)計(jì)系統(tǒng)錯(cuò)報(bào)率不超過(guò)1%，數(shù)值非常小，基本可以忽略不計(jì)，這說(shuō)明所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能夠根據(jù)室內(nèi)突發(fā)火災(zāi)精準(zhǔn)報(bào)警。而文獻(xiàn)［1］系統(tǒng)和文獻(xiàn)［2］系統(tǒng)火災(zāi)錯(cuò)報(bào)率分別在5%和3%以上，遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)系統(tǒng)，這說(shuō)明在報(bào)警精度方面，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)具有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。由表2數(shù)據(jù)可知，本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)的報(bào)警間隔平均在114 ms左右，比文獻(xiàn)［1］系統(tǒng)縮短了將近650 ms，比文獻(xiàn)［2］系統(tǒng)縮短了將近580 ms。這說(shuō)明在響應(yīng)性能方面，本文所提設(shè)計(jì)系統(tǒng)也具有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。以上對(duì)比結(jié)果證明了本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)能夠?qū)κ覂?nèi)突發(fā)火災(zāi)進(jìn)行精準(zhǔn)、實(shí)時(shí)報(bào)警，具有良好的可行性與可靠性。

4" 結(jié)語(yǔ)

本文詳細(xì)探討了基于傳感器數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸?shù)氖覂?nèi)突發(fā)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。通過(guò)集成先進(jìn)的傳感器技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)以及高性能微控制器，本文成功構(gòu)建了一個(gè)高效、準(zhǔn)確且實(shí)時(shí)性強(qiáng)的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)。系統(tǒng)不僅能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)室內(nèi)環(huán)境參數(shù)，如煙霧濃度、溫度和濕度等，還能在檢測(cè)到異常時(shí)迅速觸發(fā)報(bào)警機(jī)制，通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將報(bào)警信息傳遞給相關(guān)人員，以便及時(shí)采取應(yīng)對(duì)措施。此外，系統(tǒng)還具備高度的可擴(kuò)展性和靈活性，能夠根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行定制和優(yōu)化。在設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，研發(fā)人員注重本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，通過(guò)合理的硬件選型、精確的算法設(shè)計(jì)和嚴(yán)格的測(cè)試驗(yàn)證，確保了系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中的高效運(yùn)行并能夠準(zhǔn)確報(bào)警。

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（編輯" 王雪芬）

Design of indoor emergency fire alarm system based on wireless transmission of sensor data

WANG" Delin， GE" Xingyu， ZHOU" Xinchun

（Institute of Physics amp; Optoelectronics Technology， Baoji University of Arts and Sciences， Baoji 721016， China）

Abstract： The emergency fire alarm system in smart buildings has the problem of high 1 alarm rate and long alarm interval. For this purpose， an indoor fire alarm system based on wireless transmission of sensor data is designed. On the hardware side，the fire detectors and alarms have been selected and designed， utilizing multiple sensors to monitor indoor temperature， humidity， and smoke. On the software side，the sensor data is transmitted wirelessly， and the data fusion technology is used to identify fire risks and quickly alert. The experimental results show that the 1 alarm rate of the system is less than 1%， and the alarm interval is about 114 ms， which can achieve accurate and real-time fire alarm.

Key words： sensor data; wireless transmission; emergency fire; alarm system; alarm; multi-sensor data fusion