楊洪艷

【摘要】 傳統(tǒng)的古建筑火災(zāi)監(jiān)測體系存在許多弊端，結(jié)合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，本文提出了一種基于MSP430內(nèi)核的古建筑無線火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)。針對古建筑的建筑特點和環(huán)境參數(shù)需求，設(shè)計了適合古建筑火災(zāi)監(jiān)測的傳感節(jié)點，能夠?qū)崟r監(jiān)測古建筑的溫度，濕度，煙霧濃度等參數(shù)。同時給出了適合古建筑火災(zāi)監(jiān)測的路由策略。

【關(guān)鍵詞】 古建筑 無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 火災(zāi)監(jiān)測

一、基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的古建筑火災(zāi)監(jiān)測傳感節(jié)點硬件設(shè)計

無線傳感器節(jié)點由傳感器模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、無線通信模塊和電源管理模塊四部分組成。

1.1處理器設(shè)計

處理器選擇了TI公司的MCU-MSP430，它是一種超低功耗的PSOC（Programmable System On Chip）微控制器。電壓可以在1.8～3.6V，最低耗電電流可達0.1μA，多種頻率時鐘源可以使系統(tǒng)靈活的實現(xiàn)最低的功率消耗。MSP430具有強大的處理能力，為16位RISC結(jié)構(gòu)，具有豐富的尋址方式和大量的模擬接口，眾多的寄存器和片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器可提高處理速度，編制出高效率的源程序，降低了功耗。

1.2射頻模塊設(shè)計

本文射頻模塊選用nRF905單片無線芯片，它工作在433/868/915MHz的ISM頻段。具有多通道工作，通道切換時間<650μs。功耗較低，且輸出功率可調(diào)至10dBm。具有“傳輸前監(jiān)測”的載波檢測協(xié)議，可有效預(yù)防碰撞。其最大數(shù)據(jù)傳輸率為100（曼徹斯特編碼）kbps，典型靈敏度-100dBm。POWERDOWN模式時，工作電流僅2.5 mA。

1.3傳感器設(shè)計

本文主要面向古建筑火災(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濕度和煙霧濃度傳感器。

1.3.1溫濕度傳感器模塊

溫濕度傳感器選用SHT10實現(xiàn)室內(nèi)溫濕度采集，分別產(chǎn)生相對濕度或溫度的信號，經(jīng)放大后分別送至14位A/D進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并經(jīng)校準(zhǔn)和糾錯，最后通過二線串行接口將相對濕度或溫度的數(shù)據(jù)送至微控器。SHT10的溫度精度為±0. 5℃，濕度精度為±4.5%RH，可以滿足室內(nèi)溫濕度采集的需求[3]。

1.3.2煙霧濃度傳感器模塊

光電型煙霧探測模塊是通過一對紅外線發(fā)射和接收二極管實現(xiàn)的?；馂?zāi)發(fā)生時，有煙霧顆粒進入光學(xué)探測室，使紅外光線發(fā)生散射，接收二極管收到散射光線，產(chǎn)生電流信號，經(jīng)過放大后送給MSP430經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換后進行相關(guān)處理。

二、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)。針對火災(zāi)發(fā)生的突發(fā)性的特點，可以借鑒典型的事件觸發(fā)路由協(xié)議TEEN協(xié)議。

具體組網(wǎng)過程如下：

每個傳感節(jié)點選擇[0 ， 1]之間的一個隨機數(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。

成簇完成后，Sink節(jié)點通過簇頭向全網(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)測溫濕度和煙霧濃度參數(shù)，當(dāng)其中參數(shù)超過一定值時，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)進行初步判斷。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)境的溫濕度和煙霧濃度，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）。此后節(jié)點再次進行數(shù)據(jù)傳送時要滿足兩個條件：①當(dāng)前節(jié)點監(jiān)測到的數(shù)據(jù)比硬閾值大；②當(dāng)前的監(jiān)測值與SV之差的絕對值不小于軟閾值，節(jié)點才向簇首上報數(shù)據(jù)，并將當(dāng)前監(jiān)測數(shù)據(jù)保存為SV。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)。且簇首通過TDMA方法實現(xiàn)數(shù)據(jù)調(diào)度，避免沖突碰撞。

三、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，同時給出了適合火災(zāi)監(jiān)測的典型路由協(xié)議。

參 考 文 獻

[1] 張永平. 古建筑火災(zāi)隱患及預(yù)防措施探討[J]. 山西建筑， 2009，35（11）：191-193

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