葛　嵐,　陳俊愷

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基于RF無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的火災(zāi)自動(dòng)報(bào)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(jì)與產(chǎn)品開發(fā)。

(煙臺(tái)金盾電氣防火檢測(cè)中心, 山東 煙臺(tái)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(diǎn),針對(duì)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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)。系統(tǒng)采用RF無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸,實(shí)現(xiàn)了對(duì)監(jiān)控目標(biāo)的煙霧、可燃?xì)怏w濃度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),并在監(jiān)控主機(jī)中接入GPRS,以便實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

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

關(guān)鍵詞：無(wú)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(duì)火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)提出了更高的要求。傳統(tǒng)火災(zāi)報(bào)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(chǎng)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?xiàng)l件等限制,在現(xiàn)場(chǎng)鋪設(shè)通信線路困難的條件下,采用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)更具優(yōu)勢(shì)。

無(wú)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(cè)精度高、容錯(cuò)性好等優(yōu)點(diǎn)?；馂?zāi)監(jiān)控系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)火災(zāi)早期預(yù)警、及時(shí)進(jìn)行火災(zāi)撲救的有效手段,利用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行火災(zāi)探測(cè)已是消防安全領(lǐng)域的一個(gè)研究方向。

工業(yè)上無(wú)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(jiǎn)的短距離無(wú)線通信開源網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,使用免費(fèi),開發(fā)成本低、周期短,對(duì)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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng),結(jié)合GPRS實(shí)現(xiàn)火災(zāi)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

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

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)由分布在監(jiān)測(cè)區(qū)域的大量無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)以無(wú)線通信方式組成一個(gè)多跳自組織網(wǎng)絡(luò)。SimpliciTi是由TI公司開發(fā)的無(wú)線自組網(wǎng)射頻網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,支持星形和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?規(guī)定數(shù)據(jù)中心(Access Point,AP)、范圍擴(kuò)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(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集、處理與傳輸,ER用來(lái)擴(kuò)展傳輸距離。SimpliciTi技術(shù)具有較高的傳輸速率和較遠(yuǎn)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(jì)

系統(tǒng)由無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)探測(cè)器、中繼器和數(shù)據(jù)中心設(shè)備構(gòu)成。節(jié)點(diǎn)設(shè)備探測(cè)器負(fù)責(zé)采集節(jié)點(diǎn)附近的煙霧和燃?xì)獾刃畔⒉⑦M(jìn)行數(shù)據(jù)處理,當(dāng)數(shù)據(jù)超過(guò)閾值時(shí)將發(fā)送警報(bào);數(shù)據(jù)中心設(shè)備完成建立無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò),接收傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送(或通過(guò)中繼器轉(zhuǎn)發(fā))的報(bào)警數(shù)據(jù)和工作狀態(tài)參數(shù),顯示、存儲(chǔ)數(shù)據(jù),并通過(guò)GPRS將警報(bào)傳送到消防中心;中繼器轉(zhuǎn)發(fā)距離較遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù),最多可達(dá)四跳,并加長(zhǎng)數(shù)據(jù)傳輸距離,擴(kuò)大監(jiān)控區(qū)域。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示,終端節(jié)點(diǎn)以探測(cè)器表示。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1　節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)是火災(zāi)報(bào)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(diǎn)電源支持。節(jié)點(diǎn)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(chǔ)器)、無(wú)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(diǎn)的核心部件,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理,與無(wú)線通信模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞,完成電源管理和節(jié)點(diǎn)工作狀態(tài)檢測(cè)等任務(wù)。本文選用CC1110芯片作為節(jié)點(diǎn)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(fèi)頻段,具有高靈敏度和強(qiáng)抗干擾性,可降低運(yùn)行成本,并減少誤報(bào)、漏報(bào)。本文設(shè)計(jì)采用433 MHz頻段。

節(jié)點(diǎn)無(wú)線通信模塊完成:① 廣播入網(wǎng)請(qǐng)求,加入數(shù)據(jù)中心建立的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò);② 將火災(zāi)警報(bào)直接上傳或通過(guò)中繼器上傳到數(shù)據(jù)中心;③ 定期將節(jié)點(diǎn)工作狀態(tài)參數(shù)上傳。

節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集傳感器為煙霧探測(cè)器和可燃?xì)怏w探測(cè)器。煙霧傳感器選用紅外煙霧傳感器,可燃?xì)怏w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(hào)探測(cè)控制器,可直接對(duì)采集信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,并控制數(shù)據(jù)傳輸。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 50116—2013《火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》[5],可燃?xì)怏w探測(cè)控制器可接入火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng),同時(shí)監(jiān)控火災(zāi)信號(hào)和可燃?xì)怏w泄漏。本文分別設(shè)計(jì)了煙霧傳感器和可燃?xì)怏w探測(cè)器。終端節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(gè)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(jìn)行組網(wǎng),監(jiān)聽中繼、終端設(shè)備入網(wǎng)請(qǐng)求,給加入的設(shè)備分配端口PORT編號(hào)。

(2) 匯集節(jié)點(diǎn)設(shè)備采集的數(shù)據(jù)。

(3) 以GPRS方式向遠(yuǎn)程監(jiān)控中心發(fā)送數(shù)據(jù)。選用MO516為主控制器,與RF無(wú)線通信模塊CC1110、遠(yuǎn)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(jìn)行設(shè)計(jì)。

3軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、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(jìn)入監(jiān)聽狀態(tài),等待節(jié)點(diǎn)和中繼器設(shè)備入網(wǎng)請(qǐng)求,收到請(qǐng)求信息后發(fā)回應(yīng)答信息,建立連接,分配通信端口號(hào),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(cè)是否收到數(shù)據(jù)進(jìn)行判別,如果收到報(bào)警信息,則通過(guò)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(qǐng)求加入網(wǎng)絡(luò),加入成功后,等待轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)傳送的數(shù)據(jù),并上傳到數(shù)據(jù)中心。

節(jié)點(diǎn)設(shè)備的程序流程如圖6所示。

系統(tǒng)初始化后請(qǐng)求加入網(wǎng)絡(luò),加入成功后,采集火災(zāi)煙霧信號(hào)和可燃?xì)怏w信號(hào),經(jīng)數(shù)據(jù)處理后判斷是否有火災(zāi)和可燃?xì)怏w泄漏,有警報(bào)時(shí)立即將數(shù)據(jù)傳送出去,無(wú)警報(bào)時(shí)以一定周期采集探測(cè)器工作狀態(tài)參數(shù)。

4結(jié)語(yǔ)

本文研制了一種基于SimpliciTI協(xié)議的RF無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng),無(wú)需鋪設(shè)通信線,終端探測(cè)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(hù)、更換方便,在結(jié)構(gòu)復(fù)雜且不易布線的情況下,優(yōu)勢(shì)更明顯。目前該產(chǎn)品已上市,并在遼寧、貴州等地應(yīng)用,運(yùn)行情況良好。

圖6　節(jié)點(diǎn)設(shè)備的程序流程

參考文獻(xiàn)

[1]呂文斌.多種網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)在火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].消防技術(shù)與產(chǎn)品信息,2007(1):36-39.

[2]孫利民,李建中,陳渝,等.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2005.

[3]胡祝格,趙敏華.基于信息融合技術(shù)的無(wú)線火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)[J].電子科技,2012,25(10):37-39.

[4]王靈芝,蘇文松,翁文陶.基于SimpliciTi的無(wú)線火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].微型機(jī)與應(yīng)用,2011,30(14):24-25.

[5]GB 50116—2013火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[6]張瞳,陳俊愷,郭樹林.一種消防電源無(wú)線監(jiān)控裝置:ZL201320147625.1[P].2013-09-04.

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(hào)：TU 892

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1674-8417(2016)01-0007-03