李卿，董淑敏

（1.濟(jì)南市公安消防支隊(duì)防火處法制科 山東 濟(jì)南 250101；2.山東正晨科技股份有限公司企業(yè)技術(shù)中心 山東 濟(jì)南250101）

基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的消防報(bào)警系統(tǒng)

李卿1，董淑敏2

（1.濟(jì)南市公安消防支隊(duì)防火處法制科 山東 濟(jì)南 250101；2.山東正晨科技股份有限公司企業(yè)技術(shù)中心 山東 濟(jì)南250101）

基于智能化的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)無可比擬的優(yōu)勢(shì)，介紹了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于消防報(bào)警系統(tǒng)中。采集節(jié)點(diǎn)通過傳感器全方位地對(duì)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行采集，并把采集到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行相應(yīng)的處理和傳送，然后通過采集節(jié)點(diǎn)和監(jiān)控平臺(tái)同時(shí)進(jìn)行預(yù)警。該系統(tǒng)成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于維護(hù)，在消防報(bào)警方面具有較高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值和發(fā)展前景。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；節(jié)點(diǎn)；消防；報(bào)警

近年來，隨著現(xiàn)代建筑的不斷大型化、高層化和集中化，相應(yīng)重點(diǎn)防火單位的數(shù)量也在不斷增長(zhǎng)。為保證人民的生命和財(cái)產(chǎn)安全，防火單位都希望能及早地發(fā)現(xiàn)火災(zāi)，并能進(jìn)行準(zhǔn)確報(bào)警，將火災(zāi)遏制在萌芽狀態(tài)，因此，對(duì)消防報(bào)警提出的要求也就越來越高。

現(xiàn)有的消防報(bào)警系統(tǒng)多采用有線方式，但該方式有布線復(fù)雜、維護(hù)困難及投資大等缺點(diǎn)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)則解決了有線系統(tǒng)存在的缺陷，本設(shè)計(jì)提出了一種基于無線和有線相結(jié)合的樓宇內(nèi)的消防報(bào)警系統(tǒng)。把傳感器采集節(jié)點(diǎn)分布在需要監(jiān)測(cè)環(huán)境參數(shù)的地方，進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集，即樓宇內(nèi)安裝的采集節(jié)點(diǎn)組成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，以無線的方式進(jìn)行通信，分布節(jié)點(diǎn)具有即插即用，成本小等優(yōu)點(diǎn)。而監(jiān)控平臺(tái)則通過以太網(wǎng)的方式和無線網(wǎng)絡(luò)的中心節(jié)點(diǎn) （接收節(jié)點(diǎn)）連接，來獲取采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)[1]。

1 系統(tǒng)總體方案

本著功耗低、造價(jià)低、性能可靠、效率高等一些基本原則，給出本系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。整個(gè)系統(tǒng)由監(jiān)控中心和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)組成，監(jiān)控中心通過以太網(wǎng)與傳感器網(wǎng)絡(luò)的中心節(jié)點(diǎn)通信，中心節(jié)點(diǎn)和其他節(jié)點(diǎn)采用無線方式進(jìn)行通信。如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

無線傳感器的中心節(jié)點(diǎn)和采集節(jié)點(diǎn)組成網(wǎng)絡(luò)[2]。中心節(jié)點(diǎn)通過以太網(wǎng)和上位機(jī)進(jìn)行通信，接收上位機(jī)發(fā)來的指令信息，再通過無線傳輸?shù)姆绞桨言撔畔l(fā)送給采集節(jié)點(diǎn)；采集節(jié)點(diǎn)被安裝在希望監(jiān)測(cè)溫度和煙霧的地方，該節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)進(jìn)行該處溫度和煙霧的采集和換算，如果溫度和煙霧值超閾值，采集節(jié)點(diǎn)發(fā)出聲光報(bào)警，提示該節(jié)點(diǎn)附近的人員有火災(zāi)發(fā)生，在中心節(jié)點(diǎn)通信命令后，把采集到的溫度和煙霧信息發(fā)送給中心節(jié)點(diǎn)。如發(fā)生火災(zāi)，監(jiān)控平臺(tái)同時(shí)發(fā)出報(bào)警，并顯示火災(zāi)發(fā)生的具體位置及時(shí)間，提醒工作人員進(jìn)行相應(yīng)的處理，引導(dǎo)火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)人員進(jìn)行疏散與撤離，及時(shí)采取滅火措施。提升了消防報(bào)警系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和預(yù)警能力，為人民生活和財(cái)產(chǎn)安全提供了非常有力的保障。

2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)集節(jié)點(diǎn)的硬件實(shí)現(xiàn)

2.1 采集節(jié)點(diǎn)的硬件實(shí)現(xiàn)

經(jīng)過綜合考慮分析，通信芯片選擇了TI公司生產(chǎn)的CC2530[3]。采集節(jié)點(diǎn)由CC2530主控芯片、電源管理模塊、復(fù)位電路、傳感器采集前端、聲光報(bào)警和CC2591功率放大電路組成。采集節(jié)點(diǎn)通過煙霧傳感器前端進(jìn)行煙霧信息的采集，溫度傳感器前端進(jìn)行溫度信息采集，并判斷是否發(fā)生火災(zāi)，若發(fā)生火災(zāi)則進(jìn)行聲光報(bào)警，并通過無線傳輸模塊把采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給中心節(jié)點(diǎn)。下面主要介紹一下傳感器采集前端、聲光報(bào)警電路和CC2591功率放大電路的實(shí)現(xiàn)方式。

2.1.1 傳感器采集前端

物質(zhì)在燃燒過程中會(huì)釋放出大量的熱，環(huán)境溫度也隨之升高。溫度傳感器選用數(shù)字溫度傳感器DHT21[4]，DHT21芯片傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。

物質(zhì)燃燒過程中不僅釋放熱量，還伴隨產(chǎn)生大量的煙霧。煙霧傳感器采用MQ-2氣體傳感器[5]，當(dāng)傳感器所處環(huán)境中存在可燃?xì)怏w時(shí)，空氣中可燃?xì)怏w的濃度的增加導(dǎo)致傳感器的電導(dǎo)率增大，使電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對(duì)應(yīng)的電壓輸出信號(hào)。該款傳感器成本低，并能適合多種應(yīng)用，可檢測(cè)多種可燃性氣體，對(duì)氫氣、液化氣和丙烷的靈敏度高，可準(zhǔn)確排出有刺激性非可燃性煙霧的干擾，對(duì)天然氣和其它可燃蒸汽的檢測(cè)效果也很好。

2.1.2 無線傳輸?shù)墓β史糯箅娐?/p>

只用CC2530芯片難以實(shí)現(xiàn)所要求的通信距離，為了增大通信距離，滿足更長(zhǎng)距離的通信，我們?cè)贑C2530的基礎(chǔ)上增加功率放大器CC2591，極大地改善了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的無線傳輸距離和通信性能。功率放大電路如圖2所示。

2.1.3 聲光報(bào)警模塊

在實(shí)際電路中采用了鳴音報(bào)警和閃光報(bào)警的結(jié)合使用，組成了聲光報(bào)警，其電路非常簡(jiǎn)單可靠，隨著發(fā)光二極管的閃爍蜂鳴器發(fā)出特定的響聲，二者同時(shí)作用于人的視覺和聽覺 器官，更加容易引起人們的注意。如果火災(zāi)一旦發(fā)生，可及時(shí)通知附近的人員撤離。聲光報(bào)警電路如圖3所示。

圖3 聲光報(bào)警電路

2.2 中心節(jié)點(diǎn)的硬件實(shí)現(xiàn)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)接收節(jié)點(diǎn)在發(fā)送節(jié)點(diǎn)的基礎(chǔ)上增加了以太網(wǎng)通信電路，接收節(jié)點(diǎn)不需要再測(cè)環(huán)境參數(shù)，所以去掉了傳感器采集前端。電源管理模塊、CC2530通信和CC2591功率放大的外圍電路和接收節(jié)點(diǎn)相同，這里主要介紹下以太網(wǎng)通信接口的設(shè)計(jì)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)接收節(jié)點(diǎn)不僅接收由上位機(jī)發(fā)來的地址指令，還將接收到的數(shù)據(jù)信息通過以太網(wǎng)上傳給上位機(jī)進(jìn)行顯示。芯片 CC2530和以太網(wǎng)控制器ENC28J60連接構(gòu)成以太網(wǎng)通信接口，把TCPIP協(xié)議棧移植到CC2530上，同時(shí)與ZigBee協(xié)議棧協(xié)同運(yùn)行。如圖4所示。

圖4 以太網(wǎng)通信接口電路

3 消防報(bào)警系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)程序設(shè)計(jì)

在網(wǎng)絡(luò)中，中心節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)并設(shè)置一些關(guān)鍵的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，通過以太網(wǎng)和PC連接，采集節(jié)點(diǎn)則加入網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行組網(wǎng)[6]。一般情況下我們采用下面的節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)過程：

1）節(jié)點(diǎn)上電初始化；

2）掃描信道，若找到已經(jīng)存在的網(wǎng)絡(luò)，跳至4）執(zhí)行；若沒找到網(wǎng)絡(luò)且本身具有協(xié)調(diào)器能力，則建立PAN網(wǎng)絡(luò)；

3）接收其他節(jié)點(diǎn)的入網(wǎng)請(qǐng)求；

4）加入PAN網(wǎng)絡(luò)。

具體流程如圖5所示。

圖5 節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)流程

3.2 CC2530無線通信程序設(shè)計(jì)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中心節(jié)點(diǎn)一方面通過以太網(wǎng)接收來自監(jiān)控平臺(tái)的指令信息，并把接收到的指令信息通過無線通信模塊發(fā)送給無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采集節(jié)點(diǎn)；另一方面還要接收所指定采集節(jié)點(diǎn)發(fā)來的溫度和煙霧信息，并將接收到的信息、上傳給監(jiān)控平臺(tái)進(jìn)行顯示。接收節(jié)點(diǎn)的工作流程圖如圖6所示。

圖6 接收節(jié)點(diǎn)的工作流程

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)所有采集節(jié)點(diǎn)一方面通過溫度傳感器和煙霧傳感器采集環(huán)境的溫度和煙霧濃度值，并通過RF模塊接收從中心節(jié)點(diǎn)發(fā)來的地址指令，所有采集節(jié)點(diǎn)判斷發(fā)來地址信息是否和本身已設(shè)置的地址一致，如果一致的話，就把采集到的溫度和煙霧值通過RF射頻模塊發(fā)射給中心節(jié)點(diǎn)；另一方面無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采集節(jié)點(diǎn)還設(shè)計(jì)了燈光報(bào)警，一旦采集節(jié)點(diǎn)附近發(fā)生火災(zāi)，則該節(jié)點(diǎn)發(fā)出聲光報(bào)警功能，提示附近的人員撤離。采集節(jié)點(diǎn)的工作流程圖如圖7所示。

圖7 采集節(jié)點(diǎn)的工作流程

4結(jié) 論

結(jié)合當(dāng)前發(fā)展比較快的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，對(duì)基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的消防報(bào)警系統(tǒng)進(jìn)行了研究和設(shè)計(jì)。根據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的星型結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的中心節(jié)點(diǎn)和用于采集環(huán)境參數(shù)的采集節(jié)點(diǎn)。這些節(jié)點(diǎn)采用智能化程度高，且配備有RF射頻模塊，節(jié)點(diǎn)之間通過RF模塊進(jìn)行通信。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采集節(jié)點(diǎn)通過溫度傳感器和煙霧傳感器采集周圍環(huán)境中溫度和煙霧信息，計(jì)算分析是否有火災(zāi)發(fā)生，如果發(fā)生火災(zāi)則進(jìn)行聲光報(bào)警，并用RF射頻模塊把采集到的信息發(fā)送給中心節(jié)點(diǎn)，中心節(jié)點(diǎn)通過以太網(wǎng)的方式上傳給上位機(jī)監(jiān)控平臺(tái)進(jìn)行顯示，如果有火災(zāi)發(fā)生則進(jìn)行報(bào)警提示，準(zhǔn)確顯示火災(zāi)具體發(fā)生的地點(diǎn)和時(shí)間，提醒工作人員及時(shí)疏散人群，采取滅火措施。提升了消防報(bào)警系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和預(yù)警能力，為人民生命和財(cái)產(chǎn)安全提供了非常有力的保障。

[1]鄭君剛，吳成東，張?jiān)浦?，?基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)建筑火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)[C].2009中國(guó)自動(dòng)化大會(huì)暨兩化融合高峰會(huì)議，2009:11-13.

[2]晏均，周群彪，謝曉陽(yáng).基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的室內(nèi)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)[J].中國(guó)民航飛行學(xué)院學(xué)報(bào)，2009（2）:45-48.

[3]章偉聰，俞新武，李忠成.基于CC2530及ZigBee協(xié)議棧設(shè)計(jì)無線網(wǎng)絡(luò)傳感器節(jié)點(diǎn)[J].計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用，2011（7）:184-187.

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[5]費(fèi)紅波，吉錘.可燃?xì)怏w報(bào)警器及其檢測(cè)標(biāo)定系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[C].江蘇省計(jì)量測(cè)試學(xué)術(shù)論文集（2010）2010.

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The fire alarm system based on wireless sensor network

LI Qing1，DONG Shu-min2
（1.Jinan Pubic Security Fire Datachment Fire Fighting Department Legal Section，Jinan 250101，China；2.Enterprise Technology Center of Shandong Zhengchen Technology Company co.，Ltd，Jinan 250101，China）

This article is based on intelligent Wireless Sensor Network（WSN）incomparable advantage，the paper introduces the technology of Wireless Sensor Network（WSN）which is applied to fire alarm system.Acquisition nodes collect the parameters of the environment in all aspects，and calculate and transmit the data collected，and then through acquisition nodes and monitoring platform simultaneously early warning.The system is low cost，simple structure，easy to maintain，in the aspect of fire alarm has higher practical application value and prospect.

wireless sensor network；node；fire control；early warning

TN91

A

1674－6236（2016）18-0119-04

2015-10-09 稿件編號(hào)：201510041

濟(jì)南市2015年公共技術(shù)支撐平臺(tái)建設(shè)支持計(jì)劃（201502094）

李 卿（1982—），男，山東濟(jì)南人，碩士，工程師。研究方向：消防監(jiān)督。