錢 蕾

（江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院南京分院，江蘇 南京 210019）

一、引言

火災(zāi)事故是日常生活和生產(chǎn)中最常見的事故類型。傳統(tǒng)的單傳感器火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)僅采集一種火災(zāi)特征參數(shù)，受環(huán)境的干擾影響較大，不能保證報(bào)警的正確率。傳統(tǒng)的火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)只能預(yù)先設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，不能改變，施工復(fù)雜，硬件故障率高。輸電線路不防火，難以安排在古建筑和危險(xiǎn)品檢查等特殊場(chǎng)合。本文提出了一種基于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和多傳感器數(shù)據(jù)融合的火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[1][2]。

二、系統(tǒng)總體方案

發(fā)生火災(zāi)時(shí)，常常伴隨著大量的煙霧和火焰，溫度會(huì)隨著明火迅速升高。對(duì)于火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)來說，有必要選擇火災(zāi)期間參數(shù)變化較大的傳感器類型。因此，該系統(tǒng)使用煙霧傳感器，溫度傳感器，火焰?zhèn)鞲衅骱虲O傳感器的組合。這些傳感器集成到采用Zigbee技術(shù)設(shè)計(jì)的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)中，以監(jiān)控火災(zāi)信息。其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示[3]。

圖1 無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖

三、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

（一）煙霧傳感器設(shè)計(jì)

火災(zāi)發(fā)生時(shí)會(huì)伴隨著大量的煙霧，本系統(tǒng)選用的是一款常用的煙霧傳感器MQ-2，MQ-2傳感器的電路設(shè)計(jì)如圖2所示?；芈冯妷汉图訜犭妷壕鶠? V，MQ-2傳感器的1，2和5引腳連接至+5 V。6管腳連接一個(gè)電阻接地，3和4管腳連接 CC2530的P0.1管腳。

（二）火焰?zhèn)鞲衅髟O(shè)計(jì)

火災(zāi)發(fā)生時(shí)常常伴隨明火，本系統(tǒng)選用了一款火焰?zhèn)鞲衅鱽聿杉骰甬a(chǎn)生時(shí)輻射的紅外波，電路圖如圖3所示。

圖2 煙霧傳感器電路設(shè)計(jì)圖

圖3 火焰?zhèn)鞲衅麟娐吩O(shè)計(jì)圖

此火焰?zhèn)鞲衅鬏敵龆诉B接電壓比較芯片LM393的3號(hào)管腳，此電路的輸出端被設(shè)計(jì)成模擬信號(hào)、數(shù)字信號(hào)雙輸出的形式，當(dāng)檢測(cè)區(qū)域沒有火焰時(shí)，傳感器的電阻非常大，模擬信號(hào)端和數(shù)字信號(hào)端都輸出低電平；當(dāng)檢測(cè)區(qū)域檢測(cè)到存在火焰時(shí)，電路電流逐漸增加，并且模擬輸出端的電壓逐漸變高。數(shù)字輸出端輸出高電平，LED指示燈D10亮起表示檢測(cè)到火焰[4]。

（三）氣體傳感器設(shè)計(jì)

火災(zāi)發(fā)生時(shí)，燃燒初期會(huì)產(chǎn)生大量的CO氣體，本系統(tǒng)選用的是 MQ-7氣體傳感器，CO氣體傳感器MQ-7在工作時(shí)需要在5 V和1.5 V之間交替；利用繼電器給MQ-7供電，電路圖如圖4所示。

圖4 氣體傳感器電路設(shè)計(jì)圖

（四）溫度傳感器設(shè)計(jì)

DS18B20溫度傳感器是一種單總線數(shù)字式溫度傳感器，只需一個(gè)接口即可實(shí)現(xiàn)與CC2530進(jìn)行通信，電路簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)，體積小。在實(shí)際應(yīng)用中，不需要再接多余的外部元件來實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量。數(shù)字溫度計(jì)的分辨率可以從9到12位中選擇。電路圖如圖5所示。

（五）CC2530主芯片電路模塊

CC2530是德州儀器（TI）公司開發(fā)的面向2.4GHz無(wú)線頻段 IEEE802.15.4、Zigbee和 RF4CE應(yīng)用的片上系統(tǒng)（SoC）解決方案，基于ZigBee協(xié)議，TI開發(fā)了業(yè)界領(lǐng)先的ZigBee協(xié)議棧Z-Stack。ZStack為CC2530提供了一個(gè)強(qiáng)大而完整的ZigBee解決方案，圖6為CC2530最小系統(tǒng)原理圖，在電路設(shè)計(jì)中可以參考[5]。

圖5 溫度傳感器電路設(shè)計(jì)圖

圖6 CC2530最小系統(tǒng)電路圖

四、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

（一）無(wú)線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議是基于ZigBee協(xié)議，具體來說是使用的Z-Stack協(xié)議棧。ZStack協(xié)議棧的運(yùn)行流程圖如圖7所示。

圖7 Z-Stack系統(tǒng)運(yùn)行流程

系統(tǒng)得電，各層初始化，初始化完成以后。如果多個(gè)事件在同一時(shí)刻發(fā)生，則首先根據(jù)事件的優(yōu)先級(jí)執(zhí)行具有高優(yōu)先級(jí)的事件。當(dāng)所有事件都已完成執(zhí)行時(shí)，系統(tǒng)開始進(jìn)入低功耗模式，等待下一個(gè)事件發(fā)生。

（二）協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

ZigBee協(xié)調(diào)器模塊主要功能是負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的組建與維護(hù)。初始化完成后，建立網(wǎng)絡(luò)，并將網(wǎng)絡(luò)地址分配給終端節(jié)點(diǎn)使其加入網(wǎng)絡(luò)并維護(hù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹＿M(jìn)入OSAL系統(tǒng)輪詢以檢測(cè)是否存在無(wú)線收發(fā)器事件和串行端口收發(fā)器事件。協(xié)調(diào)器在進(jìn)入OSAL系統(tǒng)后的工作流程如圖8所示。

圖8 協(xié)調(diào)器工作流程圖

（三）終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

無(wú)線終端模塊工作流程如圖9所示，終端節(jié)點(diǎn)上有各種傳感器，傳感器收集數(shù)據(jù)后，會(huì)周期性的通過無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送到ZigBee協(xié)調(diào)器模塊。然后解析數(shù)據(jù)包并執(zhí)行相應(yīng)的操作指令。

煙霧，氣體，火焰和溫度傳感器集成在無(wú)線傳感器終端節(jié)點(diǎn)上，終端節(jié)點(diǎn)接收協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的命令。終端模塊上電后，各種傳感器初始化并正常工作，并且通過取樣處理將傳感器數(shù)據(jù)按照一定的數(shù)據(jù)幀發(fā)送到協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)。傳感器節(jié)點(diǎn)主程序流程圖如圖10所示。

圖9 ZigBee終端節(jié)點(diǎn)工作流程

圖10 傳感器節(jié)點(diǎn)主程序流程圖

（四）傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

1.煙霧傳感器軟件設(shè)計(jì)

MQ-2的輸出是模擬信號(hào)，需進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，本系統(tǒng)利用CC2530內(nèi)部集成的A/D轉(zhuǎn)換。監(jiān)測(cè)區(qū)域的煙霧濃度不同，MQ-2自身的電阻值會(huì)發(fā)生改變，煙霧傳感器的電阻記錄為R并且煙霧濃度記錄為C時(shí)，則存在以下關(guān)系：

根據(jù)制造商提供的靈敏度曲線，我們可以隨機(jī)選擇兩組電阻和濃度數(shù)據(jù)，然后計(jì)算m和n的兩個(gè)常數(shù)。根據(jù)負(fù)載電壓與傳感器的體電阻之間的關(guān)系，可以獲得輸出電壓與傳感器濃度之間的關(guān)系。圖11是制造商給出的傳感器靈敏度特性圖。

圖11 傳感器靈敏度特性圖

2.火焰?zhèn)鞲衅鬈浖O(shè)計(jì)

根據(jù)圖3可知，監(jiān)測(cè)火焰?zhèn)鞲衅鲬?yīng)用電路輸出電平的高低，來表示是否存在火焰的，高電平則表示發(fā)生火災(zāi)，在進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)時(shí)可以通過處理器采樣進(jìn)行處理。

3.氣體傳感器軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)使用MQ-7氣體傳感器，CO氣體傳感器MQ-7需要在5 V和1.5 V之間交替得電。高電壓持續(xù)時(shí)間為60s，低電壓持續(xù)時(shí)間為90s，通過處理器的一個(gè)IO口定時(shí)控制繼電器，實(shí)現(xiàn)了MQ-7電源電壓的選擇，其他軟件設(shè)計(jì)與MQ-2類似。

4.溫度傳感器軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)使用數(shù)字溫度傳感器DS18B20，它連接到CC2530的P1.7端口，DS18B20的工作流程如圖12所示。

圖12 DS18B20的工作流程圖

5.多傳感器數(shù)據(jù)融合

多傳感器數(shù)據(jù)融合綜合利用終端節(jié)點(diǎn)采集的氣體，火焰，溫度和煙霧，判斷火災(zāi)及其狀態(tài)是否已經(jīng)發(fā)生，有利于提高火災(zāi)探測(cè)性能。系統(tǒng)采用并行分布式數(shù)據(jù)融合結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖13所示。

圖13 火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)的信息融合結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)使用溫度、CO、火焰和煙霧多傳感器進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測(cè)，傳感器采集到的數(shù)據(jù)通過ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸，得到的數(shù)據(jù)先進(jìn)入信息層，由局部決策器送入特征層，得到一個(gè)相應(yīng)的火災(zāi)經(jīng)驗(yàn)特征概率P1；同時(shí)進(jìn)入具有趨勢(shì)反饋的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)特征器，得到信號(hào)的數(shù)據(jù)擬合特征概率P2。將P1和P2發(fā)送到?jīng)Q策層以進(jìn)一步整合，最后獲得火災(zāi)概率，然后確定火災(zāi)是否發(fā)生[6]。

五、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

系統(tǒng)測(cè)試在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中進(jìn)行，兩個(gè)檢測(cè)終端設(shè)備連接到同一系統(tǒng)，以監(jiān)測(cè)兩個(gè)區(qū)域的溫度，煙霧濃度，氣體濃度和火焰的變化。當(dāng)設(shè)備連接到系統(tǒng)時(shí)，設(shè)備開始正常工作，數(shù)據(jù)每2秒左右更新一次。當(dāng)我們?nèi)藶榈馗淖儥z測(cè)終端中的環(huán)境因素時(shí)，例如：通過升高溫度或煙霧濃度或氣體濃度或模擬火焰，主機(jī)在很短的時(shí)間內(nèi)開始報(bào)警并提示相應(yīng)的探頭異常。

六、結(jié)語(yǔ)

本文研究了一種基于WSN的多傳感器數(shù)據(jù)融合火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過各種傳感器的數(shù)據(jù)融合，結(jié)合ZigBee技術(shù)，可以準(zhǔn)確可靠地監(jiān)控和報(bào)警火災(zāi)?？朔藗鹘y(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)布線不方便，單傳感器監(jiān)控精度不高，穩(wěn)定性差的問題，具有廣闊的應(yīng)用前景。