施志榮

(漳州職業(yè)技術(shù)學院電子工程學院，福建漳州 363000)

隨著城市化的快速發(fā)展，高層建筑火災的發(fā)生率越來越高，火災造成的損失也越來越嚴重。傳統(tǒng)的火災報警系統(tǒng)耗材多、布線復雜、線路易老化、維護及改造困難，已不能滿足現(xiàn)代消防的要求[1]。

本文用MQ-2傳感器、DS18B20傳感器作為火災探測器，并結(jié)合RSSI測距技術(shù)設(shè)計了一種基于CC2530的分布式火災報警與定位系統(tǒng)，使控制中心或消防部門能夠及時獲知火災發(fā)生的精確位置，從而高效地指導火災救援工作。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

無線火災定位報警系統(tǒng)主要由上位機和下位機兩部分組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。上位機是由LabView平臺開發(fā)的監(jiān)控軟件的用戶電腦。通過對傳感器節(jié)點采集到的火警信號進行處理、記錄和顯示，根據(jù)相應的理論模型進行定位計算，上位機能讓用戶實時了解監(jiān)控現(xiàn)場的實際情況和火災發(fā)生的具體位置并作出快速反應；下位機由ZigBee協(xié)調(diào)器、路由器和終端節(jié)點組成。協(xié)調(diào)器是分布式處理的中心。ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，只有協(xié)調(diào)器才能建立一個新的網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)建成以后，協(xié)調(diào)器就相當于路由器[2]。路由器主要負責無線網(wǎng)絡(luò)的互連，實現(xiàn)不同終端節(jié)點之間的無線通信。終端節(jié)點裝有MQ-2傳感器、DS18B20傳感器作為火災探測器，并放置于敏感的探測位置。每個探測器把檢測到的火警信號傳給協(xié)調(diào)器，最后由協(xié)調(diào)器通過串口上傳給上位機進行定位計算和報警處理。

2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建

2.1 系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

計算機網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是指網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中各個主要計算機節(jié)點的連接形式，反映了計算機節(jié)點連接的幾何形狀。無線通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)主要分為三種：網(wǎng)狀型、星型、樹狀型。不同的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)擁有不同的特點。網(wǎng)狀型可靠性高，容易擴展，但結(jié)構(gòu)復雜；星型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，容易實現(xiàn)，但節(jié)點之間的數(shù)據(jù)路由只有唯一的一個路徑，只適合距離相對較近的應用；樹狀型傳輸高效、維護方便，適合一些遠距離的應用。根據(jù)實際情況，火災報警系統(tǒng)采用樹狀型結(jié)構(gòu)組建整個通信網(wǎng)絡(luò)。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的地址分配機制

在無線火災定位報警系統(tǒng)中，ZigBee協(xié)調(diào)器組網(wǎng)以后使用的地址是0x0000。終端節(jié)點通過協(xié)調(diào)器加入網(wǎng)絡(luò)時，路由器會為其分配16位的網(wǎng)絡(luò)地址。路由器子設(shè)備之間的地址間隔可以根據(jù)公式(1)求得。

(1)

其中，Lm表示網(wǎng)絡(luò)的最大深度，e表示父節(jié)點的深度，Cm表示父節(jié)點擁有的子節(jié)點最大數(shù)目，Rm表示父節(jié)點擁有的子節(jié)點的路由器的最大數(shù)目，Cskip(e)表示父節(jié)點所分配的路由器子設(shè)備之間的地址間隔。

根據(jù)公式(2)可以很容易地計算出網(wǎng)絡(luò)中各個設(shè)備的節(jié)點地址[2]。

(2)

其中，Aparent表示父節(jié)點的地址，Ar表示父節(jié)點分配的第r個路由器地址，Az表示第z個終端設(shè)備的地址。

2.3 火災探測器的選擇

在設(shè)計消防報警系統(tǒng)時，合理選用火災探測器非常重要。探測器的選擇是否正確，決定系統(tǒng)能否長期穩(wěn)定運行。應根據(jù)火災監(jiān)控區(qū)域的實際情況綜合考慮后選擇適合的火災探測器。

2.3.1 MQ-2煙霧探測器

大部分的火災在其形成的早期會產(chǎn)生大量的煙霧。通過感煙探測器，消防報警系統(tǒng)能夠在火災形成的早期及時報警，這對消防部門進行火災救援工作意義重大。MQ-2煙霧探測器是一款靈敏度高、成本低、適用于多種場合的煙霧探測器。為了使火災報警系統(tǒng)能夠及時發(fā)現(xiàn)火情，系統(tǒng)選用MQ-2作為火災報警的感煙探測器。

2.3.2 DS18B20感溫探測器

在火災形成的早、中期，使用感溫傳感器作為探測器進行報警非常有效。DS18B20是美國DALLAS公司生產(chǎn)的一款數(shù)字式溫度傳感器，適合測量惡劣環(huán)境中的溫度。由于使用了CMOS技術(shù)，DS18B20體積小、使用方便、消耗電能小，并且在待機狀態(tài)時功耗基本為零，較大地提高了系統(tǒng)的抗干擾性?；谌绱硕鄡?yōu)點，本系統(tǒng)采用DS18B20作為火災報警的感溫探測器。

3 基于RSSI測距的火源定位

3.1 RSSI的測距原理

ZigBee無線通信過程中，隨著傳輸距離的增大，無線信號的強度呈指數(shù)規(guī)律衰減。根據(jù)接收方接收到的信號強度，結(jié)合已知的固定節(jié)點發(fā)射信號的強度進行傳播損耗計算，最后求得未知節(jié)點和固定節(jié)點之間的距離，這就是RSSI技術(shù)的基本原理[3-7]。

固定節(jié)點的發(fā)射功率與未知節(jié)點的接收功率之間的函數(shù)關(guān)系可以用公式(3)表示。

(3)

其中，PR表示接收功率，PT表示發(fā)射功率，n表示信號衰減常數(shù)，其值與環(huán)境有關(guān)；d表示接收端與發(fā)送端的距離。兩邊取對數(shù)，可得：

(4)

如果PT已知，則RSSI與被測距離d的數(shù)學關(guān)系為：

RSSI=10lgPR=A-10n×lgd.

(5)

其中，A表示信號傳播單位距離時接收到的信號強度。

由公式(5)可知，接收信號的強度指示RSSI與節(jié)點間的距離d的關(guān)系由常數(shù)A和n共同決定。根據(jù)實際測量可知，當被測節(jié)點離地高度大于2 m時，RSSI與被測距離d的關(guān)系受天線角度的影響最小。因此，將被測節(jié)點都放在距離地面大約2.5 m的地方，測得RSSI值與對應距離d數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 距離-RSSI值測量數(shù)據(jù)

運用最小二乘法對數(shù)據(jù)進行擬合后得到RSSI值與距離d的關(guān)系：

RSSI=A-10n×lgd=-28.0061-10×1.98004×lgd.

(6)

擬合多項式誤差平方和為4.3638，擬合曲線如圖2所示。

圖2 RSSI值與距離d的擬合曲線

由圖2可知，得到的擬合曲線和實測數(shù)據(jù)點基本一致，因此可以用公式(6)去近似RSSI與距離的實際函數(shù)關(guān)系。

3.2 基于固定節(jié)點的距離修正

RSSI測距精度依賴于信號的強度和信道的傳播特性。在實際應用中，往往會因多徑效應、繞射、障礙物等不確定因素而產(chǎn)生較大的測距誤差。為了減小測距誤差，本文利用固定節(jié)點間距離的校正模型對測量數(shù)據(jù)進行修正。

假設(shè)Pα為被測節(jié)點α接收到已知節(jié)點β信號強度值，Pγ為已知節(jié)點γ接收到已知節(jié)點β信號強度值。根據(jù)公式(3)可以得到：

(7)

求解可得基于固定節(jié)點的測距修正公式：

(8)

其中，dα表示α和β間的距離，dγ表示γ和β間的距離，Pβ表示節(jié)點β的發(fā)射功率。

3.3 未知節(jié)點的坐標計算

選擇三個信號強度最強的已知節(jié)點，采用三邊測量法計算出未知節(jié)點位置的坐標值[8-11]。假設(shè)A、B、C的位置已知，坐標值分別為(xa,ya)、(xb,yb)、(xc,yc)；節(jié)點D的位置未知，坐標值設(shè)為(x,y)，與點A、B、C的距離分別為da、db、dc。根據(jù)兩點的距離公式，式(9)成立。

(9)

一般情況下，可以求解出：

(10)

4 實驗及結(jié)果分析

在7 m×4 m的房間內(nèi)，通過參考節(jié)點對未知節(jié)點進行定位實驗。根據(jù)式(6)(8)可以得到修正前、后的測距值，如表2所示。

實驗結(jié)果表明，實際的RSSI測距往往會產(chǎn)生很大的誤差。選擇合適的固定節(jié)點進行距離修正，求解得出的修正距離接近于被測距離，誤差小，能夠比較精確地計算出被測節(jié)點的位置。從表2可知，在7 m的被測范圍內(nèi)，由修正后的測距值計算得到的未知節(jié)點的坐標更加接近于實際坐標，誤差基本上可以控制在1.5 m范圍內(nèi)，效果理想。

表2 修正前、后的測量距離

5 結(jié)語

火災定位報警系統(tǒng)采用多傳感器對火災信息進行探測，解決了傳統(tǒng)消防報警系統(tǒng)布線復雜、靈活性差、靈敏度不夠、可靠性不高的難題。同時，系統(tǒng)還利用RSSI測距技術(shù)增加了火源點的定位功能。當監(jiān)控區(qū)域發(fā)生火災時，計算機能夠及時報警，并顯示火源點的位置，從而指導相關(guān)部門高效地進行火災救援工作。總之，無線火災定位報警系統(tǒng)成本低、安裝方便、靈敏度高、可靠性高，是應用前景廣闊的消防報警系統(tǒng)。