基于无线传感器网络的城市火灾报警系统的设计

刘建林，戴瑜兴

(1.湖南机电职业技术学院电气工程系，中国 长沙 410151; 2.湖南大学电气与信息工程学院，中国 长沙 410082)

目前，随着人们安全意识的加强，我国大多数城市中的一些用于预防火灾事故发生的一些独立的火灾报警系统已经基本达到了普及和完善，这些独立的设备在火灾预警和防火救灾工作了中起到了很大的作用．但是，在使用中，也不可避免的暴漏出了一些问题．

在我国，传统的城市火灾报警系统一般是采用公共电话网络来实现通信过程，监控器通过Modem发送和接受信号，从一定程度上来说，这种方式成本较低，可靠性较高，但是，依靠公共电话网络可能出现影响正常通话的情况，而另外布线又极大的增加了成本和工作量，而且，这种有线连接的公共电话网也容易受到各种外界因素的影响．

首先，独立式的火灾报警系统相关的信息处理过程需要经过人的参与，容易因为人员的失误而造成损失．其次，这种独立的系统的作用范围仅仅是很小的一块区域，不能满足规模较大的建筑物或者是较多的保护对象，第三，这种设备本身需要较好的维护，而一些单位管理人员消防意识淡薄，加上这些设备本身质量参差不齐，导致很多设备损坏，在关键时刻不能起到很好的预防作用，因此，在一定程度上，开发出基于网络的城市火灾报警系统已是势在必然．

无线传感器网络是近年来发展起来的新兴网络，它一般由微小的传感器组成，具有很强的感应能力和信息处理能力．广泛的应用于军事、医疗、空间探索和各种商业应用，在这种条件下，利用无线传感器网络进行城市火灾报警系统的研究和开发具有很强的优势[1]．

1 系统整体架构

无线传感器网络系统总体上由无线传感器网络系统和计算机上层管理的软件组成，对于无线传感器网络，采用了若干个基站构成星形网络，通过烟雾传感器来采集周围环境信息，经过一定的信息处理以后将数据发送出去，计算机充当服务器，通过传感器网络接受相关信息进行处理，对于传感器网络中不同节点的识别，通过软件定义一定的数据帧，识别出不同的节点，并通过存储在服务器上的数据记录确定出相应节点的对应位置．

根据无线传感器网络的结构特点，基于无线传感器网络的城市火灾报警系统主要由三个部分组成，包括数据采集系统、数据存储系统和数据分析系统．其中数据采集系统由很多传感器节点组成，主要作用是采集城市现场的信息，数据存储系统由服务器和通信程序组成，它可以接收并存储城市的火灾报警历史信息，为以后的火灾报警信息提供一定的依据[2-3]．数据分析系统的主要作用是对接收的信息以及数据存储器中的信息进行分析，从而实时分析出城市当前的安全状况，对可能或者是已经发生火灾的地点进行报警提示，并且，提供一定的人机接口，便于操作人员进行参数观察和设置．整个系统的结构框图如图1所示.

图1 系统结构框图

2 系统硬件的设计

图2 传感器节点功能模型

无线传感器网络的特点是以数据为中心，面向应用，对于传感器数据采集节点的位置分布，主要取决于检测的分布和被检测环境的状况等[4]．因此，本文对城市火灾报警系统的传感器节点进行了重点设计，设计的系统传感器节点的功能模型如图2所示.

从功能上来分，传感器节点主要由传感器模块、处理模块、无线通信模块和电源管理模块4个部分组成，系统中，电源模块复杂整个无线传感器节点的能量供应，以及电压的转换等等．处理模块包含调理电路和A/D转换电路两个部分，它的作用是将传感器采集到的信号进行信号调理并转换成适合无线网络传输的信号模式，然后将信号发送到系统中的无线传输部分，由无线控制芯片以及相应的射频电路进行发送和接受通信．传感器主要是对环境中的烟雾量进行检测，采用烟雾传感器MC145010，该芯片内部有增益可编程的光信号放大电路，烟雾比较器、蜂鸣信号控制及驱动器电路，使用该芯片时，外部电路需配有红外发射二极管、红外接收二极管和光电室．利用它的自检模式，可以通过模拟烟雾条件，从而定期检查系统的功能，在一定程度上保证了系统的可靠性．本系统中烟雾传感器MC145010的连线图如图3所示.

图3 烟雾传感器MC145010的连线图

该系统采用9 V电池供电，在芯片的一脚C1和二脚C2分别接入一个电容，可以用来调节光信号放大的增益，从而，通过改变这两个电容的大小，调节烟雾传感器的灵敏度，防止传感器灵敏度过高造成误报警，或者是灵敏度过低造成的不报警．图3中，由一个按钮PUSHBUTTON将芯片的TEST脚与系统的高电平端相连，当按下该按钮时，将TEST脚接入高电平，经过一个时钟周期后，通过芯片的1脚的电容C1，使光信号放大器的增益提高，在此情况下，系统将烟雾室中的反射光误认为是火灾烟雾造成了散射光，从而模拟烟雾发生时的情况，测试系统的工作情况，系统报警情况测试正常后，释放按钮PUSHBUTTON，TEST脚恢复成为低电平的形式，系统的灵敏度增益也就相应的恢复成为正常情况，经过大约1 s的时间后，系统退出报警模式．该模式适用于系统调试和定期检查的情况下．在很大程度上保证了系统的可靠性．

无线通信模块复杂信号的无线传输，当前比较流行的无线传输技术包括：蓝牙技术、Wi-Fi技术、UWB技术、ZigBee技术、红外技术和GPRS技术等．从本系统的特点以及成本、可靠性等各个方面综合考虑，本系统设计过程中采用ZigBee技术作为系统无线传输的方案．ZigBee信道信息表如表1所示.

表1 ZigBee信道信息表

其中2.4 GHz的频段，由于传输速率高，覆盖范围广，得到了很广泛的应用，本系统采用ZigBee2.4 GHz的ISM频段进行设计．

从系统的可靠性和开发的方便性方面考虑，无线收发的控制芯片选用CC2430芯片，它具有21个可编程的输入输出口，通过内部寄存器的设置，可以实现引脚功能的选择，而且，芯片上有内置的无线收发机，具有很好的抗干扰能力；它的低功耗的休眠功能可以满足本系统电池供电的需求；内置14位的AD转换功能，使用51内核，外部电路比较简单，方便开发设计，可以很好的满足本系统的开发和使用需求．

图4 系统锂电池供电与充电电路结构图

电源电路的设计好坏是影响系统工作可靠性的重要因素，本系统供电采用锂电池，它具有电压高、能量密度高、放电曲线平缓、可以反复使用等种种优点，因此，设计方案中采用了1 200 mAh的锂电池供电，并且，相应的对锂电池的放电和充电电路进行了设计．锂电池的充电电路采用MAX1555芯片，可以利用通用的USB口进行充电，电源的充电和供电电路结构图如图4所示.

3 系统软件部分设计实现

系统的软件设计也是系统正常可靠工作的重要部分，目前对于软件开发有很多的开发平台，相应的开发语言也有很多种．从系统的开发周期和可读性方面考虑，本系统的开发语言采用C语言，C语言是一种机构化的程序设计语言，具有很好的程序架构，而且，C语言作为一种较底层的语言，具有效率高的优点，具有汇编语言的大部分的功能，而且便于改进和扩充，适合编写规模较大，结构较复杂的系统软件．而对于软件开发平台，采用AVR Studio集成开发环境．该开发环境能够实现代码的运行仿真和下载编程功能，但是，没有集成C语言编译器，因此，本系统开发时使用AVR-GCC 3.4.3编译器进行开发编译，而采用AVR Studio进行下载和仿真运行．本系统无线传感器节点的软件部分主要由以下4个模块组成：

(1)数据采集模块，该模块控制传感器完成数据采集和AD转换等部分，然后，对采集到是数据进行初步的校正．

图5 终端子系统程序流程图

(2)数据预处理模块，它对采集到的信号进行初步的处理过程，以减少数据传输过程中的数据量，保证通信过程的畅通．

(3)数据收发模块，该模块控制无线通信模块的接受和发送，并负责数据的打包和解包过程，进行下一步的处理．

(4)电源管理模块，由于该系统使用锂电池供电，为保证系统的工作时间，系统的节能和低功耗设计也是很重要的一个内容，该模块主要控制系统的休眠状态，当没有数据传输等内容时，控制系统进入休眠，并在适当的时刻唤醒休眠，保证系统的正常工作状态．

该网络的终端系统用于采集环境数据，并经过一定的数据处理后进行无线发送的过程，终端硬件系统加电后，首先对系统状态进行检测和初始化，并进行自检过程，自检成功后进入正常检测过程，否则，报警并将错误状态发送到服务器[5]．终端系统的软件流程图如图5所示.

另外，除了系统节点软件控制部分的设计外，该系统的软件设计还包含上位机主控制器的软件部分，包括数据的分析和报表生成，以及节点的拓扑和数据分析，以及相应的错误报警等各个部分的功能，在此不再赘述．

4 结语

随着城市现代化的进一步发展，对城市消防的要求也步入了一个新的高度，在此情况下，开发更加合理高效的城市火灾报警系统具有很重要的现实意义，本文对基于无线传感器网络的城市火灾报警系统进行了一定的研究和设计．

参考文献：

[1] 吕卫斌．多种网络通信技术在火灾自动报警系统中的应用[J]．消防技术与产品信息，2007(1)：36-39．

[2] 韩立峰．无线传感器网络技术[J]．技术前沿，2005(4)：15-17.

[3] 谢 贫．基于无线传感器网络的设备信息监测集成系统[J]．制造业自动化，2008，30(8)：69-73.

[4] 王进贤，王 泉，王 平，等．一种无线烟雾传感器节点的设计与实现[J]．技术探讨，2008增刊：132-135.

[5] 郑 涛，夏东海，张 婷． 信心融合下多模式城市火灾报警地址智能识别[J]．产品开发与应用，2007(8):59-61．