基于MSP430内核的古建筑无线火灾监测系统的研究

杨洪艳

【摘要】 传统的古建筑火灾监测体系存在许多弊端，结合无线传感器网络技术，本文提出了一种基于MSP430内核的古建筑无线火灾监测系统。针对古建筑的建筑特点和环境参数需求，设计了适合古建筑火灾监测的传感节点，能够实时监测古建筑的温度，湿度，烟雾浓度等参数。同时给出了适合古建筑火灾监测的路由策略。

【关键词】 古建筑 无线传感器网络 火灾监测

一、基于无线传感器网络的古建筑火灾监测传感节点硬件设计

无线传感器节点由传感器模块、数据处理模块、无线通信模块和电源管理模块四部分组成。

1.1处理器设计

处理器选择了TI公司的MCU-MSP430，它是一种超低功耗的PSOC（Programmable System On Chip）微控制器。电压可以在1.8～3.6V，最低耗电电流可达0.1μA，多种频率时钟源可以使系统灵活的实现最低的功率消耗。MSP430具有强大的处理能力，为16位RISC结构，具有丰富的寻址方式和大量的模拟接口，众多的寄存器和片内数据存储器可提高处理速度，编制出高效率的源程序，降低了功耗。

1.2射频模块设计

本文射频模块选用nRF905单片无线芯片，它工作在433/868/915MHz的ISM频段。具有多通道工作，通道切换时间<650μs。功耗较低，且输出功率可调至10dBm。具有“传输前监测”的载波检测协议，可有效预防碰撞。其最大数据传输率为100（曼彻斯特编码）kbps，典型灵敏度-100dBm。POWERDOWN模式时，工作电流仅2.5 mA。

1.3传感器设计

本文主要面向古建筑火灾监测这一应用环境，主要使用的传感器模块包含温湿度和烟雾浓度传感器。

1.3.1温湿度传感器模块

温湿度传感器选用SHT10实现室内温湿度采集，分别产生相对湿度或温度的信号，经放大后分别送至14位A/D进行模数转换，并经校准和纠错，最后通过二线串行接口将相对湿度或温度的数据送至微控器。SHT10的温度精度为±0. 5℃，湿度精度为±4.5%RH，可以满足室内温湿度采集的需求[3]。

1.3.2烟雾浓度传感器模块

光电型烟雾探测模块是通过一对红外线发射和接收二极管实现的。火灾发生时，有烟雾颗粒进入光学探测室，使红外光线发生散射，接收二极管收到散射光线，产生电流信号，经过放大后送给MSP430經过AD转换后进行相关处理。

二、古建筑无线火灾监测系统的路由策略

路由协议的主要任务是在传感器节点和协调节点间建立路由，可靠地传递数据。针对火灾发生的突发性的特点，可以借鉴典型的事件触发路由协议TEEN协议。

具体组网过程如下：

每个传感节点选择[0 ， 1]之间的一个随机数，如果选定的值小于T（n），则该节点向周围节点广播自己成为簇头的消息，网络中的非簇头节点根据接收信号的强度决定加入哪个簇，并通知相关簇头。T（n）的计算公式为：

其中，p是簇头占所有节点的百分比，r是目前循环进行的轮数，G是最近1/p轮中还未当选过簇头的节点集合。

成簇完成后，Sink节点通过簇头向全网节点通告两个阈值：硬阈值和软阈值。其中硬阈值用来监测温湿度和烟雾浓度参数，当其中参数超过一定值时，表明可能有火灾情况发生。软阈值用来衡量火灾参数的变化，以便对是否发生火灾进行初步判断。在簇的稳定阶段，节点通过传感器不断地感知周围环境的温湿度和烟雾浓度，当节点第一次监测到数据超过硬阈值时，节点打开收发器向簇头上报数据，并将当前监测数据保存为监测值（Sensed Value SV）。此后节点再次进行数据传送时要满足两个条件：①当前节点监测到的数据比硬阈值大；②当前的监测值与SV之差的绝对值不小于软阈值，节点才向簇首上报数据，并将当前监测数据保存为SV。在簇重构过程中，如果新一轮的簇首确定，该簇首可重新设定和发布以上两个参数。且簇首通过TDMA方法实现数据调度，避免冲突碰撞。

三、结论

本文完成了传感节点的设计和实现，通过测试，能够实现基本的采集数据，传送数据的功能，同时给出了适合火灾监测的典型路由协议。

参 考 文 献

[1] 张永平. 古建筑火灾隐患及预防措施探讨[J]. 山西建筑， 2009，35（11）：191-193

[2]黄锋，刘士兴，顾勤东.无线传感器网络节点概述[J].合肥工业大学学报：自然科学版，2008， 31（8）： 1208-1212.

[3]孙利民，李建中，陈渝等.无线传感器网络「M].清华大学出版社.2005.