基于433MHz无线自组网的火灾监控报警系统

葛 岚，陈俊恺

（烟台金盾电气防火检测中心，山东 烟台 264005）

基于433MHz无线自组网的火灾监控报警系统

葛 岚，陈俊恺

（烟台金盾电气防火检测中心，山东 烟台 264005）

针对复杂建筑结构、受地理条件限制的场所布设通信线有困难的问题，研制了一种基于433MHz无线自组网 GPRS的火灾监控报警系统。以射频芯片 CC1110为无线自组网核心，搭载SimpliciTI网络协议，实现各节点设备无线连接。数据中心节点接入GPRS向消防中心传输信息。系统已应用于实际，实现了本地报警和远程监控。

无线自组网；火灾与可燃气体监控；433MHz；SimpliciTI协议

0 引言

越来越多的大型复杂建筑、人员密集型场所、地下建筑、危险品存放地点等的涌现，使传统有线报警系统［1］不能满足要求。无线自组网［2］无需基站和铺设通信线，覆盖面广，探测器可安放在任意位置，分布节点多，不受建筑条件限制，布设简单，维护方便，成本较低，适合各种复杂建筑结构，是火灾有线监控系统的一种有效补充。

在工业上无线自组网用得较多的有 ZigBee协议［3］和SimpliciTI协议［4］。在火灾监控领域，对 ZigBee技术也有所研究［5］，但是 ZigBee使用 2.4GHz频段，穿透能力差，在建筑物内特别在复杂结构中远不如 433MHz穿透能力强、抗干扰性好、传输距离远。

鉴于上述背景，本文研制了基于 433MHz、采用 SimpliciTI协议构建无线自组网的火灾报警系统。

同时依据国家标准 《火灾自动报警系统设计规范2013》［6］，在研制探测控制器的基础上，将可燃气体报警系统纳入火灾报警系统中，实现对火灾与可燃气体泄漏的同时监测。

1 433MHz无线自组网与通信协议

433MHz无线自组网是由分布在监测区域内的433MHz微型无线接收/发射节点，通过无线通信协议的自组织网络系统，来采集和处理网络覆盖区域里的计量仪表数据。通过网络协议，网络拓扑能自动配置和管理，同时自组网中的无线通信接口设备能作为数据中继使用，从而形成具有自组功能的多跳无线网络。

火灾监控系统内的监控设备位置固定，通信协议须具备如下功能：能够自行组建和管理通信网络；具有多跳转发机制，以延长通信距离；有较强的抗干扰、抗安全风险能力。

SimpliciTI网络协议是由 TI公司开发的针对低射频网络的小型低功耗无线自组网络协议，协议提供三类无线通信接口节点设备：数据中心节点设备、范围扩展节点设备和终端节点设备。SimpliciTI网络协议定义的网络拓扑有点对点和星形网络，通过范围扩展设备，可以实现网络拓扑扩展，以多跳形式形成树形网络拓扑。SimpliciTI网络拓扑如图1。

图1 SimpliciTI网络拓扑

SimpliciTI协议有较远的传输距离和较高的传输速率，适合用于火灾监控系统。同时该协议源代码开放，有利于系统开发。根据火灾监控的实际布局，选用 SimpliciTI协议树形网络拓扑。

2 系统硬件设计

本文研制的 SimpliciTI树形网络由终端探测器节点、中继器节点和数据中心节点组成。以中心节点为核心，组成RF 433MHz通信网络进行节点间无线通信。同时中心节点接入GPRS连接消防中心PC机。

2.1 433MHz无线通信单元

433MHz无线通信单元是本设计的核心，由微处理器模块、无线通信模块、天线模块和电源模块组成。

无线通信模块选用 TI公司开发的应用 SimpliciTI协议的 CC1110芯片，该芯片内含一个增强型 8051MCU内核和高性能CC1101RF无线收发模块的芯片，包含数字转换器、定时器、32 KB Flash和4 KB RAM。同时集成了一个高度可配置的调制解调器，支持不同的调制格式，为数据包处理、突发数据传输等提供硬件支持。只需少量外围元件即可完成系统射频电路设计。由于其内含8051MCU，在终端节点设计中无需外加微处理器。

CC1110工作于315 MHz、433MHz、868 MHz和915 MHz的 ISM（工业、科学和医学）免费频段，具有高灵敏度和强抗干扰性。可降低开发运行成本并减少误报漏报。本设计采用433MHz频段，主要是考虑433MHz的强穿透性和抗干扰性，适于复杂结构建筑和电磁波干扰的区域。

2.2 智能监控终端

智能终端设备包括传感器模块、微处理器模块和433MHz无线通信模块，硬件功能如图2所示。

图2 智能终端设备框图

由于终端探测器中嵌入了微处理器和无线通信模块，使其由单一信号采集功能扩展为集信号采集、数据处理和无线数据传输为一体的探测控制器。依据国家标准《火灾自动报警系统设计规范 2013》，将可燃气体报警系统纳入到火灾监控系统中，实现火灾烟雾与可燃气体泄漏同时监控。

此外，探测控制器在不宜组网建立自动报警系统的区域，可独立使用，在烟雾或可燃气体泄漏超过阈值时，探测器会发出声光报警。

智能终端设备的无线通信功能为：广播入网请求；加入数据中心节点设定好的无线通信网络；将采集到的火灾烟雾和可燃气体报警信息上发至数据中心。

2.3 数据中心设备

数据中心设备是系统的核心，担负整个系统433MHz组网、接收各节点数据、报警、数据存储显示及连接外网GPRS向远程消防中心传输警报。硬件由微处理器模块、远程数据传输模块和433MHz无线通信模块组成。主控制器采用 MO516微处理器，实现监控与无线通信的协调功能。无线通信模块选用CC1110芯片，GPRS单元选用SIM900A。结构如图3。

图3 数据中心设备框图

数据中心设备的无线通信模块的功能为：完成无线自组网；等待终端和中继设备入网并为入网设备分配端口PORT号；将终端采集到的警报信息上传到消防中心。

2.4 中继器

中继器为数据转发单元，以微处理器MO516加无线通信模块CC1110构成。

3 系统软件设计

软件设计包括终端探测器程序设计、中继器程序设计、数据中心程序设计。

系统初始化之前，使用 TI公司的 SmartRF Studio应用程序，对系统工作的载波频率、传输速率、信道宽度、数据调制方式等系统参数进行设置。

软件开发环境采用 CCS V4.2。Code Composer Studio是TI公司开发的专门用于TI的DSP、微处理器和应用处理器的集成开发环境。

SimpliciTI协议规定两个设备之间进行通信时，需要有一个连接过程。连接信息中要包含一个 4 B的连接标志，接受连接的设备才能允许该设备加入网络。网络连接是协议的关键步骤，主要通过侦听、连接和加入实现设备的网络加入。

在 SimpliciTI协议中，一个网络地址由两部分构成：物理地址（由程序设置）和应用层地址（PORT）。物理地址是程序编制过程设定的，网络中的每一个设备在网络中有唯一的硬件物理地址。应用层地址（PORT）是在设备加入过程中分配的。

数据中心节点程序流程如图4。当系统上电复位后，首先进行系统的初始化，分别是 BSP初始化、协议栈初始化以及定时器/串口的初始化。然后等待网络设备的加入，如果有节点设备，建立连接分配 PORT编号；如果没有，则监测是否收到数据帧。如果有报警数据，则通过GPRS上报到远程消防中心。

图4 数据中心程序框图

中继设备节点的作用是延长数据的通信距离，起到扩展设备通信距离的作用。中继设备节点上电复位后，首先进行 BSP、协议栈、定时器/串口初始化，然后向数据中心节点发送加入网络请求，等待加入。成功加入网络后，等待接收网络数据帧，当收到网络设备发送来的网络数据帧，并判定为合法，则转发数据信息。中继设备程序框图如图5。

图5 中继节点程序框图

终端节点负责数据的采集。终端节点上电复位后，首先进行 BSP、协议栈、定时器/串口初始化，然后打开串口中断，发送加入网络请求，等待加入。终端节点加入网络后，在事先设置好的频率或信道上发送信息序列，并使用事先设置的密钥对数据帧进行加密和解密。对采集的数据进行处理，如果超过阈值，则将报警信息发送至数据中心。收到数据中心巡检命令后，采集终端工作状态信息，并发送至数据中心。终端节点程序框图如图6。

图6 终端节点程序框图

4 结论

以上介绍的终端探测控制器，将可燃气体监控接入火灾报警系统，实现了火灾烟雾与可燃气体泄漏同时监控。系统采用无线自组网数据传输方式，无需基站，无需布线，维护方便，可作为有线方式的有效补充。本系统已在山东、辽宁等地区应用，取得了良好效果，并取得了专利权［7］。

［1］王军，马青波，隋虎林，等.火灾自动报警监控联网技术的应用与发展［J］.消防技术与产品信息，2003（12）：8-10.

［2］曹蓟光.自组织网络技术的发展趋势［J］.电信网技术，2007（7）：39-42.

［3］丁雪莲.ZigBee协议栈浅析［J］.电脑与信息技术，2013，21（5）：18-21.

［4］张颖，李俊莆，杨臻.基于 SimpliciTI协议的无线自组织网络系统设计［J］.自动化仪表，2012，33（9）：53-56.

［5］胡祝格，赵敏华.基于信息融合技术的无线火灾探测报警系统［J］.电子科技，2012，25（10）：36-39.

［6］GB50116-2013.火灾自动报警系统设计规范 2013［S］.北京，2013.

［7］张瞳，陈俊恺.一种无线火灾感烟报警远程监控系统：中国，ZL 2011 2 0358796.X［P］.2012-05-30.

Fire monitoring and alarming system based on 433MHz wireless Ad-hoc network

Ge Lan，Chen Junkai
（Yantai Jindun Electric Fire Detection Center，Yantai 264005，China）

In view of the difficulties of laying communication lines in complex construction and the location restricted by geographical conditions，a fire and combustible gas monitoring system based on 433MHz wireless Ad hoc network is developed. Taking a ridio frequency chip CC1110 as the core of the wireless Ad hoc network， with the SimpliciTI network protocol， the wireless connection of each node is realized.The access point is connected to transfer data to the fire center.The sytem has been applied to the actual and local alarm and remote monitoring are realized.

wireless Ad-hoc network；fire and combustible gas monitoring；433MHz；SimpliciTI protocol

TP23

A

1674-7720（2015）23-0080-03

葛岚，陈俊恺.基于433MHz无线自组网的火灾监控报警系统［J］.微型机与应用，2015，34（23）：80-82.

2015-08-10）

葛岚（1977-），女，硕士，工程师，主要研究方向：火灾监控系统设计。

陈俊恺（1971-），男，高级工程师，主要研究方向：火灾监控系统设计与产品研发。