基于RF无线传感器网络的火灾自动报警系统

葛　岚,　陈俊恺



基于RF无线传感器网络的火灾自动报警系统

葛岚,陈俊恺

葛　岚(1977—),女,工程师,从事电气火灾监控系统设计与产品开发。

(烟台金盾电气防火检测中心, 山东 烟台264005)

摘要：结合现代建筑具有超高层、大空间及结构复杂等特点,针对传统有线火灾监控系统存在的不足,研制了一种基于射频(RF)无线传感器网络的火灾报警系统。系统采用RF无线数据传输,实现了对监控目标的烟雾、可燃气体浓度的实时监测,并在监控主机中接入GPRS,以便实现远程监控。

陈俊恺(1971—),男,工程师,从事火灾报警系统设计与产品研发。

关键词：无线传感器网络; 射频; SimpliciTi协议; 火灾监控

0引言

随着现代建筑的高度、深度和结构复杂度的增加,对火灾监控系统提出了更高的要求。传统火灾报警系统的终端设备与通信设备间的通信采用电话线、现场总线、RS-485串行总线及光纤等通信方式[1],由于受建筑结构、地理条件等限制,在现场铺设通信线路困难的条件下,采用无线传感器网络更具优势。

无线传感器网络是一种分布式传感网络[2],具有覆盖面大、监测精度高、容错性好等优点。火灾监控系统是实现火灾早期预警、及时进行火灾扑救的有效手段,利用无线传感器网络技术进行火灾探测已是消防安全领域的一个研究方向。

工业上无线传感器网络应用较多的是ZigBee协议[3]和SimpliciTi协议[4]。SimpliciTi协议是一种精简的短距离无线通信开源网络协议,使用免费,开发成本低、周期短,对微控制器资源占用很少,适用于监控区域并不广域的建筑火灾监控系统。本文研制了一种基于SimpliciTi协议的射频(Radio Frequency,RF)无线传感器网络的火灾报警系统,结合GPRS实现火灾远程监控。

1无线传感器网络及SimpliciTi网络协议

无线传感器网络由分布在监测区域的大量无线传感器节点以无线通信方式组成一个多跳自组织网络。SimpliciTi是由TI公司开发的无线自组网射频网络协议,支持星形和点对点网络拓扑,规定数据中心(Access Point,AP)、范围扩展设备(Range Extender,RE)和终端设备(End Devices,ED)三种逻辑设备。ED设备采集信息,AP建立网络及接收数据,ED与传感器连接,负责数据采集、处理与传输,ER用来扩展传输距离。SimpliciTi技术具有较高的传输速率和较远的传输距离,适合复杂建筑的火灾监控系统。

2系统设计

系统由无线传感器网络节点探测器、中继器和数据中心设备构成。节点设备探测器负责采集节点附近的烟雾和燃气等信息并进行数据处理,当数据超过阈值时将发送警报;数据中心设备完成建立无线通信网络,接收传感器节点发送(或通过中继器转发)的报警数据和工作状态参数,显示、存储数据,并通过GPRS将警报传送到消防中心;中继器转发距离较远的节点数据,最多可达四跳,并加长数据传输距离,扩大监控区域。系统结构如图1所示,终端节点以探测器表示。

图1　系统结构

2.1　节点设计

无线传感器网络节点是火灾报警的基础,完成信息采集、数据处理和数据传输功能,提供节点电源支持。节点由数据采集单元(传感器、A/D转换器)、数据处理单元(微处理器、存储器)、无线通信单元和电源单元构成。

数据处理单元是节点的核心部件,实现数据采集、数据处理,与无线通信模块进行数据传递,完成电源管理和节点工作状态检测等任务。本文选用CC1110芯片作为节点主控处理器,工作于315、433、868、915 MHz的工业、科学和医学的免费频段,具有高灵敏度和强抗干扰性,可降低运行成本,并减少误报、漏报。本文设计采用433 MHz频段。

节点无线通信模块完成:① 广播入网请求,加入数据中心建立的无线通信网络;② 将火灾警报直接上传或通过中继器上传到数据中心;③ 定期将节点工作状态参数上传。

节点数据采集传感器为烟雾探测器和可燃气体探测器。烟雾传感器选用红外烟雾传感器,可燃气体传感器选用MQ-4(天然气、甲烷传感器)和MQ-6(液化气、异丁烷、丙烷传感器)。

CC1110与传感器组成终端信号探测控制器,可直接对采集信号进行数据处理,并控制数据传输。根据国家标准GB 50116—2013《火灾自动报警系统设计规范》[5],可燃气体探测控制器可接入火灾自动报警系统,同时监控火灾信号和可燃气体泄漏。本文分别设计了烟雾传感器和可燃气体探测器。终端节点设备框图如图2所示,UARST为串口通信同步异步收发器。

图2　终端节点设备框图

2.2　数据中心设备

数据中心设备是整个系统的核心,主要完成以下功能:

(1) 以SimpliciTi网络协议进行组网,监听中继、终端设备入网请求,给加入的设备分配端口PORT编号。

(2) 汇集节点设备采集的数据。

(3) 以GPRS方式向远程监控中心发送数据。选用MO516为主控制器,与RF无线通信模块CC1110、远程数据传输单元GPRS模块SIM300组成数据中心设备。

图3　数据中心设备框图

2.3　中继器

中继器完成数据转发功能,以CC1110为核心进行设计。

3软件设计

系统软件设计主要包括无线传感器网络节点、中继器和数据中心程序三部分。

数据中心的程序流程如图4所示。

系统初始化后打开串口中断,进入监听状态,等待节点和中继器设备入网请求,收到请求信息后发回应答信息,建立连接,分配通信端口号,并监控中心发送设备端口。根据已加入的设备检测是否收到数据进行判别,如果收到报警信息,则通过GPRS上传到监控中心。

中继器的程序流程如图5所示。

图4　数据中心的程序流程

图5　中继器的程序流程

系统初始化后请求加入网络,加入成功后,等待转发节点传送的数据,并上传到数据中心。

节点设备的程序流程如图6所示。

系统初始化后请求加入网络,加入成功后,采集火灾烟雾信号和可燃气体信号,经数据处理后判断是否有火灾和可燃气体泄漏,有警报时立即将数据传送出去,无警报时以一定周期采集探测器工作状态参数。

4结语

本文研制了一种基于SimpliciTI协议的RF无线传感器网络的火灾报警系统,无需铺设通信线,终端探测器可根据需要密集、立体、灵活地分布于监控区域,维护、更换方便,在结构复杂且不易布线的情况下,优势更明显。目前该产品已上市,并在辽宁、贵州等地应用,运行情况良好。

图6　节点设备的程序流程

参考文献

[1]吕文斌.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]孙利民,李建中,陈渝,等.无线传感器网络[M].北京:清华大学出版社,2005.

[3]胡祝格,赵敏华.基于信息融合技术的无线火灾报警系统[J].电子科技,2012,25(10):37-39.

[4]王灵芝,苏文松,翁文陶.基于SimpliciTi的无线火灾报警系统设计[J].微型机与应用,2011,30(14):24-25.

[5]GB 50116—2013火灾自动报警系统设计规范[S].

[6]张瞳,陈俊恺,郭树林.一种消防电源无线监控装置:ZL201320147625.1[P].2013-09-04.

Automatic Wireless Fire System Based on RF Wireless Sensor NetworkGELan,CHENJunkai

(Yantai Jindun Electric Fire Detection Center, Yantai 264005, China)

Abstract：Aiming at existing problem of traditional fire monitoring system in modem buildings with high-rise,large space and complex structure,an automatic wireless fire system was developed based on RF wireless sensor network.The system employs the wireless network data transmission using SimpliciTi protocol,and realizes the real-time monitoring of smoke and combustible gas concentration.GPRS is accessed in the monitoring host to realize the remote monitoring.

Key words:wireless sensor network; radio frequency(RF); SimpliciTi protocol; fire monitoring

收稿日期：2015-06-02

中图分类号：TU 892

文献标志码：B

文章编号：1674-8417(2016)01-0007-03