基于无线传感器网络的消防报警系统

李卿，董淑敏

（1.济南市公安消防支队防火处法制科 山东 济南 250101；2.山东正晨科技股份有限公司企业技术中心 山东 济南250101）

基于无线传感器网络的消防报警系统

李卿1，董淑敏2

（1.济南市公安消防支队防火处法制科 山东 济南 250101；2.山东正晨科技股份有限公司企业技术中心 山东 济南250101）

基于智能化的无线传感器网络无可比拟的优势，介绍了无线传感器网络技术应用于消防报警系统中。采集节点通过传感器全方位地对环境参数进行采集，并把采集到的数据信息进行相应的处理和传送，然后通过采集节点和监控平台同时进行预警。该系统成本低、结构简单、易于维护，在消防报警方面具有较高的实际应用价值和发展前景。

无线传感器网络；节点；消防；报警

近年来，随着现代建筑的不断大型化、高层化和集中化，相应重点防火单位的数量也在不断增长。为保证人民的生命和财产安全，防火单位都希望能及早地发现火灾，并能进行准确报警，将火灾遏制在萌芽状态，因此，对消防报警提出的要求也就越来越高。

现有的消防报警系统多采用有线方式，但该方式有布线复杂、维护困难及投资大等缺点。无线传感器网络的出现则解决了有线系统存在的缺陷，本设计提出了一种基于无线和有线相结合的楼宇内的消防报警系统。把传感器采集节点分布在需要监测环境参数的地方，进行实时数据的采集，即楼宇内安装的采集节点组成无线传感器网络，以无线的方式进行通信，分布节点具有即插即用，成本小等优点。而监控平台则通过以太网的方式和无线网络的中心节点 （接收节点）连接，来获取采集到的实时数据[1]。

1 系统总体方案

本着功耗低、造价低、性能可靠、效率高等一些基本原则，给出本系统的整体结构设计。整个系统由监控中心和无线传感器网络节点组成，监控中心通过以太网与传感器网络的中心节点通信，中心节点和其他节点采用无线方式进行通信。如图1所示。

图1 系统总体框图

无线传感器的中心节点和采集节点组成网络[2]。中心节点通过以太网和上位机进行通信，接收上位机发来的指令信息，再通过无线传输的方式把该信息发送给采集节点；采集节点被安装在希望监测温度和烟雾的地方，该节点实时进行该处温度和烟雾的采集和换算，如果温度和烟雾值超阈值，采集节点发出声光报警，提示该节点附近的人员有火灾发生，在中心节点通信命令后，把采集到的温度和烟雾信息发送给中心节点。如发生火灾，监控平台同时发出报警，并显示火灾发生的具体位置及时间，提醒工作人员进行相应的处理，引导火灾现场人员进行疏散与撤离，及时采取灭火措施。提升了消防报警系统的实时监控和预警能力，为人民生活和财产安全提供了非常有力的保障。

2 无线传感器网络集节点的硬件实现

2.1 采集节点的硬件实现

经过综合考虑分析，通信芯片选择了TI公司生产的CC2530[3]。采集节点由CC2530主控芯片、电源管理模块、复位电路、传感器采集前端、声光报警和CC2591功率放大电路组成。采集节点通过烟雾传感器前端进行烟雾信息的采集，温度传感器前端进行温度信息采集，并判断是否发生火灾，若发生火灾则进行声光报警，并通过无线传输模块把采集到的数据发送给中心节点。下面主要介绍一下传感器采集前端、声光报警电路和CC2591功率放大电路的实现方式。

2.1.1 传感器采集前端

物质在燃烧过程中会释放出大量的热，环境温度也随之升高。温度传感器选用数字温度传感器DHT21[4]，DHT21芯片传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。

物质燃烧过程中不仅释放热量，还伴随产生大量的烟雾。烟雾传感器采用MQ-2气体传感器[5]，当传感器所处环境中存在可燃气体时，空气中可燃气体的浓度的增加导致传感器的电导率增大，使电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的电压输出信号。该款传感器成本低，并能适合多种应用，可检测多种可燃性气体，对氢气、液化气和丙烷的灵敏度高，可准确排出有刺激性非可燃性烟雾的干扰，对天然气和其它可燃蒸汽的检测效果也很好。

2.1.2 无线传输的功率放大电路

只用CC2530芯片难以实现所要求的通信距离，为了增大通信距离，满足更长距离的通信，我们在CC2530的基础上增加功率放大器CC2591，极大地改善了无线传感器网络的无线传输距离和通信性能。功率放大电路如图2所示。

2.1.3 声光报警模块

在实际电路中采用了鸣音报警和闪光报警的结合使用，组成了声光报警，其电路非常简单可靠，随着发光二极管的闪烁蜂鸣器发出特定的响声，二者同时作用于人的视觉和听觉 器官，更加容易引起人们的注意。如果火灾一旦发生，可及时通知附近的人员撤离。声光报警电路如图3所示。

图3 声光报警电路

2.2 中心节点的硬件实现

无线传感器网络接收节点在发送节点的基础上增加了以太网通信电路，接收节点不需要再测环境参数，所以去掉了传感器采集前端。电源管理模块、CC2530通信和CC2591功率放大的外围电路和接收节点相同，这里主要介绍下以太网通信接口的设计。无线传感器网络接收节点不仅接收由上位机发来的地址指令，还将接收到的数据信息通过以太网上传给上位机进行显示。芯片 CC2530和以太网控制器ENC28J60连接构成以太网通信接口，把TCPIP协议栈移植到CC2530上，同时与ZigBee协议栈协同运行。如图4所示。

图4 以太网通信接口电路

3 消防报警系统软件设计

3.1 节点组网程序设计

在网络中，中心节点负责启动网络并设置一些关键的网络参数，通过以太网和PC连接，采集节点则加入网络进行组网[6]。一般情况下我们采用下面的节点组网过程：

1）节点上电初始化；

2）扫描信道，若找到已经存在的网络，跳至4）执行；若没找到网络且本身具有协调器能力，则建立PAN网络；

3）接收其他节点的入网请求；

4）加入PAN网络。

具体流程如图5所示。

图5 节点组网流程

3.2 CC2530无线通信程序设计

无线传感器网络中心节点一方面通过以太网接收来自监控平台的指令信息，并把接收到的指令信息通过无线通信模块发送给无线传感器网络采集节点；另一方面还要接收所指定采集节点发来的温度和烟雾信息，并将接收到的信息、上传给监控平台进行显示。接收节点的工作流程图如图6所示。

图6 接收节点的工作流程

无线传感器网络所有采集节点一方面通过温度传感器和烟雾传感器采集环境的温度和烟雾浓度值，并通过RF模块接收从中心节点发来的地址指令，所有采集节点判断发来地址信息是否和本身已设置的地址一致，如果一致的话，就把采集到的温度和烟雾值通过RF射频模块发射给中心节点；另一方面无线传感器网络采集节点还设计了灯光报警，一旦采集节点附近发生火灾，则该节点发出声光报警功能，提示附近的人员撤离。采集节点的工作流程图如图7所示。

图7 采集节点的工作流程

4结 论

结合当前发展比较快的无线传感器网络技术，对基于无线传感器网络的消防报警系统进行了研究和设计。根据无线传感器网络的星型结构，设计了无线传感器网络的中心节点和用于采集环境参数的采集节点。这些节点采用智能化程度高，且配备有RF射频模块，节点之间通过RF模块进行通信。无线传感器网络采集节点通过温度传感器和烟雾传感器采集周围环境中温度和烟雾信息，计算分析是否有火灾发生，如果发生火灾则进行声光报警，并用RF射频模块把采集到的信息发送给中心节点，中心节点通过以太网的方式上传给上位机监控平台进行显示，如果有火灾发生则进行报警提示，准确显示火灾具体发生的地点和时间，提醒工作人员及时疏散人群，采取灭火措施。提升了消防报警系统的实时监控和预警能力，为人民生命和财产安全提供了非常有力的保障。

[1]郑君刚，吴成东，张云洲，等.基于无线传感器网络建筑火灾报警系统设计[C].2009中国自动化大会暨两化融合高峰会议，2009:11-13.

[2]晏均，周群彪，谢晓阳.基于无线传感器网络的室内火灾报警系统[J].中国民航飞行学院学报，2009（2）:45-48.

[3]章伟聪，俞新武，李忠成.基于CC2530及ZigBee协议栈设计无线网络传感器节点[J].计算机系统应用，2011（7）:184-187.

[4]杨小平.基于AT89S52和DHT21的温湿度测量系统设计[J].无锡职业技术学院学报，2011（1）:62-63.

[5]费红波，吉锤.可燃气体报警器及其检测标定系统的设计[C].江苏省计量测试学术论文集（2010）2010.

[6]胡丽霞.基于无线网络的消防监测系统的设计与实现[D].大连：大连海事大学，2010.

The fire alarm system based on wireless sensor network

LI Qing1，DONG Shu-min2
（1.Jinan Pubic Security Fire Datachment Fire Fighting Department Legal Section，Jinan 250101，China；2.Enterprise Technology Center of Shandong Zhengchen Technology Company co.，Ltd，Jinan 250101，China）

This article is based on intelligent Wireless Sensor Network（WSN）incomparable advantage，the paper introduces the technology of Wireless Sensor Network（WSN）which is applied to fire alarm system.Acquisition nodes collect the parameters of the environment in all aspects，and calculate and transmit the data collected，and then through acquisition nodes and monitoring platform simultaneously early warning.The system is low cost，simple structure，easy to maintain，in the aspect of fire alarm has higher practical application value and prospect.

wireless sensor network；node；fire control；early warning

TN91

A

1674－6236（2016）18-0119-04

2015-10-09 稿件编号：201510041

济南市2015年公共技术支撑平台建设支持计划（201502094）

李 卿（1982—），男，山东济南人，硕士，工程师。研究方向：消防监督。