一种基于无线传感网的智能消防报警系统应用研究

(滇西科技师范学院智能与信息工程学院,云南临沧 677000)

智能楼宇消防报警系统基于无线传感网设计开发。采用zigbee无线传感通信技术,汇聚烟雾传感器、温湿度传感器、声光报警器、继电器、排烟扇等终端数据,设计开发智能网关子系统和控制中心子系统,使用mysql数据库存储,形成一套对智能楼宇实施消防安全监控的报警系统[1]。本系统的设计开发符合物联网无线通信技术规范,使用稳定成熟的技术,体现了安装便捷、运行稳定、系统轻量化等特点,适用于智慧大楼分层监控、数据汇聚分析、智能楼宇师职业鉴定考评等方面。

1 系统设计

1.1 系统总体设计

系统总体设计以现有的智慧楼宇互联网为基础,设计一套满足各子系统功能需求的智能消防报警系统。

其中,数据采集子系统采用无线传感网技术规范实现,通过串口通信与智能网关子系统相连接;智能网关子系统采用x86平台串口通信和TCP/IP通信设计,支持计算机有线网络和无线网络(wifi或5G)与智慧楼宇互联网相连接;消防报警云平台采用HTTP 服务器技术设计,架设一套支持HTTP传输的web平台,连接到智慧楼宇互联网;数据库服务器采用MySQL 实现网络数据库的存储和查询,通过智慧楼宇互联网实现数据存储和读取;消防报警监控中心子系统采用网络数据库三层架构,通过智慧楼宇互联网进行数据的读取、统计和控制[2]。

1.2 数据采集子系统设计

数据采集子系统采用无线传感网技术规范实现,采用zigbee自组网技术实现对传感网数据的无线采集和控制。

其中,系统设计中使用烟雾传感器、温湿度传感器、声光报警器、继电器四种类型的传感器,实现消防数据采集功能。采集数据分为数字量数据和模拟量数据,另外实现对声光报警器、继电器的控制。传感器由STM8 单片机控制,整合数据传输协议,形成一套规范的、统一的数据协议格式,便于传输和汇聚分析。

1.2.1 烟雾传感器模块设计

烟雾传感器的数据输出引脚(MQ2_AD)接入STM8S103F3单片机的PD2引脚,做为数据采集的第一道入口。STM8S103F3单片通过PD5引脚用串口输出的方式向外部输出串口数据。

1.2.2 温湿度感器模块设计

温湿度传感器的数据输出引脚(DHT22_DATA)接入STM8S103F3单片机的PD3引脚,做为数据采集的第一道入口。STM8S103F3单片通过PD5引脚用串口输出的方式向外部输出串口数据。

1.2.3 声光报警器模块设计

声光报警器的蜂鸣器数据输出引脚(BEEP)接入STM8S103F3单片机的PD4引脚,做为蜂鸣器发声的命令输出口。声光报警器的LED灯光数据输出引脚(HL_LED)接入STM8S103F3单片机的PD3引脚,做为LED灯光闪烁的命令输出口。STM8S103F3单片通过PD6引脚用串口接收的方式从外部接收报警数据。

1.2.4 继电器模块设计

继电器的数据输出引脚(IO)接入STM8S103F3单片机的PD4引脚,做为控制信号的命令输出口。STM8S103F3单片通过PD6引脚用串口接收的方式从外部接收继电器开关数据。继电器通过P3模块,外接排风扇电源和数据,实现排风扇的控制。

1.2.5 无线传感网设计

系统设计使用,使用CC2530单片机集成BasicRF技术,实现基于2.4G无线通信并符合IEEE802.15规范的zigbee无线传感网。Zigbee的特点是满足自动组网、多节点无线连接,透明传输等。zigbee无线通信模块分为两类,一类称为终端,终端与传感器模块相连,实现读取或控制传感数据的功能;另一类称为协调器,其主要功能是实现zigbee组网,一个网络中,由一个协调器和多个终端构成[3-4]。

在终端模块中,zibgee无线通信终端中的P1子模块与STM8S103F3单片机P1子模块相连,实现串口通信,即传感网模块通过协议封装,STM8S103F3通过P1子模块把数据传输到zibgee无线通信模块。再由zibgee无线通信模块把数据通过BasecRF无线信号传输到协调器[5-6]。

在组网模块中,协调器实现zigbee组网和数据接收的功能。模块的P1子模块与智能网关系统的串口相连,协调器接收无线传感器数据,并进行无线传感网数据封装,通过串口把数据传输到智能网关进行处理和综合控制。

1.3 智能网关子系统

智能网关子系统采用x86平台串口通信和TCP/IP通信设计。使用基于.Net框架的C#程序开发。

1.3.1 串口通信设计

主要实现与协调器的数据交换,使用.Net 框架的System.IO.Ports类库,编写SerialPort串口通信程序,一方面解析协调器发送来的无线传感网数据格式,提取必要信息进行计算,另一方面向协调器发送控制命令,实现对声光报警器和继电器的控制。

1.3.2 HTTP数据传输设计

实现HTTP客户端功能,使用.Net框架的System.Net.Http类库,编写HttpClient程序,向消防报警云平台发送传数据采集时间、传感器类型、传感器数据等信息。使用HTTP 传输的优点是可以跨越网段,实现互联网通信。

1.3.3 综合计算设计

(1)采用C#多线程和数据响应触发方式实现实时数据采集功能,并根据数据计算实现智能控制和自动控制。(2)使用.Net框架的Chart图表实现数据可视化能力。

1.4 消防报警云平台及网络数据库设计

消防报警云平台采用IIS服务器架设基于ASP.Net的云服务逻辑,主要功能包括:(1)接收智能网关子系统(Http客户端)发送来的数据;(2)实现三层架构,连接数据库服务器实现数据的存储和读取。网络数据库采用mysql 5.1部署[7-8]。

其中,数据库服务器采用MySQL5.1部署,在.Net框架中引用mysql-connector-net-6.6.6-noinstall_for_framwork4.0版本能够实现数据库的连接。

1.5 监控中心子系统设计

监控中心子系统采用网络数据库三层架构规范,实现对消防报警数据库的读取和存储操作,结合智能网关子系统的数据汇集基础,最终实现消防报警数据的监控功能。

2 系统实现

2.1 无线传感网模块关键算法实现

Zigbee无线传感网基于z-stack协议栈,实现BasicRF无线通信。在z-stack协议栈中,采用事件和事件处理实现无线数据的接收和发送。

2.1.1 无线终端算法实现

无线终端主要实现两个功能:(1)从传感器模块读取传感器数据,封装成帧,并通过BasicRF无线通信发送到协调器;(2)从协调器通过BasicRF无线通信接收控制命令,封装命令帧并向传感器模块发送命令。

无线终端算法中,z-stack协议栈启动后,由OSAL轮询系统接管系统运行,通过检测事件实现系统功能,事件包括系统事件和用户事件两种,根据事件源和事件句柄区分事件,并调用事件处理程序完成业务逻辑。在读取传感器数据的业务逻辑中,传感器数据帧包括:帧头2byte、传感器类型1byte、传感器编号1byte、命令1byte、数据6byte、扩展2byte、帧尾1byte,共计14byte。在发送控制命令帧的业务逻辑中,也是对这14byte的数据进行动态编写而实现。

2.1.2 协调器算法实现

协调器有三个功能:(1)监听网络,实现终端加入网络;(2)从终端接收BasicRF无线数据,封装传感器数据帧,并发送到串口;(3)从串口接收命令帧,解析命令帧,并向终端发送控制命令。

协调器模块算法中,协调器从上位机读取的命令帧包括帧头2byte、终端地址2byte、传感器类型1byte、命令1byte、帧尾1byte,共计7byte。在读取BasicRF无线数据业务逻辑中,对14byte传感器数据帧进行封装,增加了网络标识1byte、终端地址4byte、网络地址4byte、终端信号强度1byte、信道1byte、终端节点1byte,共计26byte,协调器将封装后端无线传感网数据帧26byte发送到串口,向智能网关子系统提供传感器数据,并从智能网关子系统接收对声光报警器和继电器的控制命令帧。

2.2 智能网关关键算法实现

智能网关采用C#实现对System.IO.Ports.SerialPort串口的read和write操作。

智能网关算法中,从协调器读取26byte数据帧,进行有效识别后,解析这26byte数据帧,提取终端地址、传感器类型、传感器数据。根据传感器类型对传感器数据进行有效计算,对于温湿度数据和烟雾数据,进行数据可视化显示,根据烟雾浓度是否超标判断,自动向协调器发送开启声光报警器命令,根据声光报警器是否开启判断,自动向协调器发送开启继电器打开排烟扇命令。向协同器发送的命令的帧包括帧头2byte、终端地址2byte、传感器类型1byte、命令1byte、帧尾1byte,共计7byte。这是一个自定义的协议帧格式。

在发送Http数据的业务逻辑中,需要设置web服务器IP地址,设置端口号,调用调用HttpClient实例发送数据,发送数据的内容包括数据采集时间、管理员ID、楼层ID、传感器类型和传感器数据。

2.3 监控中心算法实现

智能网关采用C#实现对MySql网络数据库的查询和统计操作。

根据总体设计,为每个楼层设计独立的数据采集子系统和智能网关子系统,监控中心算法设计中,按照楼层统计各类传感器数据,采用C#引用MySql为.Net提供的API实现数据库连接和访问。

3 系统测试

3.1 数据采集子系统测试

数据采集子系统由一个协调器和四个终端模块构成,上电组网成功后,CC2530单片机的红色LED常亮,代表组网成功;蓝色LED闪烁,代表正在传输数据。终端模块用5v供电运行,协调器用5v供电运行,并且使用U转串数据线连接到智能网关子系统。

3.2 智能网关子系统测试

智能网关子系统在启动前:(1)设置连接协调器的串口,并且设置波特率为 115200;(2)设置消防报警云平台IP地址和端口号;(3)填写当前采集的楼层号和管理员ID。完成三个部分的设置后,启动采集工作,识别传感器数据,若烟雾浓度超标,则认定为可能发生火灾,自动打开声光报警器,并打开继电器(排风扇),实现智能控制,并向云平台发送数据。

3.3 监控中心子系统测试

监控中心子系统按自动刷新和手动刷新两种模式,从消防报警数据库中查询数据,按照楼层统计和显示,图中蓝色背景楼层为已经采集到数据的楼层,灰色背景的楼层为没有数据的楼层。

4 总结

本系统综合应用STM8 单片机、CC2530 单片机、z-stack协议栈、.net串口操作、.net HttpClient操作、asp.net Web操作、MySql数据库连接操作等技术,设计开发一套基于物联网技术的智能消防报警系统,体现了无线技术在系统部署和系统扩展方面的优势和特点。系统设计方案在智慧大楼分楼层(分区域)消防报警监控、智能楼宇管理师职业资格认定等方面具有实用价值。