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一、前言 隨著(zhù)智能樓宇技術(shù)應用的迅速發(fā)展，商業(yè)市場(chǎng)對火災報警器的需求不斷增長(cháng)，目前主要使用的是智能型總線(xiàn)制分布式計算機系統的火災報警系統，雖然在系統安裝方面比過(guò)去大大方便，但仍然不能滿(mǎn)足現代需要，其安裝成本約占設備成本的33％～70％。實(shí)際應用對系統的要求如圖1所示。而無(wú)線(xiàn)火災報警系統能夠滿(mǎn)足目前要求，它具有安裝容易、快捷、便宜、無(wú)需布線(xiàn)、對建筑物表面的最小破壞性、對功能變化的易適應性等特點(diǎn)。 雖然WSN（Wireless Sensor Networks）正處于完善的迅速發(fā)展時(shí)期，但并沒(méi)有妨礙它在各領(lǐng)域的應用。德國、日本、美國等發(fā)達國家對無(wú)線(xiàn)火災自動(dòng)報警系統的研究投入大量人力、財力。無(wú)線(xiàn)火災自動(dòng)報警系統是典型的多傳感器的事件驅動(dòng)型無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )WSN，但又具有其特殊要求： ①系統的可靠性、可信度、必須考慮室內多路徑散射、回波、干擾、中斷、碰撞探測等處理； ②系統的最小工作生命周期為5年； ③總機和探測器間必須雙向通信； ④報警信號的傳輸時(shí)間必須在10秒內； ⑤系統干擾、故障探測反映時(shí)間要小于100秒。 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )（WSN）綜合了微電子技術(shù)、嵌入式計算技術(shù)、現代網(wǎng)絡(luò )及無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)，能夠協(xié)同地實(shí)時(shí)監測、感知和采集網(wǎng)絡(luò )覆蓋區域中各種環(huán)境或監測對象的信息，并對其進(jìn)行處理，處理后的信息通過(guò)無(wú)線(xiàn)方式發(fā)送，并以自組多跳（Self Organizing Hop）的網(wǎng)絡(luò )方式傳送給數據處理中心。WSN的應用前景十分廣闊，在軍事、工農業(yè)、環(huán)境監測，醫療護理、危險區域遠程控制等領(lǐng)域都有潛在的應用價(jià)值，已經(jīng)引起了許多國家學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的高度重視。 二、火災探測WSN網(wǎng)絡(luò )體系結構 要設計出具有可靠性高、抗干擾能力強的火災自動(dòng)報警系統，其要求是： ①當有火情發(fā)生時(shí)，能以最快的速度檢測報警，并能檢測火情發(fā)生的具體地點(diǎn)（特定的地址編碼）； ②經(jīng)查實(shí)確認后，能及時(shí)的通報消防部門(mén)滅火； ③系統本身應有自身故障檢測的功能，如系統欠電壓報警和自檢功能等，保證自動(dòng)報警系統功能完好； ④較高的系統抗干擾能力，防止系統發(fā)生誤報警。⑤相對較長(cháng)的系統工作生命周期。 針對火災探測應用的實(shí)際情況，采用基于簇的分層結構網(wǎng)絡(luò )較為合理，在穩定運行階段，簇中的所有節點(diǎn)按照時(shí)分復用的方式向相應的簇頭發(fā)送數據。如圖2所示。 基于簇（Cluster）的分層結構具有天然的分布式處理能力，簇頭FLCH（First Level Cluster Heads）就是分布式區域處理中心，每個(gè)簇成員SN（Simple Node）都把數據傳給簇頭，數據融合后再傳給SLCH（Second Level Cluster Heads）節點(diǎn)。 FLCH節點(diǎn)和SN節點(diǎn)之間通過(guò)Zigbee技術(shù)實(shí)現無(wú)線(xiàn)的信息交換；帶有射頻收發(fā)器的SN節點(diǎn)負責對火災數據的感知和處理并傳送給FLCH節點(diǎn)；FLCH節點(diǎn)處理的數據直接傳給SLCH節點(diǎn), SLCH節點(diǎn)的數據經(jīng)中繼器或直接傳至樓宇管理中心，然后再經(jīng)GSM網(wǎng)絡(luò )上傳于消防控制中心，控制中心通過(guò)GSM網(wǎng)絡(luò )獲取采集到的相關(guān)信息，實(shí)現對現場(chǎng)的有效控制和管理。系統結構如圖3所示。 為了達到傳感器的實(shí)用數量、減少網(wǎng)絡(luò )的復雜性、降低網(wǎng)絡(luò )整體的功耗，基于每個(gè)火災傳感器節點(diǎn)和FLCH節點(diǎn)之間通信量較小的特點(diǎn)，提出一種基于需求時(shí)喚醒（Wake up On-demand ）的工作模式，即傳感器節點(diǎn)（SN）火災發(fā)生時(shí)，能自動(dòng)醒來(lái)和FLCH節點(diǎn)進(jìn)行通信；否則工作于睡眠狀態(tài)并采用低功率監測信道，以節約傳感器節點(diǎn)功耗并拒絕接受非法的連接訪(fǎng)問(wèn)請求，大大降低了接入FLCH節點(diǎn)時(shí)消息碰撞的概率，極大地增加了傳感器網(wǎng)絡(luò )容量。 三、火災探測的特殊性 1、建筑物對信號的影響 在建筑物內，發(fā)射和接收間的信號傳播主要受多徑反射的影響，信號場(chǎng)強是多種波的總和，因此決定反射／吸收特性的建筑材料和內部結構對于輻射范圍是決定性的。圖4表示某建筑物內的信號衰減情況；距離越遠，場(chǎng)強越弱，在建筑物內部，約與1/r5成正比，即距離增加一倍，衰減約增加17dB，在空曠地帶僅為 6dB。幾種障礙物對無(wú)線(xiàn)信號的衰減情況如表1所示。 為了保證系統在５－６年時(shí)間里能夠可靠通信，并考慮到各種可能的結構環(huán)境，對衰減預算量，即發(fā)射功率與最小接收功率之差，一般為115dBm。而衰減預留量為25dBm，所以實(shí)際有效的衰減預算值約為95 dBm。 2、網(wǎng)絡(luò )的完整性驗證 為了可靠地探測報警，每一個(gè)探測器節點(diǎn)必須保證正常工作，維護網(wǎng)絡(luò )的完整性。當任意節點(diǎn)受到干擾或出現故障時(shí)或鏈路斷裂時(shí)，臨近節點(diǎn)會(huì )自動(dòng)救援，將需要傳輸的數據發(fā)送。其自組織連接過(guò)程如圖5所示。 3、火災特定算法的嵌入 目前國內總線(xiàn)型火災探測報警系統已經(jīng)由開(kāi)關(guān)型逐步過(guò)渡到模擬量系統，但要真正達到智能系統，仍有一定距離，在設計新型系統時(shí)最好融入最新的火災智能算法如概率估計、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )、人工智能等最新研究成果，使得系統得可靠性和智能化大大提高。 四、系統工作原理 對于一個(gè)完整的火災傳感器節點(diǎn)，需要具有小尺寸、低功耗、適應性強的特點(diǎn)，Zigbee設備為低功耗設備，其發(fā)射輸出0dbm～3.6dbm，通信距離為 30米～70米，具有能量檢測和鏈路質(zhì)量指示，根據這些檢測結果，設備可自動(dòng)調整設備的發(fā)射功率，在保證通信鏈路質(zhì)量的條件下，最小地消耗設備能量，SD 節點(diǎn)在睡眠狀態(tài)時(shí)，功耗電流約為30uA。在網(wǎng)絡(luò )數據通信時(shí)，Zigbee建立一次連接的時(shí)間約為20-30ms，這樣短的連接時(shí)間可以大大減少傳感器節點(diǎn)上報給FLCH節點(diǎn)數據碰撞的概率；在網(wǎng)絡(luò )安全方面，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )在Zigbee技術(shù)上，采用了密鑰長(cháng)度為128位的加密算法，對所傳輸的數據信息進(jìn)行加密處理。 SN節點(diǎn)由Zigbee模塊（CC2420和Atmegal-128L兩部分所組成）、硬件檢測電路。硬件檢測電路檢測火災傳感器節點(diǎn)所在的環(huán)境，當火災發(fā)生變化時(shí)，觸發(fā)Zigbee模塊的I/O中斷將信息傳送給Zigbee模塊，模塊從睡眠狀態(tài)喚醒，模塊利用自身的控制芯片對信息進(jìn)行處理后，再以無(wú)線(xiàn)的方式傳送給FLCH節點(diǎn)。 1、Zigbee模塊初始化過(guò)程 Zigbee模塊進(jìn)行通信之前需要進(jìn)行有效的初始化，初始化也是網(wǎng)絡(luò )的完整性和有效性驗證。在初始化通信過(guò)程中，FLCH節點(diǎn)主動(dòng)廣播連接信令，在SN節點(diǎn)成功地接收和驗證一個(gè)數據幀和MAC命令幀后，向FLCH節點(diǎn)返回確認幀，SN節點(diǎn)的Zigbee模塊被置于Sleep工作模式，接下來(lái)FLCH節點(diǎn)與 SN節點(diǎn)進(jìn)行主從角色轉換，FLCH節點(diǎn)模塊處于從模式工作狀態(tài)，等候響應連接請求信令；此時(shí)SN節點(diǎn)中的Zigbee模塊工作在主模式下，等待著(zhù)有需求時(shí)喚醒發(fā)起連接請求。在初始化結束后，SN節點(diǎn)Zigbee模塊工作于Sleep模式，拒絕任何的連接請求。這種設計大大降低了傳感器節點(diǎn)的功耗；并且傳感器節點(diǎn)只是在有需求時(shí)喚醒并主動(dòng)與FLCH節點(diǎn)建立連接，保證了FLCH節點(diǎn)和傳感器節點(diǎn)間通信的安全可靠。 2、Zigbee模塊信息處理過(guò)程 信息處理過(guò)程是在傳感器節點(diǎn)的硬件檢測電路檢測到其所在的環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，由傳感器節點(diǎn)中的Zigbee模塊對信息簡(jiǎn)單處理后，主動(dòng)發(fā)起連接將處理后的信息傳送給FLCH節點(diǎn)，由于在工程中測試結論已表明，該無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的SN節點(diǎn)99％以上的時(shí)間處于Sleep狀態(tài)，只需要周期性地監聽(tīng)其無(wú)線(xiàn)信道，判斷是否有需要自己處理的數據消息，功耗的數學(xué)期望值可低至30μA。 3、Zigbee基站節點(diǎn)和GSM數據模塊 分布在傳感器網(wǎng)絡(luò )中的基站（BS）節點(diǎn)主要用于接收SN節點(diǎn)的數據上報，并將其進(jìn)行融合處理，傳給TC35數據模塊,通過(guò)GSM網(wǎng)絡(luò )傳遞給中央信息控制中心。BS節點(diǎn)由Zigbee模塊、MCUAtmegal-128L、GSM數據模塊TC35組成。Zigbee模塊和微控制器之間的連接是通過(guò)異步串行口實(shí)現的，它們之間的通信速度為38.4kBaud，由于傳感器網(wǎng)絡(luò )中分布著(zhù)多個(gè)SLCH節點(diǎn)，因此基站節點(diǎn)的MCU要利用軟件中斷實(shí)現對不同ID 的SLCH節點(diǎn)上傳數據輪詢(xún)掃描，使SLCH節點(diǎn)的數據可以有序、完整地通過(guò)微控制器處理后傳出�；荆˙S）節點(diǎn)在此傳感器網(wǎng)絡(luò )中充當的是傳感器節點(diǎn)和 GSM網(wǎng)絡(luò )之間的網(wǎng)關(guān)。利用Atmegal-128L控制TC35模塊完成BS節點(diǎn)和控制中心的通信。Atmegal-128L與TC35通過(guò)異步串行口相連，通過(guò)AT指令對GSM控制器進(jìn)行寫(xiě)操作，模塊支持標準AT指令，可采用SIMENS增強AT指令控制進(jìn)行數據傳輸，在工程應用時(shí)，只需要給模塊配備 SIM即可。 4、中央信息控制中心 中央信息控制中心由監控模塊、配置模塊、數據庫三個(gè)部分組成。它通過(guò)GSM網(wǎng)絡(luò )與多個(gè)匯節點(diǎn)間接連接在一起，監控模塊通過(guò)對通信串口的實(shí)時(shí)監控，實(shí)現對分布式匯節點(diǎn)上報信息的及時(shí)接收、解析、處理以及發(fā)送控制信令給不同ID的SLCH節點(diǎn)實(shí)現對傳感器節點(diǎn)的間接、實(shí)時(shí)性的監控和數據采集。 五、實(shí)驗結果 選用GAINZ節點(diǎn)模塊和事件驅動(dòng)接口板，選取部分火災探測智能算法，取得初步的實(shí)驗結果。結果表明采用標準的網(wǎng)絡(luò )協(xié)議，結合火災探測系統特點(diǎn)，和智能算法在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )WSN構架下，開(kāi)發(fā)火災智能無(wú)線(xiàn)報警系統是可行的�；馂臒o(wú)線(xiàn)傳感器硬件和軟件平臺的設計對于整個(gè)系統的開(kāi)發(fā)與應用至關(guān)重要，作為整個(gè)系統的底層支持，其必然向微型化、高度集成化、網(wǎng)絡(luò )化、節能化、智能化的方向發(fā)展，近幾年，隨著(zhù)計算機成本下降和微處理器體積縮小，開(kāi)發(fā)和構造火災智能無(wú)線(xiàn)報警系統將有廣闊的應用前景。工程試驗結果充分顯示了技術(shù)的可行性和實(shí)現的有效性。 |
