摘 要： 為了減少樓宇火災(zāi)中人員的傷亡與財(cái)物損失,針對(duì)現(xiàn)有消防報(bào)警系統(tǒng)施工與維護(hù)復(fù)雜、抗干擾能力低等問題,提出了基于ZigBee靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)與移動(dòng)節(jié)點(diǎn)相結(jié)合，監(jiān)測、顯示、儲(chǔ)存為一體的可靠的無線火警遠(yuǎn)程監(jiān)控與定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用基于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的ZigBee技術(shù)，硬件平臺(tái)以集成了射頻與51微控制器的CC2430芯片和AVR單片機(jī)為核心，軟件采用了TI公司的Zstack協(xié)議棧。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，該系統(tǒng)能夠監(jiān)測樓層各房間的煙霧濃度和溫濕度信息，并由監(jiān)控終端根據(jù)預(yù)先設(shè)定的閾值，判斷是否有火災(zāi)發(fā)生，定時(shí)報(bào)告房間的安全情況。該系統(tǒng)具有良好的應(yīng)用前景和經(jīng)濟(jì)效益。

　　關(guān)鍵詞： ZigBee技術(shù);無線傳感網(wǎng)絡(luò);CC2431定位;消防報(bào)警系統(tǒng)

0 引言

　　隨著城市現(xiàn)代化的迅速發(fā)展，人員密集的現(xiàn)代建筑越來越多，加上可燃裝修材料和現(xiàn)代化設(shè)施的增多，這些建筑一旦發(fā)生火災(zāi)將產(chǎn)生嚴(yán)重后果，因此對(duì)消防的要求也提升到了新的高度。本文對(duì)基于ZigBee技術(shù)[1]的樓宇消防系統(tǒng)進(jìn)行了研究，利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[2]部署簡單、不需頻繁更換電池、成本低、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，通過大量、密集布置節(jié)點(diǎn)來觀察環(huán)境信息，為消防環(huán)境監(jiān)測提供新途徑，以解決傳統(tǒng)火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)[3]在實(shí)際應(yīng)用中存在的施工與維護(hù)復(fù)雜、抗干擾能力低、故障率和誤報(bào)率高等問題。在消防領(lǐng)域,可利用嵌入在煙霧感測器中的ZigBee無線模塊組成一個(gè)全無線的消防報(bào)警網(wǎng)絡(luò),該網(wǎng)絡(luò)兼有無線追蹤定位功能,可通過建筑物內(nèi)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)及消防人員隨身攜帶的移動(dòng)裝置,動(dòng)態(tài)掌握進(jìn)入火災(zāi)現(xiàn)場的人員位置和狀態(tài)。其成果在一定程度上加快了遇險(xiǎn)消防員的定位速度，有效縮短搜救時(shí)間，保障了遇險(xiǎn)消防員和搜救人員共同的安全。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

　　本文重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)三個(gè)功能,一為節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)的傳輸,二為無線傳感網(wǎng)絡(luò)的建立,三為網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)節(jié)點(diǎn)的定位。系統(tǒng)由兩個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成：遠(yuǎn)程消防監(jiān)控系統(tǒng)和定位系統(tǒng)。遠(yuǎn)程消防監(jiān)控系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　監(jiān)控系統(tǒng)的工作流程是由集成傳感器采集數(shù)據(jù)，然后經(jīng)AVR單片機(jī)處理，AVR單片機(jī)將數(shù)據(jù)通過串口RS232傳給ZigBee節(jié)點(diǎn)。如果采集的數(shù)據(jù)超過設(shè)定值，AVR單片機(jī)將驅(qū)動(dòng)噴水滅火與報(bào)警裝置；如果采集的數(shù)據(jù)未超過設(shè)定值，ZigBee節(jié)點(diǎn)將把接收到的數(shù)據(jù)通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳到協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)通過網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)換將數(shù)據(jù)傳送到Internet，監(jiān)控中心通過進(jìn)入Internet網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控并控制報(bào)警與滅火裝置。

　　定位系統(tǒng)[4]則是消防監(jiān)控系統(tǒng)中的一個(gè)重要補(bǔ)充，其工作過程為：當(dāng)位于某一房間內(nèi)的傳感器檢測到火災(zāi)時(shí)，起火點(diǎn)的報(bào)警器將被觸發(fā)，并及時(shí)向建筑物內(nèi)人員發(fā)出危險(xiǎn)警示，告知人員迅速撤離現(xiàn)場。同時(shí)立即將信號(hào)傳給監(jiān)控中心，通過對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)的ID得出所在房間的位置，測控中心便可立刻依據(jù)定位系統(tǒng)上報(bào)的地點(diǎn)安排消防救護(hù)工作，指引消防人員快速進(jìn)入現(xiàn)場。無線ZigBee網(wǎng)絡(luò)還可自動(dòng)追蹤進(jìn)入火災(zāi)現(xiàn)場的消防人員的位置信息，消防指揮官可通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)及消防人員隨身攜帶的移動(dòng)裝置，動(dòng)態(tài)掌握進(jìn)入人員的位置和狀態(tài)。

2 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　遠(yuǎn)程消防監(jiān)控系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)兩方面監(jiān)控:樓道與走廊的監(jiān)控和室內(nèi)的監(jiān)控。監(jiān)控系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、網(wǎng)關(guān)、監(jiān)控終端等部分構(gòu)成。數(shù)據(jù)采集部分如圖2所示。

　　數(shù)據(jù)采集部分主要是探測智能樓宇中各種火情火警信息，是整個(gè)智能樓宇消防系統(tǒng)的最基礎(chǔ)的部分，在本文設(shè)計(jì)的智能樓宇消防系統(tǒng)中，能夠支持的火情探測類型主要包括煙霧探測、溫度探測、濕度探測和火焰探測。在具體實(shí)施時(shí)，這些探測器將采用分布式的方式部署在整個(gè)智能樓宇中的各個(gè)角落，實(shí)時(shí)地監(jiān)控智能樓宇中的各種火情信息。系統(tǒng)硬件由火焰?zhèn)鞲衅髂K、蜂鳴器、溫濕度傳感器DHT11、煙霧濃度傳感器MQ-2、AVR單片機(jī)（采用ATMEL公司的8位ATmega128）和CC2430組成。供電電壓5 V。

　　數(shù)據(jù)傳輸主要指CC2430與AVR單片機(jī)之間的串口通信以及ZigBee節(jié)點(diǎn)之間的無線網(wǎng)絡(luò)通信。數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪康氖前褦?shù)據(jù)無線傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，通過監(jiān)控中心來控制傳感節(jié)點(diǎn)。

　　網(wǎng)關(guān)是在高性能、低功耗的AVR系列微處理器上設(shè)計(jì)一個(gè)ZigBee與WiFi的無線數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備。以便更好地將ZigBee、WiFi設(shè)備與傳統(tǒng)的以太網(wǎng)連接起來，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)透明轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)傳輸。

　　監(jiān)控終端由PC機(jī)或手機(jī)構(gòu)成。

　　遠(yuǎn)程消防監(jiān)控系統(tǒng)的總體流程如圖3所示。

3 定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　3.1 RSSI定位原理

　　基于信號(hào)強(qiáng)度測距法(Received Signal Strength Indicator，RSSI)[5]是通過接收到的信號(hào)強(qiáng)弱測定信號(hào)點(diǎn)與接收點(diǎn)的距離，進(jìn)而根據(jù)相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行定位計(jì)算的一種定位技術(shù)。理論上節(jié)點(diǎn)之間的距離越遠(yuǎn)，則信號(hào)衰減得越厲害，因此可以根據(jù)RSSI來估計(jì)信號(hào)傳輸?shù)木嚯x。RSSI的定義為接收端通過信號(hào)的強(qiáng)度指示，為電路測得的信號(hào)電壓值，通常也將其表示為電壓值的平方。在無線通信中，RSSI的值可以由一般通信中的信號(hào)測得，因此不需要額外的帶寬和設(shè)備。因此基于RSSI的定位算法相對(duì)來說較為簡單和廉價(jià)，也是定位研究的重點(diǎn)。

　　本設(shè)計(jì)采用的即是RSSI算法。接收信號(hào)強(qiáng)度是傳輸功率和傳輸距離（收發(fā)者之間的距離）的函數(shù)。式子中n是信號(hào)傳播常數(shù)，也叫傳播系數(shù)，數(shù)值大小取決于無線信號(hào)傳播的環(huán)境；d是與發(fā)送者的距離；A是距發(fā)送者1 m時(shí)的信號(hào)強(qiáng)度；PR是無線信號(hào)的接收功率；PT是無線信號(hào)的發(fā)射功率；r是發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間的距離。接收信號(hào)強(qiáng)度會(huì)隨距離的增加遞減，無線信號(hào)的發(fā)射功率與接收功率之間的關(guān)系可用式（1）表示：

　　10n1g r=10PT/PR （1）

　　由于節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率已知，將發(fā)送功率代入式（1）可得：

　　101g PR=A-101g r （2）

　　其中，101g PR是接收功率轉(zhuǎn)換為dBm的表達(dá)式，可以直接寫成式（3）。在式（3）中A可以看作信號(hào)傳輸1 m遠(yuǎn)時(shí)接收信號(hào)的功率。

　　PR(dBm)=A-10n1g r （3）

　　由式（3）可以得到，常數(shù)A和n的值決定了接收信號(hào)強(qiáng)度與信號(hào)傳輸距離的關(guān)系。PR(dBm)是接收信號(hào)強(qiáng)度，可以用RSSI表示。因此式（3）又可以寫成：

　　RSSI=-(10n1g d+A) （4）

　　3.2 定位算法

　　常用的測距定位算法有：三邊測量算法、三角測量算法和最大似然估計(jì)算法。本方案因在樓宇某一層實(shí)驗(yàn)，所以可看做二維平面,算法可以選為簡單的三邊測量法。

　　假設(shè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)O接收到n( n≥3) 個(gè)固定節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信號(hào)，從接收到的n個(gè)信號(hào)中選取接收信號(hào)最強(qiáng)的3個(gè)固定節(jié)點(diǎn)作為信標(biāo)節(jié)點(diǎn)A、B、C，根據(jù)RSSI測距方法測量到的距離分別為dA、dB、dC，根據(jù)dA、dB、dC的關(guān)系可以分情況來討論：如果分別以3個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)A、B、C為圓心，以測量到的dA、dB、dC 為半徑的3個(gè)圓相交于一點(diǎn)，則可以采用三邊測量法來實(shí)現(xiàn)；如果不相交于一點(diǎn)，則可以根據(jù)質(zhì)心法來實(shí)現(xiàn)。

　　三邊測距法如圖4所示，以3個(gè)節(jié)點(diǎn)A、B、C為圓心的坐標(biāo)分別為(Xa，Ya)、(Xb，Yb)、(Xc, Yc),這3個(gè)圓周相交于一點(diǎn)D，交點(diǎn)D即為定位系統(tǒng)中的盲節(jié)點(diǎn)，A、B、C 3個(gè)節(jié)點(diǎn)與交點(diǎn)D的距離分別為da、db、dc，假設(shè)交點(diǎn)D的坐標(biāo)為(X，Y)。則滿足：

　　由上式可以得到交點(diǎn)D的坐標(biāo)為：

　　3.3 定位流程

　　從定位系統(tǒng)的角度可將節(jié)點(diǎn)分為兩類:第一類是固定安裝、位置已知的節(jié)點(diǎn)，即參考節(jié)點(diǎn)(Reference Node)，參考節(jié)點(diǎn)將會(huì)接收到移動(dòng)節(jié)點(diǎn)信息(RSSI和LQI)，并傳送到協(xié)調(diào)器進(jìn)行處理；第二類是消防人員隨身攜帶的嵌入無線模塊的移動(dòng)裝置，即盲節(jié)點(diǎn)(Blind Node)需要對(duì)其進(jìn)行定位[6]的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。兩類的本質(zhì)區(qū)別在于節(jié)點(diǎn)在加入網(wǎng)絡(luò)之前能否知道自己的坐標(biāo)位置。CC2431定位流程圖如5所示。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

　　本實(shí)驗(yàn)以樓宇某一層為試驗(yàn)點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)中分布安裝了8個(gè)終端節(jié)點(diǎn)來采集房間的溫度、濕度和煙霧濃度；并且安裝了6個(gè)路由節(jié)點(diǎn)組成靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)來傳輸信息。圖6和圖7分別為正常情況下和實(shí)驗(yàn)火條件下，隨機(jī)提取的8個(gè)節(jié)點(diǎn)的多傳感器信息，通過數(shù)據(jù)對(duì)比可以看出房間8的數(shù)據(jù)變化幅度較大，可以推斷發(fā)生了火災(zāi)。通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，系統(tǒng)采集的溫濕度和氣體煙霧數(shù)據(jù)通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳輸后依然準(zhǔn)確可靠。表明ZigBee網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)[7]具有穩(wěn)定性，可以有效監(jiān)控房間內(nèi)的實(shí)時(shí)情況。

　　通過實(shí)地測量驗(yàn)證了基于RSSI定位系統(tǒng)的可行性。當(dāng)在某一樓層定位時(shí)，根據(jù)各個(gè)房間RSSI值的強(qiáng)弱，不用算法，即可大致判斷火災(zāi)發(fā)生在哪個(gè)房間。圖8表明當(dāng)在某室內(nèi)定位時(shí)，可根據(jù)接收信號(hào)強(qiáng)度和參考節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)位置計(jì)算出盲節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)。

5 結(jié)論

　　本文規(guī)劃了消防報(bào)警系統(tǒng)的總體方案，對(duì)微控制器、數(shù)據(jù)采集、感測模塊等進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并對(duì)ZigBee網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)與數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行了研究，對(duì)定位算法進(jìn)行了探討。本文設(shè)計(jì)了分布式火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警設(shè)備監(jiān)測系統(tǒng)的通信組網(wǎng)方案，實(shí)現(xiàn)了消防報(bào)警的高可靠、低誤報(bào)、網(wǎng)絡(luò)化、智能化，為樓宇消防工作提供了有力的技術(shù)支撐和保障，進(jìn)而提升了樓宇失火預(yù)防和抗御火災(zāi)[8]的綜合能力。在實(shí)際的消防系統(tǒng)中，環(huán)境的復(fù)雜程度較高，因而在RSSI接收處理算法上需要進(jìn)一步完善，以適應(yīng)更復(fù)雜的環(huán)境。

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