摘  要： 傳統(tǒng)的古建筑火災(zāi)監(jiān)測(cè)體系采用有線網(wǎng)絡(luò)的方式，存在許多弊端。為了解決這個(gè)問題，結(jié)合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，基于CC2530芯片，針對(duì)古建筑的建筑特點(diǎn)和環(huán)境參數(shù)需求，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了適合古建筑的火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。硬件部分設(shè)計(jì)了傳感節(jié)點(diǎn)，軟件部分設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的路由策略。系統(tǒng)中傳感節(jié)點(diǎn)通過無線模塊將自身的溫度、光強(qiáng)和氣體信息送到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)將收集到的數(shù)據(jù)通過串口送到監(jiān)控主機(jī)，在監(jiān)控主機(jī)軟件上顯示出來。監(jiān)控主機(jī)可以通過通信網(wǎng)絡(luò)將這些數(shù)據(jù)送到安卓系統(tǒng)的手機(jī)以便于監(jiān)控人員隨時(shí)了解情況。

　　關(guān)鍵詞： CC2530；古建筑；無線火災(zāi)監(jiān)測(cè)

0 引言

　　目前，在古建筑物早期火災(zāi)探測(cè)和報(bào)警上，還是一直沿用有線網(wǎng)絡(luò)的方式，其線路遍布在建筑內(nèi)，造成了對(duì)古建筑的破壞，同時(shí)線路本身也是很大的火災(zāi)隱患?，F(xiàn)在迫切需要一種新型的適合古建筑的火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，即用無線網(wǎng)絡(luò)的方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)的有線網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)，無線報(bào)警系統(tǒng)應(yīng)用型式更加靈活，系統(tǒng)安裝更加方便、快捷，且其安裝成本更為低廉。本文在與傳統(tǒng)古建筑火災(zāi)監(jiān)測(cè)方法比較的基礎(chǔ)上，參考無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在農(nóng)業(yè)、環(huán)境監(jiān)控等領(lǐng)域的成功應(yīng)用所體現(xiàn)出來的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，確定采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來實(shí)時(shí)、精確地實(shí)現(xiàn)古建筑火災(zāi)監(jiān)測(cè)[1]。

1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)

　　古建筑無線火災(zāi)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)采用數(shù)據(jù)聚合的層次組網(wǎng)方式，由一個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)、多個(gè)路由節(jié)點(diǎn)和多個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。傳感節(jié)點(diǎn)將采集的溫度、光強(qiáng)和氣體信息發(fā)送給傳感節(jié)點(diǎn)所在簇的路由節(jié)點(diǎn)，路由節(jié)點(diǎn)把數(shù)據(jù)匯聚之后發(fā)送給匯聚節(jié)點(diǎn)，再通過串口傳送給監(jiān)控主機(jī)，由監(jiān)控主機(jī)上的軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄、反饋或傳輸?shù)剑ㄊ謾C(jī)）顯示終端[2]。古建筑無線火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)如圖1所示。

2 基于CC2530的傳感節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

　　2.1 傳感節(jié)點(diǎn)的硬件系統(tǒng)框圖

　　傳感節(jié)點(diǎn)硬件系統(tǒng)框圖如圖2所示，其中射頻模塊和微處理器集成在一起，采用CC2530芯片，多參數(shù)火災(zāi)探測(cè)單元包括溫度傳感器模塊和煙霧傳感器模塊，同時(shí)基于節(jié)能的考慮，加入了光強(qiáng)感知模塊。當(dāng)出現(xiàn)異常情況時(shí)，蜂鳴器發(fā)出警報(bào)。

　　2.2 處理器及射頻模塊

　　本文采用CC2530作為處理器和射頻模塊，如圖3所示。CC2530結(jié)合了一個(gè)完全集成了精簡(jiǎn)指令集的8051微處理器和高性能2.4 GHz的RF收發(fā)器，是真正的片上系統(tǒng)解決方案。它接收靈敏度高，發(fā)送距離遠(yuǎn)；相比于CC2430，CC2530提供了101 dB的鏈路質(zhì)量以及10 dBm的發(fā)送功率，優(yōu)秀的接收器靈敏度和健壯的抗干擾性，使得通信距離達(dá)350 m以上。

　　2.3 傳感器設(shè)計(jì)

　　傳感器是數(shù)據(jù)采集的核心模塊，種類繁多，用于測(cè)量各種物理量，是連接物理世界與數(shù)字網(wǎng)絡(luò)的接口。本文面向古建筑火災(zāi)監(jiān)測(cè)這一應(yīng)用環(huán)境，主要使用的傳感器模塊包含溫度、煙霧濃度傳感器模塊。

　　2.3.1 溫度傳感器模塊

　　DS18B20數(shù)字溫度計(jì)是DALLAS公司生產(chǎn)的單總線器件，具有線路簡(jiǎn)單、體積小的特點(diǎn)。只要求一個(gè)端口即可實(shí)現(xiàn)通信，實(shí)際應(yīng)用中不需要外部任何元器件即可實(shí)現(xiàn)測(cè)溫，測(cè)量溫度范圍在－55℃~+125℃之間，數(shù)字溫度計(jì)的分辨率用戶可以從9位到12位選擇[3]。

　　2.3.2 ZYMQ-2煙霧傳感器模塊

　　ZYMQ-2氣敏元件的核心是AL2O3陶瓷管、SnO2敏感層、測(cè)量電極和加熱器，固定在塑料或不銹鋼制成的腔體內(nèi)。封裝好的氣敏元件有6只針狀管腳，其中4個(gè)用于信號(hào)取出，外部能源通過另外2個(gè)管腳為氣敏元件的加熱器提供電流。

3 古建筑無線火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的路由策略

　　路由協(xié)議的主要任務(wù)是在傳感器節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)間建立路由，可靠地傳遞數(shù)據(jù)。其首要設(shè)計(jì)原則是節(jié)省能量，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的生存期。針對(duì)火災(zāi)發(fā)生的突發(fā)性特點(diǎn)，為了降低整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的功耗，可以借鑒典型的事件觸發(fā)路由協(xié)議TEEN協(xié)議。TEEN（Threshold sensitive Energy Efficient sensor Network protocol）協(xié)議[4]是一種基于層次結(jié)構(gòu)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議，其目標(biāo)是能夠?qū)W(wǎng)絡(luò)中監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的變化做出快速反應(yīng)，對(duì)于傳感屬性值高于給定閾值的數(shù)據(jù)，及時(shí)監(jiān)測(cè)突發(fā)事件的反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)。本文在TEEN路由協(xié)議的基礎(chǔ)上，結(jié)合古建筑火災(zāi)監(jiān)測(cè)的特點(diǎn)，提出了一種適合古建筑火災(zāi)監(jiān)測(cè)的層次路由協(xié)議。下面探討具體的路由組網(wǎng)過程。

　　3.1 系統(tǒng)初始階段

　　系統(tǒng)初始階段，協(xié)調(diào)器首先向全網(wǎng)廣播一個(gè)起始消息，當(dāng)所有的節(jié)點(diǎn)收到這個(gè)消息后，它們分別向協(xié)調(diào)器返回一個(gè)帶有節(jié)點(diǎn)自身ID號(hào)和節(jié)點(diǎn)自身剩余能量的消息[5]。

　　3.2 簇的建立階段

　　在這個(gè)階段，本文采取周期性等概率隨機(jī)選取簇首的方式，同時(shí)綜合考慮節(jié)點(diǎn)的剩余能量，以平衡網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)的能量消耗。每輪中，每個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)選擇[0，1]之間的一個(gè)隨機(jī)數(shù)，如果選定的值小于T（n），則該節(jié)點(diǎn)向周圍節(jié)點(diǎn)廣播自己成為簇頭的消息，網(wǎng)絡(luò)中的非簇頭節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收信號(hào)的強(qiáng)度決定加入哪個(gè)簇，并通知相關(guān)簇頭。T（n）的計(jì)算公式為：

　　其中，p是簇頭占所有節(jié)點(diǎn)的百分比，r是目前循環(huán)進(jìn)行的輪數(shù)，G是最近1/p輪中還未當(dāng)選過簇頭的節(jié)點(diǎn)集合。Ej_cure是傳感節(jié)點(diǎn)J的當(dāng)前剩余能量，Ej_init是傳感節(jié)點(diǎn)J的初始能量。

　　成簇完成后，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)通過簇頭節(jié)點(diǎn)向全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)通告兩個(gè)閾值：硬閾值和軟閾值。其中硬閾值用來監(jiān)測(cè)溫度和煙霧濃度參數(shù)，當(dāng)參數(shù)超過硬閾值時(shí)，表明可能有火災(zāi)情況發(fā)生。軟閾值用來衡量火災(zāi)參數(shù)的變化，以便對(duì)是否發(fā)生火災(zāi)進(jìn)行初步判斷。

　　3.3 簇的穩(wěn)定階段

　　在簇的穩(wěn)定階段，節(jié)點(diǎn)通過傳感器不斷地感知周圍環(huán)境的溫度和煙霧濃度，當(dāng)節(jié)點(diǎn)第一次監(jiān)測(cè)到數(shù)據(jù)超過硬閾值時(shí)，節(jié)點(diǎn)打開收發(fā)器向簇頭上報(bào)數(shù)據(jù)，并將當(dāng)前監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)保存為監(jiān)測(cè)值（Sensed Value，SV）。節(jié)點(diǎn)繼續(xù)感知數(shù)據(jù)，只有當(dāng)數(shù)據(jù)大于硬閾值，同時(shí)新數(shù)據(jù)與SV之差大于等于軟閾值時(shí)，節(jié)點(diǎn)才再次向簇頭發(fā)送監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并將該監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)保存在SV中。對(duì)于一些非火災(zāi)引起的煙霧，傳感數(shù)據(jù)沒有顯著變化，或者煙霧消失，數(shù)據(jù)正常，節(jié)點(diǎn)也不傳送數(shù)據(jù)，能夠在一定程度上避免誤報(bào)的發(fā)生。

　　3.4 簇的重構(gòu)

　　在簇重構(gòu)過程中，如果新一輪的簇首確定，該簇首可重新設(shè)定和發(fā)布以上兩個(gè)參數(shù)。簇首通過TDMA方法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)調(diào)度，避免沖突碰撞。

　　針對(duì)古建筑的特點(diǎn)，在節(jié)省能量的同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)火災(zāi)進(jìn)行更好的監(jiān)測(cè)。白天，古建筑有人員來往，故不必頻繁地發(fā)送采集數(shù)據(jù)，傳感器采集數(shù)據(jù)，不超過閾值時(shí)，不發(fā)送數(shù)據(jù)，有效地減少通信流量。晚上，古建筑內(nèi)人員減少，巡視的時(shí)間間隔也較長(zhǎng)，監(jiān)控人員在主機(jī)上對(duì)古建筑進(jìn)行整體監(jiān)控。為了防止某些傳感節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)問題，而監(jiān)控人員不知情，在傳感節(jié)點(diǎn)上加入光敏電阻，當(dāng)天黑之后，光線變暗，無論感知數(shù)據(jù)是否達(dá)到閾值要求，均要求感知節(jié)點(diǎn)每隔1個(gè)小時(shí)發(fā)送一次感知數(shù)據(jù)。

　　路由協(xié)議流程圖如圖4所示。

　　感知節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)感知數(shù)據(jù)，并進(jìn)行初步的判斷。感知節(jié)點(diǎn)把需要傳送的數(shù)據(jù)發(fā)送給路由節(jié)點(diǎn)，路由節(jié)點(diǎn)再把需要傳送的數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，之后協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)通過串口把數(shù)據(jù)傳送到監(jiān)控主機(jī)。由于監(jiān)控人員可能出現(xiàn)外出等情況，如果這時(shí)出現(xiàn)火情，監(jiān)控人員將不能及時(shí)接到警報(bào)。為了解決這個(gè)問題，在本系統(tǒng)中，監(jiān)控主機(jī)可以通過3G網(wǎng)絡(luò)將這些數(shù)據(jù)送到安卓系統(tǒng)的手機(jī)上，如圖5所示，這樣，當(dāng)出現(xiàn)異常情況時(shí)，監(jiān)控人員就能隨時(shí)隨地了解情況，及時(shí)應(yīng)對(duì)。

4 結(jié)論

　　本文完成了傳感節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，通過測(cè)試，能夠?qū)崿F(xiàn)基本的采集數(shù)據(jù)、傳送數(shù)據(jù)的功能，同時(shí)給出了適合古建筑火災(zāi)監(jiān)測(cè)的路由協(xié)議。接下來的工作是火災(zāi)監(jiān)測(cè)中，溫度、煙霧濃度的各個(gè)閾值的確定，需要通過實(shí)驗(yàn)總結(jié)，在探測(cè)精度和能耗之間達(dá)到一個(gè)平衡。目前，對(duì)于建筑物內(nèi)部的消防報(bào)警系統(tǒng)而言，沒有獨(dú)立構(gòu)成的無線消防報(bào)警系統(tǒng)，也沒有無線消防報(bào)警系統(tǒng)的國(guó)家及行業(yè)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，均采用有線火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)。對(duì)于古建筑，無線網(wǎng)絡(luò)火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以解決傳統(tǒng)的有線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布線復(fù)雜、造成建筑物的破壞等弊端，是古建筑火災(zāi)監(jiān)測(cè)的理想解決方案。同時(shí)，本文的研究也為推進(jìn)我國(guó)火災(zāi)監(jiān)測(cè)工作的信息化、自動(dòng)化與智能化奠定了理論基礎(chǔ)。

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