摘  要： 針對(duì)復(fù)雜建筑結(jié)構(gòu)、受地理?xiàng)l件限制的場(chǎng)所布設(shè)通信線有困難的問(wèn)題，研制了一種基于433 MHz無(wú)線自組網(wǎng)GPRS的火災(zāi)監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)。以射頻芯片CC1110為無(wú)線自組網(wǎng)核心，搭載SimpliciTI網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，實(shí)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)設(shè)備無(wú)線連接。數(shù)據(jù)中心節(jié)點(diǎn)接入GPRS向消防中心傳輸信息。系統(tǒng)已應(yīng)用于實(shí)際，實(shí)現(xiàn)了本地報(bào)警和遠(yuǎn)程監(jiān)控。

　　關(guān)鍵詞： 無(wú)線自組網(wǎng)；火災(zāi)與可燃?xì)怏w監(jiān)控；433 MHz；SimpliciTI協(xié)議

0 引言

　　越來(lái)越多的大型復(fù)雜建筑、人員密集型場(chǎng)所、地下建筑、危險(xiǎn)品存放地點(diǎn)等的涌現(xiàn)，使傳統(tǒng)有線報(bào)警系統(tǒng)[1]不能滿足要求。無(wú)線自組網(wǎng)[2]無(wú)需基站和鋪設(shè)通信線，覆蓋面廣，探測(cè)器可安放在任意位置，分布節(jié)點(diǎn)多，不受建筑條件限制，布設(shè)簡(jiǎn)單，維護(hù)方便，成本較低，適合各種復(fù)雜建筑結(jié)構(gòu)，是火災(zāi)有線監(jiān)控系統(tǒng)的一種有效補(bǔ)充。

　　在工業(yè)上無(wú)線自組網(wǎng)用得較多的有ZigBee協(xié)議[3]和SimpliciTI協(xié)議[4]。在火災(zāi)監(jiān)控領(lǐng)域，對(duì)ZigBee技術(shù)也有所研究[5]，但是ZigBee使用2.4 GHz頻段，穿透能力差，在建筑物內(nèi)特別在復(fù)雜結(jié)構(gòu)中遠(yuǎn)不如433 MHz穿透能力強(qiáng)、抗干擾性好、傳輸距離遠(yuǎn)。

　　鑒于上述背景，本文研制了基于433 MHz、采用SimpliciTI協(xié)議構(gòu)建無(wú)線自組網(wǎng)的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)。

　　同時(shí)依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范2013》[6]，在研制探測(cè)控制器的基礎(chǔ)上，將可燃?xì)怏w報(bào)警系統(tǒng)納入火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)對(duì)火災(zāi)與可燃?xì)怏w泄漏的同時(shí)監(jiān)測(cè)。

1 433 MHz無(wú)線自組網(wǎng)與通信協(xié)議

　　433 MHz無(wú)線自組網(wǎng)是由分布在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的433 MHz微型無(wú)線接收/發(fā)射節(jié)點(diǎn)，通過(guò)無(wú)線通信協(xié)議的自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，來(lái)采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域里的計(jì)量?jī)x表數(shù)據(jù)。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠茏詣?dòng)配置和管理，同時(shí)自組網(wǎng)中的無(wú)線通信接口設(shè)備能作為數(shù)據(jù)中繼使用，從而形成具有自組功能的多跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。

　　火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)的監(jiān)控設(shè)備位置固定，通信協(xié)議須具備如下功能：能夠自行組建和管理通信網(wǎng)絡(luò)；具有多跳轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制，以延長(zhǎng)通信距離；有較強(qiáng)的抗干擾、抗安全風(fēng)險(xiǎn)能力。

　　SimpliciTI網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是由TI公司開(kāi)發(fā)的針對(duì)低射頻網(wǎng)絡(luò)的小型低功耗無(wú)線自組網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，協(xié)議提供三類無(wú)線通信接口節(jié)點(diǎn)設(shè)備：數(shù)據(jù)中心節(jié)點(diǎn)設(shè)備、范圍擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)設(shè)備和終端節(jié)點(diǎn)設(shè)備。SimpliciTI網(wǎng)絡(luò)協(xié)議定義的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溆悬c(diǎn)對(duì)點(diǎn)和星形網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)范圍擴(kuò)展設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋽U(kuò)展，以多跳形式形成樹(shù)形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹impliciTI網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D1。

　　SimpliciTI協(xié)議有較遠(yuǎn)的傳輸距離和較高的傳輸速率，適合用于火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)。同時(shí)該協(xié)議源代碼開(kāi)放，有利于系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。根據(jù)火災(zāi)監(jiān)控的實(shí)際布局，選用SimpliciTI協(xié)議樹(shù)形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹?/p>

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　本文研制的SimpliciTI樹(shù)形網(wǎng)絡(luò)由終端探測(cè)器節(jié)點(diǎn)、中繼器節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)中心節(jié)點(diǎn)組成。以中心節(jié)點(diǎn)為核心，組成RF 433 MHz通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行節(jié)點(diǎn)間無(wú)線通信。同時(shí)中心節(jié)點(diǎn)接入GPRS連接消防中心PC機(jī)。

　　2.1 433 MHz無(wú)線通信單元

　　433 MHz無(wú)線通信單元是本設(shè)計(jì)的核心，由微處理器模塊、無(wú)線通信模塊、天線模塊和電源模塊組成。

　　無(wú)線通信模塊選用TI公司開(kāi)發(fā)的應(yīng)用SimpliciTI協(xié)議的CC1110芯片，該芯片內(nèi)含一個(gè)增強(qiáng)型8051MCU內(nèi)核和高性能CC1101RF無(wú)線收發(fā)模塊的芯片，包含數(shù)字轉(zhuǎn)換器、定時(shí)器、32 KB Flash和4 KB RAM。同時(shí)集成了一個(gè)高度可配置的調(diào)制解調(diào)器，支持不同的調(diào)制格式，為數(shù)據(jù)包處理、突發(fā)數(shù)據(jù)傳輸?shù)忍峁┯布С?。只需少量外圍元件即可完成系統(tǒng)射頻電路設(shè)計(jì)。由于其內(nèi)含8051MCU，在終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)中無(wú)需外加微處理器。

　　CC1110工作于315 MHz、433 MHz、868 MHz和915 MHz的ISM（工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)學(xué)）免費(fèi)頻段，具有高靈敏度和強(qiáng)抗干擾性?？山档烷_(kāi)發(fā)運(yùn)行成本并減少誤報(bào)漏報(bào)。本設(shè)計(jì)采用433 MHz頻段，主要是考慮433 MHz的強(qiáng)穿透性和抗干擾性，適于復(fù)雜結(jié)構(gòu)建筑和電磁波干擾的區(qū)域。

　　2.2 智能監(jiān)控終端

　　智能終端設(shè)備包括傳感器模塊、微處理器模塊和433 MHz無(wú)線通信模塊，硬件功能如圖2所示。

　　由于終端探測(cè)器中嵌入了微處理器和無(wú)線通信模塊，使其由單一信號(hào)采集功能擴(kuò)展為集信號(hào)采集、數(shù)據(jù)處理和無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸為一體的探測(cè)控制器。依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范2013》，將可燃?xì)怏w報(bào)警系統(tǒng)納入到火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)火災(zāi)煙霧與可燃?xì)怏w泄漏同時(shí)監(jiān)控。

　　此外，探測(cè)控制器在不宜組網(wǎng)建立自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)的區(qū)域，可獨(dú)立使用，在煙霧或可燃?xì)怏w泄漏超過(guò)閾值時(shí)，探測(cè)器會(huì)發(fā)出聲光報(bào)警。

　　智能終端設(shè)備的無(wú)線通信功能為：廣播入網(wǎng)請(qǐng)求；加入數(shù)據(jù)中心節(jié)點(diǎn)設(shè)定好的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)；將采集到的火災(zāi)煙霧和可燃?xì)怏w報(bào)警信息上發(fā)至數(shù)據(jù)中心。

　　2.3 數(shù)據(jù)中心設(shè)備

　　數(shù)據(jù)中心設(shè)備是系統(tǒng)的核心，擔(dān)負(fù)整個(gè)系統(tǒng)433 MHz組網(wǎng)、接收各節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)、報(bào)警、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)顯示及連接外網(wǎng)GPRS向遠(yuǎn)程消防中心傳輸警報(bào)。硬件由微處理器模塊、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸模塊和433 MHz無(wú)線通信模塊組成。主控制器采用MO516微處理器，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控與無(wú)線通信的協(xié)調(diào)功能。無(wú)線通信模塊選用CC1110芯片，GPRS單元選用SIM900A。結(jié)構(gòu)如圖3。

　　數(shù)據(jù)中心設(shè)備的無(wú)線通信模塊的功能為：完成無(wú)線自組網(wǎng)；等待終端和中繼設(shè)備入網(wǎng)并為入網(wǎng)設(shè)備分配端口PORT號(hào)；將終端采集到的警報(bào)信息上傳到消防中心。

　　2.4 中繼器

　　中繼器為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)單元，以微處理器MO516加無(wú)線通信模塊CC1110構(gòu)成。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　軟件設(shè)計(jì)包括終端探測(cè)器程序設(shè)計(jì)、中繼器程序設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)中心程序設(shè)計(jì)。

　　系統(tǒng)初始化之前，使用TI公司的SmartRF Studio應(yīng)用程序，對(duì)系統(tǒng)工作的載波頻率、傳輸速率、信道寬度、數(shù)據(jù)調(diào)制方式等系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

　　軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境采用CCS V4.2。Code Composer Studio是TI公司開(kāi)發(fā)的專門(mén)用于TI的DSP、微處理器和應(yīng)用處理器的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境。

　　SimpliciTI協(xié)議規(guī)定兩個(gè)設(shè)備之間進(jìn)行通信時(shí)，需要有一個(gè)連接過(guò)程。連接信息中要包含一個(gè)4 B的連接標(biāo)志，接受連接的設(shè)備才能允許該設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)連接是協(xié)議的關(guān)鍵步驟，主要通過(guò)偵聽(tīng)、連接和加入實(shí)現(xiàn)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)加入。

　　在SimpliciTI協(xié)議中，一個(gè)網(wǎng)絡(luò)地址由兩部分構(gòu)成：物理地址（由程序設(shè)置）和應(yīng)用層地址（PORT）。物理地址是程序編制過(guò)程設(shè)定的，網(wǎng)絡(luò)中的每一個(gè)設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中有唯一的硬件物理地址。應(yīng)用層地址（PORT）是在設(shè)備加入過(guò)程中分配的。

　　數(shù)據(jù)中心節(jié)點(diǎn)程序流程如圖4。當(dāng)系統(tǒng)上電復(fù)位后，首先進(jìn)行系統(tǒng)的初始化，分別是BSP初始化、協(xié)議棧初始化以及定時(shí)器/串口的初始化。然后等待網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的加入，如果有節(jié)點(diǎn)設(shè)備，建立連接分配PORT編號(hào)；如果沒(méi)有，則監(jiān)測(cè)是否收到數(shù)據(jù)幀。如果有報(bào)警數(shù)據(jù)，則通過(guò)GPRS上報(bào)到遠(yuǎn)程消防中心。

　　中繼設(shè)備節(jié)點(diǎn)的作用是延長(zhǎng)數(shù)據(jù)的通信距離，起到擴(kuò)展設(shè)備通信距離的作用。中繼設(shè)備節(jié)點(diǎn)上電復(fù)位后，首先進(jìn)行BSP、協(xié)議棧、定時(shí)器/串口初始化，然后向數(shù)據(jù)中心節(jié)點(diǎn)發(fā)送加入網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求，等待加入。成功加入網(wǎng)絡(luò)后，等待接收網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)幀，當(dāng)收到網(wǎng)絡(luò)設(shè)備發(fā)送來(lái)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)幀，并判定為合法，則轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)信息。中繼設(shè)備程序框圖如圖5。

　　終端節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集。終端節(jié)點(diǎn)上電復(fù)位后，首先進(jìn)行BSP、協(xié)議棧、定時(shí)器/串口初始化，然后打開(kāi)串口中斷，發(fā)送加入網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求，等待加入。終端節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)后，在事先設(shè)置好的頻率或信道上發(fā)送信息序列，并使用事先設(shè)置的密鑰對(duì)數(shù)據(jù)幀進(jìn)行加密和解密。對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，如果超過(guò)閾值，則將報(bào)警信息發(fā)送至數(shù)據(jù)中心。收到數(shù)據(jù)中心巡檢命令后，采集終端工作狀態(tài)信息，并發(fā)送至數(shù)據(jù)中心。終端節(jié)點(diǎn)程序框圖如圖6。

4 結(jié)論

　　以上介紹的終端探測(cè)控制器，將可燃?xì)怏w監(jiān)控接入火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了火災(zāi)煙霧與可燃?xì)怏w泄漏同時(shí)監(jiān)控。系統(tǒng)采用無(wú)線自組網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸方式，無(wú)需基站，無(wú)需布線，維護(hù)方便，可作為有線方式的有效補(bǔ)充。本系統(tǒng)已在山東、遼寧等地區(qū)應(yīng)用，取得了良好效果，并取得了專利權(quán)[7]。

　　參考文獻(xiàn)

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