無(wú)線(xiàn)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)研究

一、前言

隨著智能樓宇技術(shù)應(yīng)用的迅速發(fā)展，商業(yè)市場(chǎng)對(duì)火災(zāi)報(bào)警器的需求不斷增長(zhǎng)，目前主要使用的是智能型總線(xiàn)制分布式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)，雖然在系統(tǒng)安裝方面比過(guò)去大大方便，但仍然不能滿(mǎn)足現(xiàn)代需要，其安裝成本約占設(shè)備成本的33％～70％。實(shí)際應(yīng)用對(duì)系統(tǒng)的要求如圖1所示。而無(wú)線(xiàn)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)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(duì)建筑物表面的最小破壞性、對(duì)功能變化的易適應(yīng)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(yīng)用。德國(guó)、日本、美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)無(wú)線(xiàn)火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)的研究投入大量人力、財(cái)力。無(wú)線(xiàn)火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)是典型的多傳感器的事件驅(qū)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(tǒng)的可靠性、可信度、必須考慮室內(nèi)多路徑散射、回波、干擾、中斷、碰撞探測(cè)等處理；②系統(tǒng)的最小工作生命周期為5年；③總機(jī)和探測(cè)器間必須雙向通信；④報(bào)警信號(hào)的傳輸時(shí)間必須在10秒內(nèi)；⑤系統(tǒng)干擾、故障探測(cè)反映時(shí)間要小于100秒。[1]

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(jì)算技術(shù)、現(xiàn)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(jiān)測(cè)、感知和采集網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中各種環(huán)境或監(jiān)測(cè)對(duì)象的信息，并對(duì)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(shù)據(jù)處理中心。WSN的應(yīng)用前景十分廣闊，在軍事、工農(nóng)業(yè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)，醫(yī)療護(hù)理、危險(xiǎn)區(qū)域遠(yuǎn)程控制等領(lǐng)域都有潛在的應(yīng)用價(jià)值，已經(jīng)引起了許多國(guó)家學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的高度重視。[2]

二、火災(zāi)探測(cè)WSN網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

要設(shè)計(jì)出具有可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)的火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)，其要求是：①當(dāng)有火情發(fā)生時(shí)，能以最快的速度檢測(cè)報(bào)警，并能檢測(cè)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(rèn)后，能及時(shí)的通報(bào)消防部門(mén)滅火；③系統(tǒng)本身應(yīng)有自身故障檢測(cè)的功能，如系統(tǒng)欠電壓報(bào)警和自檢功能等，保證自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)功能完好；④較高的系統(tǒng)抗干擾能力，防止系統(tǒng)發(fā)生誤報(bào)警。⑤相對(duì)較長(zhǎng)的系統(tǒng)工作生命周期。

針對(duì)火災(zāi)探測(cè)應(yīng)用的實(shí)際情況，采用基于簇的分層結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)較為合理，在穩(wěn)定運(yùn)行階段，簇中的所有節(jié)點(diǎn)按照時(shí)分復(fù)用的方式向相應(yīng)的簇頭發(fā)送數(shù)據(jù)。如圖2所示。

基于簇（Cluster）的分層結(jié)構(gòu)具有天然的分布式處理能力[3]，簇頭FLCH（First Level Cluster Heads）就是分布式區(qū)域處理中心，每個(gè)簇成員SN（Simple Node）都把數(shù)據(jù)傳給簇頭，數(shù)據(jù)融合后再傳給SLCH（Second Level Cluster Heads）節(jié)點(diǎn)。 FLCH節(jié)點(diǎn)和SN節(jié)點(diǎn)之間通過(guò)ZigBee技術(shù)實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)的信息交換；帶有射頻收發(fā)器的SN節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)對(duì)火災(zāi)數(shù)據(jù)的感知和處理并傳送給FLCH節(jié)點(diǎn)；FLCH節(jié)點(diǎn)處理的數(shù)據(jù)直接傳給SLCH節(jié)點(diǎn), SLCH節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)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(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的有效控制和管理。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

為了達(dá)到傳感器的實(shí)用數(shù)量、減少網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性、降低網(wǎng)絡(luò)整體的功耗，基于每個(gè)火災(zāi)傳感器節(jié)點(diǎn)和FLCH節(jié)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(jié)點(diǎn)（SN）火災(zāi)發(fā)生時(shí)，能自動(dòng)醒來(lái)和FLCH節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信；否則工作于睡眠狀態(tài)并采用低功率監(jiān)測(cè)信道，以節(jié)約傳感器節(jié)點(diǎn)功耗并拒絕接受非法的連接訪(fǎng)問(wèn)請(qǐng)求，大大降低了接入FLCH節(jié)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(zāi)探測(cè)的特殊性

1、建筑物對(duì)信號(hào)的影響

在建筑物內(nèi)，發(fā)射和接收間的信號(hào)傳播主要受多徑反射的影響，信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)是多種波的總和，因此決定反射／吸收特性的建筑材料和內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)于輻射范圍是決定性的。圖4表示某建筑物內(nèi)的信號(hào)衰減情況；距離越遠(yuǎn)，場(chǎng)強(qiáng)越弱，在建筑物內(nèi)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(duì)無(wú)線(xiàn)信號(hào)的衰減情況如表1所示。

為了保證系統(tǒng)在５－６年時(shí)間里能夠可靠通信，并考慮到各種可能的結(jié)構(gòu)環(huán)境，對(duì)衰減預(yù)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(yù)留量為25dBm，所以實(shí)際有效的衰減預(yù)算值約為95 dBm。

2、網(wǎng)絡(luò)的完整性驗(yàn)證

為了可靠地探測(cè)報(bào)警，每一個(gè)探測(cè)器節(jié)點(diǎn)必須保證正常工作，維護(hù)網(wǎng)絡(luò)的完整性。當(dāng)任意節(jié)點(diǎn)受到干擾或出現(xiàn)故障時(shí)或鏈路斷裂時(shí)，臨近節(jié)點(diǎn)會(huì)自動(dòng)救援，將需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)發(fā)送。其自組織連接過(guò)程如圖5所示。

3、火災(zāi)特定算法的嵌入

目前國(guó)內(nèi)總線(xiàn)型火災(zāi)探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)已經(jīng)由開(kāi)關(guān)型逐步過(guò)渡到模擬量系統(tǒng)，但要真正達(dá)到智能系統(tǒng)，仍有一定距離，在設(shè)計(jì)新型系統(tǒng)時(shí)最好融入最新的火災(zāi)智能算法如概率估計(jì)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、人工智能等最新研究成果，使得系統(tǒng)得可靠性和智能化大大提高。

四、系統(tǒng)工作原理

對(duì)于一個(gè)完整的火災(zāi)傳感器節(jié)點(diǎn)，需要具有小尺寸、低功耗、適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，ZigBee設(shè)備為低功耗設(shè)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(cè)和鏈路質(zhì)量指示，根據(jù)這些檢測(cè)結(jié)果，設(shè)備可自動(dòng)調(diào)整設(shè)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(shè)備能量，SD 節(jié)點(diǎn)在睡眠狀態(tài)時(shí)，功耗電流約為30uA。在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)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(jié)點(diǎn)上報(bào)給FLCH節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)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(zhǎng)度為128位的加密算法，對(duì)所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息進(jìn)行加密處理。

SN節(jié)點(diǎn)由Zigbee模塊（CC2420和Atmegal-128L兩部分所組成）、硬件檢測(cè)電路。硬件檢測(cè)電路檢測(cè)火災(zāi)傳感器節(jié)點(diǎn)所在的環(huán)境，當(dāng)火災(zāi)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(duì)信息進(jìn)行處理后，再以無(wú)線(xiàn)的方式傳送給FLCH節(jié)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(yàn)證。在初始化通信過(guò)程中，F(xiàn)LCH節(jié)點(diǎn)主動(dòng)廣播連接信令，在SN節(jié)點(diǎn)成功地接收和驗(yàn)證一個(gè)數(shù)據(jù)幀和MAC命令幀后，向FLCH節(jié)點(diǎn)返回確認(rèn)幀，SN節(jié)點(diǎn)的Zigbee模塊被置于Sleep工作模式，接下來(lái)FLCH節(jié)點(diǎn)與 SN節(jié)點(diǎn)進(jìn)行主從角色轉(zhuǎn)換，F(xiàn)LCH節(jié)點(diǎn)模塊處于從模式工作狀態(tài)，等候響應(yīng)連接請(qǐng)求信令；此時(shí)SN節(jié)點(diǎn)中的Zigbee模塊工作在主模式下，等待著有需求時(shí)喚醒發(fā)起連接請(qǐng)求。在初始化結(jié)束后，SN節(jié)點(diǎn)Zigbee模塊工作于Sleep模式，拒絕任何的連接請(qǐng)求。這種設(shè)計(jì)大大降低了傳感器節(jié)點(diǎn)的功耗；并且傳感器節(jié)點(diǎn)只是在有需求時(shí)喚醒并主動(dòng)與FLCH節(jié)點(diǎn)建立連接，保證了FLCH節(jié)點(diǎn)和傳感器節(jié)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(jié)點(diǎn)的硬件檢測(cè)電路檢測(cè)到其所在的環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，由傳感器節(jié)點(diǎn)中的Zigbee模塊對(duì)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(jié)點(diǎn)，由于在工程中測(cè)試結(jié)論已表明，該無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的SN節(jié)點(diǎn)99％以上的時(shí)間處于Sleep狀態(tài)，只需要周期性地監(jiān)聽(tīng)其無(wú)線(xiàn)信道，判斷是否有需要自己處理的數(shù)據(jù)消息，功耗的數(shù)學(xué)期望值可低至30μA。[4][5]

3、Zigbee基站節(jié)點(diǎn)和GSM數(shù)據(jù)模塊

分布在傳感器網(wǎng)絡(luò)中的基站（BS）節(jié)點(diǎn)主要用于接收SN節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)上報(bào)，并將其進(jìn)行融合處理，傳給TC35數(shù)據(jù)模塊,通過(guò)GSM網(wǎng)絡(luò)傳遞給中央信息控制中心。BS節(jié)點(diǎn)由Zigbee模塊、MCUAtmegal-128L、GSM數(shù)據(jù)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(xiàn)的，它們之間的通信速度為38.4kBaud，由于傳感器網(wǎng)絡(luò)中分布著多個(gè)SLCH節(jié)點(diǎn)，因此基站節(jié)點(diǎn)的MCU要利用軟件中斷實(shí)現(xiàn)對(duì)不同ID 的SLCH節(jié)點(diǎn)上傳數(shù)據(jù)輪詢(xún)掃描，使SLCH節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)可以有序、完整地通過(guò)微控制器處理后傳出�；�站（BS）節(jié)點(diǎn)在此傳感器網(wǎng)絡(luò)中充當(dāng)?shù)氖莻鞲衅鞴?jié)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(jié)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(duì)GSM控制器進(jìn)行寫(xiě)操作，模塊支持標(biāo)準(zhǔn)AT指令，可采用SIMENS增強(qiáng)AT指令控制進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，在工程應(yīng)用時(shí)，只需要給模塊配備 SIM即可[6]。

4、中央信息控制中心

中央信息控制中心由監(jiān)控模塊、配置模塊、數(shù)據(jù)庫(kù)三個(gè)部分組成。它通過(guò)GSM網(wǎng)絡(luò)與多個(gè)匯節(jié)點(diǎn)間接連接在一起，監(jiān)控模塊通過(guò)對(duì)通信串口的實(shí)時(shí)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)對(duì)分布式匯節(jié)點(diǎn)上報(bào)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(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)的間接、實(shí)時(shí)性的監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集。

五、實(shí)驗(yàn)結(jié)果

選用GAINZ節(jié)點(diǎn)模塊和事件驅(qū)動(dòng)接口板，選取部分火災(zāi)探測(cè)智能算法，取得初步的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。結(jié)果表明采用標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，結(jié)合火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)特點(diǎn)，和智能算法在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN構(gòu)架下，開(kāi)發(fā)火災(zāi)智能無(wú)線(xiàn)報(bào)警系統(tǒng)是可行的�；馂�(zāi)無(wú)線(xiàn)傳感器硬件和軟件平臺(tái)的設(shè)計(jì)對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用至關(guān)重要，作為整個(gè)系統(tǒng)的底層支持，其必然向微型化、高度集成化、網(wǎng)絡(luò)化、節(jié)能化、智能化的方向發(fā)展，近幾年，隨著計(jì)算機(jī)成本下降和微處理器體積縮小，開(kāi)發(fā)和構(gòu)造火災(zāi)智能無(wú)線(xiàn)報(bào)警系統(tǒng)將有廣闊的應(yīng)用前景。工程試驗(yàn)結(jié)果充分顯示了技術(shù)的可行性和實(shí)現(xiàn)的有效性。

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