摘 要： 傳統(tǒng)的古建筑火災(zāi)監(jiān)測體系采用有線網(wǎng)絡(luò)的方式，存在許多弊端。為了解決這個問題，結(jié)合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，基于CC2530芯片，針對古建筑的建筑特點和環(huán)境參數(shù)需求，設(shè)計實現(xiàn)了適合古建筑的火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)。硬件部分設(shè)計了傳感節(jié)點，軟件部分設(shè)計了系統(tǒng)的路由策略。系統(tǒng)中傳感節(jié)點通過無線模塊將自身的溫度、光強和氣體信息送到協(xié)調(diào)器節(jié)點，協(xié)調(diào)器節(jié)點將收集到的數(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)控人員隨時了解情況。
關(guān)鍵詞： CC2530；古建筑；無線火災(zāi)監(jiān)測
0 引言
目前，在古建筑物早期火災(zāi)探測和報警上，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)，造成了對古建筑的破壞，同時線路本身也是很大的火災(zāi)隱患。現(xiàn)在迫切需要一種新型的適合古建筑的火災(zāi)監(jiān)測系統(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，無線報警系統(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，確定采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來實時、精確地實現(xiàn)古建筑火災(zāi)監(jiān)測[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)測網(wǎng)絡(luò)采用數(shù)據(jù)聚合的層次組網(wǎng)方式，由一個匯聚節(jié)點、多個路由節(jié)點和多個傳感節(jié)點構(gòu)成。傳感節(jié)點將采集的溫度、光強和氣體信息發(fā)送給傳感節(jié)點所在簇的路由節(jié)點，路由節(jié)點把數(shù)據(jù)匯聚之后發(fā)送給匯聚節(jié)點，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)測系統(tǒng)如圖1所示。
2 基于CC2530的傳感節(jié)點硬件設(shè)計
2.1 傳感節(jié)點的硬件系統(tǒng)框圖
傳感節(jié)點硬件系統(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)探測單元包括溫度傳感器模塊和煙霧傳感器模塊，同時基于節(jié)能的考慮，加入了光強感知模塊。當(dāng)出現(xiàn)異常情況時，蜂鳴器發(fā)出警報。
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)合了一個完全集成了精簡指令集的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
傳感器是數(shù)據(jù)采集的核心模塊，種類繁多，用于測量各種物理量，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)字溫度計是DALLAS公司生產(chǎn)的單總線器件，具有線路簡單、體積小的特點。只要求一個端口即可實現(xiàn)通信，實際應(yīng)用中不需要外部任何元器件即可實現(xiàn)測溫，測量溫度范圍在－55℃~+125℃之間，數(shù)字溫度計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個用于信號取出，外部能源通過另外2個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)點和協(xié)調(diào)節(jié)點間建立路由，可靠地傳遞數(shù)據(jù)。其首要設(shè)計原則是節(jié)省能量，延長網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的生存期。針對火災(zāi)發(fā)生的突發(fā)性特點，為了降低整個網(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)測數(shù)據(jù)的變化做出快速反應(yīng)，對于傳感屬性值高于給定閾值的數(shù)據(jù)，及時監(jiān)測突發(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)測的特點，提出了一種適合古建筑火災(zāi)監(jiān)測的層次路由協(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)廣播一個起始消息，當(dāng)所有的節(jié)點收到這個消息后，它們分別向協(xié)調(diào)器返回一個帶有節(jié)點自身ID號和節(jié)點自身剩余能量的消息[5]。
3.2 簇的建立階段
在這個階段，本文采取周期性等概率隨機(jī)選取簇首的方式，同時綜合考慮節(jié)點的剩余能量，以平衡網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點的能量消耗。每輪中，每個傳感節(jié)點選擇[0，1]之間的一個隨機(jī)數(shù)，如果選定的值小于T（n），則該節(jié)點向周圍節(jié)點廣播自己成為簇頭的消息，網(wǎng)絡(luò)中的非簇頭節(jié)點根據(jù)接收信號的強度決定加入哪個簇，并通知相關(guān)簇頭。T（n）的計算公式為：
其中，p是簇頭占所有節(jié)點的百分比，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)點集合。Ej_cure是傳感節(jié)點J的當(dāng)前剩余能量，Ej_init是傳感節(jié)點J的初始能量。
成簇完成后，協(xié)調(diào)器節(jié)點通過簇頭節(jié)點向全網(wǎng)節(jié)點通告兩個閾值：硬閾值和軟閾值。其中硬閾值用來監(jiān)測溫度和煙霧濃度參數(shù)，當(dāng)參數(shù)超過硬閾值時，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)點第一次監(jiān)測到數(shù)據(jù)超過硬閾值時，節(jié)點打開收發(fā)器向簇頭上報數(shù)據(jù)，并將當(dāng)前監(jiān)測數(shù)據(jù)保存為監(jiān)測值（Sensed Value，SV）。節(jié)點繼續(xù)感知數(shù)據(jù)，只有當(dāng)數(shù)據(jù)大于硬閾值，同時新數(shù)據(jù)與SV之差大于等于軟閾值時，節(jié)點才再次向簇頭發(fā)送監(jiān)測數(shù)據(jù)，并將該監(jiān)測數(shù)據(jù)保存在SV中。對于一些非火災(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)點也不傳送數(shù)據(jù)，能夠在一定程度上避免誤報的發(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)布以上兩個參數(shù)。簇首通過TDMA方法實現(xiàn)數(shù)據(jù)調(diào)度，避免沖突碰撞。
針對古建筑的特點，在節(jié)省能量的同時實現(xiàn)對火災(zāi)進(jìn)行更好的監(jiān)測。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，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，巡視的時間間隔也較長，監(jiān)控人員在主機(jī)上對古建筑進(jìn)行整體監(jiān)控。為了防止某些傳感節(jié)點出現(xiàn)問題，而監(jiān)控人員不知情，在傳感節(jié)點上加入光敏電阻，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)點每隔1個小時發(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)點負(fù)責(zé)感知數(shù)據(jù)，并進(jìn)行初步的判斷。感知節(jié)點把需要傳送的數(shù)據(jù)發(fā)送給路由節(jié)點，路由節(jié)點再把需要傳送的數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器節(jié)點，之后協(xié)調(diào)器節(jié)點通過串口把數(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，如果這時出現(xiàn)火情，監(jiān)控人員將不能及時接到警報。為了解決這個問題，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，監(jiān)控人員就能隨時隨地了解情況，及時應(yīng)對。
4 結(jié)論
本文完成了傳感節(jié)點的設(shè)計和實現(xiàn)，通過測試，能夠?qū)崿F(xiàn)基本的采集數(shù)據(jù)、傳送數(shù)據(jù)的功能，同時給出了適合古建筑火災(zāi)監(jiān)測的路由協(xié)議。接下來的工作是火災(zāi)監(jiān)測中，溫度、煙霧濃度的各個閾值的確定，需要通過實驗總結(jié)，在探測精度和能耗之間達(dá)到一個平衡。目前，對于建筑物內(nèi)部的消防報警系統(tǒng)而言，沒有獨立構(gòu)成的無線消防報警系統(tǒng)，也沒有無線消防報警系統(tǒng)的國家及行業(yè)驗收標(biāo)準(zhǔn)，均采用有線火災(zāi)報警系統(tǒng)。對于古建筑，無線網(wǎng)絡(luò)火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)可以解決傳統(tǒng)的有線監(jiān)測系統(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)測的理想解決方案。同時，本文的研究也為推進(jìn)我國火災(zāi)監(jiān)測工作的信息化、自動化與智能化奠定了理論基礎(chǔ)。
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