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一、前言 隨著智能樓宇技術應用的迅速發展，商業市場對火災報警器的需求不斷增長，目前主要使用的是智能型總線制分布式計算機系統的火災報警系統，雖然在系統安裝方面比過去大大方便，但仍然不能滿足現代需要，其安裝成本約占設備成本的33％～70％。實際應用對系統的要求如圖1所示。而無線火災報警系統能夠滿足目前要求，它具有安裝容易、快捷、便宜、無需布線、對建筑物表面的最小破壞性、對功能變化的易適應性等特點。 雖然WSN（Wireless Sensor Networks）正處于完善的迅速發展時期，但并沒有妨礙它在各領域的應用。德國、日本、美國等發達國家對無線火災自動報警系統的研究投入大量人力、財力。無線火災自動報警系統是典型的多傳感器的事件驅動型無線傳感器網絡WSN，但又具有其特殊要求： ①系統的可靠性、可信度、必須考慮室內多路徑散射、回波、干擾、中斷、碰撞探測等處理； ②系統的最小工作生命周期為5年； ③總機和探測器間必須雙向通信； ④報警信號的傳輸時間必須在10秒內； ⑤系統干擾、故障探測反映時間要小于100秒。 無線傳感器網絡（WSN）綜合了微電子技術、嵌入式計算技術、現代網絡及無線通信技術、分布式信息處理技術等先進技術，能夠協同地實時監測、感知和采集網絡覆蓋區域中各種環境或監測對象的信息，并對其進行處理，處理后的信息通過無線方式發送，并以自組多跳（Self Organizing Hop）的網絡方式傳送給數據處理中心。WSN的應用前景十分廣闊，在軍事、工農業、環境監測，醫療護理、危險區域遠程控制等領域都有潛在的應用價值，已經引起了許多國家學術界和工業界的高度重視。 二、火災探測WSN網絡體系結構 要設計出具有可靠性高、抗干擾能力強的火災自動報警系統，其要求是： ①當有火情發生時，能以最快的速度檢測報警，并能檢測火情發生的具體地點（特定的地址編碼）； ②經查實確認后，能及時的通報消防部門滅火； ③系統本身應有自身故障檢測的功能，如系統欠電壓報警和自檢功能等，保證自動報警系統功能完好； ④較高的系統抗干擾能力，防止系統發生誤報警。⑤相對較長的系統工作生命周期。 針對火災探測應用的實際情況，采用基于簇的分層結構網絡較為合理，在穩定運行階段，簇中的所有節點按照時分復用的方式向相應的簇頭發送數據。如圖2所示。 基于簇（Cluster）的分層結構具有天然的分布式處理能力，簇頭FLCH（First Level Cluster Heads）就是分布式區域處理中心，每個簇成員SN（Simple Node）都把數據傳給簇頭，數據融合后再傳給SLCH（Second Level Cluster Heads）節點。 FLCH節點和SN節點之間通過Zigbee技術實現無線的信息交換；帶有射頻收發器的SN節點負責對火災數據的感知和處理并傳送給FLCH節點；FLCH節點處理的數據直接傳給SLCH節點, SLCH節點的數據經中繼器或直接傳至樓宇管理中心，然后再經GSM網絡上傳于消防控制中心，控制中心通過GSM網絡獲取采集到的相關信息，實現對現場的有效控制和管理。系統結構如圖3所示。 為了達到傳感器的實用數量、減少網絡的復雜性、降低網絡整體的功耗，基于每個火災傳感器節點和FLCH節點之間通信量較小的特點，提出一種基于需求時喚醒（Wake up On-demand ）的工作模式，即傳感器節點（SN）火災發生時，能自動醒來和FLCH節點進行通信；否則工作于睡眠狀態并采用低功率監測信道，以節約傳感器節點功耗并拒絕接受非法的連接訪問請求，大大降低了接入FLCH節點時消息碰撞的概率，極大地增加了傳感器網絡容量。 三、火災探測的特殊性 1、建筑物對信號的影響 在建筑物內，發射和接收間的信號傳播主要受多徑反射的影響，信號場強是多種波的總和，因此決定反射／吸收特性的建筑材料和內部結構對于輻射范圍是決定性的。圖4表示某建筑物內的信號衰減情況；距離越遠，場強越弱，在建筑物內部，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。幾種障礙物對無線信號的衰減情況如表1所示。 為了保證系統在５－６年時間里能夠可靠通信，并考慮到各種可能的結構環境，對衰減預算量，即發射功率與最小接收功率之差，一般為115dBm。而衰減預留量為25dBm，所以實際有效的衰減預算值約為95 dBm。 2、網絡的完整性驗證 為了可靠地探測報警，每一個探測器節點必須保證正常工作，維護網絡的完整性。當任意節點受到干擾或出現故障時或鏈路斷裂時，臨近節點會自動救援，將需要傳輸的數據發送。其自組織連接過程如圖5所示。 3、火災特定算法的嵌入 目前國內總線型火災探測報警系統已經由開關型逐步過渡到模擬量系統，但要真正達到智能系統，仍有一定距離，在設計新型系統時最好融入最新的火災智能算法如概率估計、神經網絡、人工智能等最新研究成果，使得系統得可靠性和智能化大大提高。 四、系統工作原理 對于一個完整的火災傳感器節點，需要具有小尺寸、低功耗、適應性強的特點，Zigbee設備為低功耗設備，其發射輸出0dbm～3.6dbm，通信距離為 30米～70米，具有能量檢測和鏈路質量指示，根據這些檢測結果，設備可自動調整設備的發射功率，在保證通信鏈路質量的條件下，最小地消耗設備能量，SD 節點在睡眠狀態時，功耗電流約為30uA。在網絡數據通信時，Zigbee建立一次連接的時間約為20-30ms，這樣短的連接時間可以大大減少傳感器節點上報給FLCH節點數據碰撞的概率；在網絡安全方面，無線傳感器網絡在Zigbee技術上，采用了密鑰長度為128位的加密算法，對所傳輸的數據信息進行加密處理。 SN節點由Zigbee模塊（CC2420和Atmegal-128L兩部分所組成）、硬件檢測電路。硬件檢測電路檢測火災傳感器節點所在的環境，當火災發生變化時，觸發Zigbee模塊的I/O中斷將信息傳送給Zigbee模塊，模塊從睡眠狀態喚醒，模塊利用自身的控制芯片對信息進行處理后，再以無線的方式傳送給FLCH節點。 1、Zigbee模塊初始化過程 Zigbee模塊進行通信之前需要進行有效的初始化，初始化也是網絡的完整性和有效性驗證。在初始化通信過程中，FLCH節點主動廣播連接信令，在SN節點成功地接收和驗證一個數據幀和MAC命令幀后，向FLCH節點返回確認幀，SN節點的Zigbee模塊被置于Sleep工作模式，接下來FLCH節點與 SN節點進行主從角色轉換，FLCH節點模塊處于從模式工作狀態，等候響應連接請求信令；此時SN節點中的Zigbee模塊工作在主模式下，等待著有需求時喚醒發起連接請求。在初始化結束后，SN節點Zigbee模塊工作于Sleep模式，拒絕任何的連接請求。這種設計大大降低了傳感器節點的功耗；并且傳感器節點只是在有需求時喚醒并主動與FLCH節點建立連接，保證了FLCH節點和傳感器節點間通信的安全可靠。 2、Zigbee模塊信息處理過程 信息處理過程是在傳感器節點的硬件檢測電路檢測到其所在的環境發生變化時，由傳感器節點中的Zigbee模塊對信息簡單處理后，主動發起連接將處理后的信息傳送給FLCH節點，由于在工程中測試結論已表明，該無線傳感器網絡的SN節點99％以上的時間處于Sleep狀態，只需要周期性地監聽其無線信道，判斷是否有需要自己處理的數據消息，功耗的數學期望值可低至30μA。 3、Zigbee基站節點和GSM數據模塊 分布在傳感器網絡中的基站（BS）節點主要用于接收SN節點的數據上報，并將其進行融合處理，傳給TC35數據模塊,通過GSM網絡傳遞給中央信息控制中心。BS節點由Zigbee模塊、MCUAtmegal-128L、GSM數據模塊TC35組成。Zigbee模塊和微控制器之間的連接是通過異步串行口實現的，它們之間的通信速度為38.4kBaud，由于傳感器網絡中分布著多個SLCH節點，因此基站節點的MCU要利用軟件中斷實現對不同ID 的SLCH節點上傳數據輪詢掃描，使SLCH節點的數據可以有序、完整地通過微控制器處理后傳出。基站（BS）節點在此傳感器網絡中充當的是傳感器節點和 GSM網絡之間的網關。利用Atmegal-128L控制TC35模塊完成BS節點和控制中心的通信。Atmegal-128L與TC35通過異步串行口相連，通過AT指令對GSM控制器進行寫操作，模塊支持標準AT指令，可采用SIMENS增強AT指令控制進行數據傳輸，在工程應用時，只需要給模塊配備 SIM即可。 4、中央信息控制中心 中央信息控制中心由監控模塊、配置模塊、數據庫三個部分組成。它通過GSM網絡與多個匯節點間接連接在一起，監控模塊通過對通信串口的實時監控，實現對分布式匯節點上報信息的及時接收、解析、處理以及發送控制信令給不同ID的SLCH節點實現對傳感器節點的間接、實時性的監控和數據采集。 五、實驗結果 選用GAINZ節點模塊和事件驅動接口板，選取部分火災探測智能算法，取得初步的實驗結果。結果表明采用標準的網絡協議，結合火災探測系統特點，和智能算法在無線傳感器網絡WSN構架下，開發火災智能無線報警系統是可行的。火災無線傳感器硬件和軟件平臺的設計對于整個系統的開發與應用至關重要，作為整個系統的底層支持，其必然向微型化、高度集成化、網絡化、節能化、智能化的方向發展，近幾年，隨著計算機成本下降和微處理器體積縮小，開發和構造火災智能無線報警系統將有廣闊的應用前景。工程試驗結果充分顯示了技術的可行性和實現的有效性。 |
