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(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

0 引言

　　目前,，在古建筑物早期火災(zāi)探測和報(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(shí)時(shí),、精確地實(shí)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(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(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(jì)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(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)測溫，測量溫度范圍在－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(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(shí)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(diǎn)，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(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)測數(shù)據(jù)保存為監(jiān)測值（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(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,。

　　針對古建筑的特點(diǎn),，在節(jié)省能量的同時(shí)實(shí)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(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,，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(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,。

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(gè)閾值的確定，需要通過實(shí)驗(yàn)總結(jié),，在探測精度和能耗之間達(dá)到一個(gè)平衡,。目前，對于建筑物內(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(shí)，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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