《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于433 MHz無(wú)線自組網(wǎng)的火災(zāi)監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)
2015年微型機(jī)與應(yīng)用第23期
葛 嵐,,陳俊愷
(煙臺(tái)金盾電氣防火檢測(cè)中心,,山東 煙臺(tái) 264005)
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,。
Abstract:
Key words :

  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(mǎn)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(lèi)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,。

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  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帧V恍枭倭客鈬纯赏瓿上到y(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,。可降低開(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

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  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,。

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  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(zhuān)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,。

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  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,。

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  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,。

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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(zhuān)利權(quán)[7],。

  參考文獻(xiàn)

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