摘 要： 為了減少樓宇火災中人員的傷亡與財物損失,針對現(xiàn)有消防報警系統(tǒng)施工與維護復雜、抗干擾能力低等問題,提出了基于ZigBee靜態(tài)網絡與移動節(jié)點相結合，監(jiān)測、顯示、儲存為一體的可靠的無線火警遠程監(jiān)控與定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用基于IEEE 802.15.4標準的ZigBee技術，硬件平臺以集成了射頻與51微控制器的CC2430芯片和AVR單片機為核心，軟件采用了TI公司的Zstack協(xié)議棧。經過實驗，該系統(tǒng)能夠監(jiān)測樓層各房間的煙霧濃度和溫濕度信息，并由監(jiān)控終端根據預先設定的閾值，判斷是否有火災發(fā)生，定時報告房間的安全情況。該系統(tǒng)具有良好的應用前景和經濟效益。

　　關鍵詞： ZigBee技術;無線傳感網絡;CC2431定位;消防報警系統(tǒng)

0 引言

　　隨著城市現(xiàn)代化的迅速發(fā)展，人員密集的現(xiàn)代建筑越來越多，加上可燃裝修材料和現(xiàn)代化設施的增多，這些建筑一旦發(fā)生火災將產生嚴重后果，因此對消防的要求也提升到了新的高度。本文對基于ZigBee技術[1]的樓宇消防系統(tǒng)進行了研究，利用無線傳感器網絡[2]部署簡單、不需頻繁更換電池、成本低、維護方便等優(yōu)點，通過大量、密集布置節(jié)點來觀察環(huán)境信息，為消防環(huán)境監(jiān)測提供新途徑，以解決傳統(tǒng)火災自動報警系統(tǒng)[3]在實際應用中存在的施工與維護復雜、抗干擾能力低、故障率和誤報率高等問題。在消防領域,可利用嵌入在煙霧感測器中的ZigBee無線模塊組成一個全無線的消防報警網絡,該網絡兼有無線追蹤定位功能,可通過建筑物內的無線傳感器網絡及消防人員隨身攜帶的移動裝置,動態(tài)掌握進入火災現(xiàn)場的人員位置和狀態(tài)。其成果在一定程度上加快了遇險消防員的定位速度，有效縮短搜救時間，保障了遇險消防員和搜救人員共同的安全。

1 系統(tǒng)總體設計

　　本文重點實現(xiàn)三個功能,一為節(jié)點間數(shù)據的傳輸,二為無線傳感網絡的建立,三為網絡覆蓋范圍內節(jié)點的定位。系統(tǒng)由兩個子系統(tǒng)構成：遠程消防監(jiān)控系統(tǒng)和定位系統(tǒng)。遠程消防監(jiān)控系統(tǒng)的總體結構如圖1所示。

　　監(jiān)控系統(tǒng)的工作流程是由集成傳感器采集數(shù)據，然后經AVR單片機處理，AVR單片機將數(shù)據通過串口RS232傳給ZigBee節(jié)點。如果采集的數(shù)據超過設定值，AVR單片機將驅動噴水滅火與報警裝置；如果采集的數(shù)據未超過設定值，ZigBee節(jié)點將把接收到的數(shù)據通過ZigBee網絡傳到協(xié)調器，協(xié)調器節(jié)點通過網關轉換將數(shù)據傳送到Internet，監(jiān)控中心通過進入Internet網絡監(jiān)控并控制報警與滅火裝置。

　　定位系統(tǒng)[4]則是消防監(jiān)控系統(tǒng)中的一個重要補充，其工作過程為：當位于某一房間內的傳感器檢測到火災時，起火點的報警器將被觸發(fā)，并及時向建筑物內人員發(fā)出危險警示，告知人員迅速撤離現(xiàn)場。同時立即將信號傳給監(jiān)控中心，通過對應節(jié)點的ID得出所在房間的位置，測控中心便可立刻依據定位系統(tǒng)上報的地點安排消防救護工作，指引消防人員快速進入現(xiàn)場。無線ZigBee網絡還可自動追蹤進入火災現(xiàn)場的消防人員的位置信息，消防指揮官可通過無線傳感器網絡及消防人員隨身攜帶的移動裝置，動態(tài)掌握進入人員的位置和狀態(tài)。

2 監(jiān)控系統(tǒng)設計

　　遠程消防監(jiān)控系統(tǒng)主要實現(xiàn)兩方面監(jiān)控:樓道與走廊的監(jiān)控和室內的監(jiān)控。監(jiān)控系統(tǒng)由數(shù)據采集、數(shù)據傳輸、網關、監(jiān)控終端等部分構成。數(shù)據采集部分如圖2所示。

　　數(shù)據采集部分主要是探測智能樓宇中各種火情火警信息，是整個智能樓宇消防系統(tǒng)的最基礎的部分，在本文設計的智能樓宇消防系統(tǒng)中，能夠支持的火情探測類型主要包括煙霧探測、溫度探測、濕度探測和火焰探測。在具體實施時，這些探測器將采用分布式的方式部署在整個智能樓宇中的各個角落，實時地監(jiān)控智能樓宇中的各種火情信息。系統(tǒng)硬件由火焰?zhèn)鞲衅髂K、蜂鳴器、溫濕度傳感器DHT11、煙霧濃度傳感器MQ-2、AVR單片機（采用ATMEL公司的8位ATmega128）和CC2430組成。供電電壓5 V。

　　數(shù)據傳輸主要指CC2430與AVR單片機之間的串口通信以及ZigBee節(jié)點之間的無線網絡通信。數(shù)據傳輸?shù)哪康氖前褦?shù)據無線傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，通過監(jiān)控中心來控制傳感節(jié)點。

　　網關是在高性能、低功耗的AVR系列微處理器上設計一個ZigBee與WiFi的無線數(shù)據轉發(fā)設備。以便更好地將ZigBee、WiFi設備與傳統(tǒng)的以太網連接起來，實現(xiàn)兩個異構網絡之間的數(shù)據透明轉換和數(shù)據傳輸。

　　監(jiān)控終端由PC機或手機構成。

　　遠程消防監(jiān)控系統(tǒng)的總體流程如圖3所示。

3 定位系統(tǒng)設計

　　3.1 RSSI定位原理

　　基于信號強度測距法(Received Signal Strength Indicator，RSSI)[5]是通過接收到的信號強弱測定信號點與接收點的距離，進而根據相應數(shù)據進行定位計算的一種定位技術。理論上節(jié)點之間的距離越遠，則信號衰減得越厲害，因此可以根據RSSI來估計信號傳輸?shù)木嚯x。RSSI的定義為接收端通過信號的強度指示，為電路測得的信號電壓值，通常也將其表示為電壓值的平方。在無線通信中，RSSI的值可以由一般通信中的信號測得，因此不需要額外的帶寬和設備。因此基于RSSI的定位算法相對來說較為簡單和廉價，也是定位研究的重點。

　　本設計采用的即是RSSI算法。接收信號強度是傳輸功率和傳輸距離（收發(fā)者之間的距離）的函數(shù)。式子中n是信號傳播常數(shù)，也叫傳播系數(shù)，數(shù)值大小取決于無線信號傳播的環(huán)境；d是與發(fā)送者的距離；A是距發(fā)送者1 m時的信號強度；PR是無線信號的接收功率；PT是無線信號的發(fā)射功率；r是發(fā)射機與接收機之間的距離。接收信號強度會隨距離的增加遞減，無線信號的發(fā)射功率與接收功率之間的關系可用式（1）表示：

　　10n1g r=10PT/PR （1）

　　由于節(jié)點的發(fā)射功率已知，將發(fā)送功率代入式（1）可得：

　　101g PR=A-101g r （2）

　　其中，101g PR是接收功率轉換為dBm的表達式，可以直接寫成式（3）。在式（3）中A可以看作信號傳輸1 m遠時接收信號的功率。

　　PR(dBm)=A-10n1g r （3）

　　由式（3）可以得到，常數(shù)A和n的值決定了接收信號強度與信號傳輸距離的關系。PR(dBm)是接收信號強度，可以用RSSI表示。因此式（3）又可以寫成：

　　RSSI=-(10n1g d+A) （4）

　　3.2 定位算法

　　常用的測距定位算法有：三邊測量算法、三角測量算法和最大似然估計算法。本方案因在樓宇某一層實驗，所以可看做二維平面,算法可以選為簡單的三邊測量法。

　　假設移動節(jié)點O接收到n( n≥3) 個固定節(jié)點發(fā)送的信號，從接收到的n個信號中選取接收信號最強的3個固定節(jié)點作為信標節(jié)點A、B、C，根據RSSI測距方法測量到的距離分別為dA、dB、dC，根據dA、dB、dC的關系可以分情況來討論：如果分別以3個信標節(jié)點A、B、C為圓心，以測量到的dA、dB、dC 為半徑的3個圓相交于一點，則可以采用三邊測量法來實現(xiàn)；如果不相交于一點，則可以根據質心法來實現(xiàn)。

　　三邊測距法如圖4所示，以3個節(jié)點A、B、C為圓心的坐標分別為(Xa，Ya)、(Xb，Yb)、(Xc, Yc),這3個圓周相交于一點D，交點D即為定位系統(tǒng)中的盲節(jié)點，A、B、C 3個節(jié)點與交點D的距離分別為da、db、dc，假設交點D的坐標為(X，Y)。則滿足：

　　由上式可以得到交點D的坐標為：

　　3.3 定位流程

　　從定位系統(tǒng)的角度可將節(jié)點分為兩類:第一類是固定安裝、位置已知的節(jié)點，即參考節(jié)點(Reference Node)，參考節(jié)點將會接收到移動節(jié)點信息(RSSI和LQI)，并傳送到協(xié)調器進行處理；第二類是消防人員隨身攜帶的嵌入無線模塊的移動裝置，即盲節(jié)點(Blind Node)需要對其進行定位[6]的目標節(jié)點。兩類的本質區(qū)別在于節(jié)點在加入網絡之前能否知道自己的坐標位置。CC2431定位流程圖如5所示。

4 實驗結果分析

　　本實驗以樓宇某一層為試驗點，實驗中分布安裝了8個終端節(jié)點來采集房間的溫度、濕度和煙霧濃度；并且安裝了6個路由節(jié)點組成靜態(tài)網絡來傳輸信息。圖6和圖7分別為正常情況下和實驗火條件下，隨機提取的8個節(jié)點的多傳感器信息，通過數(shù)據對比可以看出房間8的數(shù)據變化幅度較大，可以推斷發(fā)生了火災。通過實驗結果可以看出，系統(tǒng)采集的溫濕度和氣體煙霧數(shù)據通過ZigBee網絡傳輸后依然準確可靠。表明ZigBee網狀結構[7]具有穩(wěn)定性，可以有效監(jiān)控房間內的實時情況。

　　通過實地測量驗證了基于RSSI定位系統(tǒng)的可行性。當在某一樓層定位時，根據各個房間RSSI值的強弱，不用算法，即可大致判斷火災發(fā)生在哪個房間。圖8表明當在某室內定位時，可根據接收信號強度和參考節(jié)點的坐標位置計算出盲節(jié)點的坐標。

5 結論

　　本文規(guī)劃了消防報警系統(tǒng)的總體方案，對微控制器、數(shù)據采集、感測模塊等進行了設計，并對ZigBee網絡組網與數(shù)據傳輸進行了研究，對定位算法進行了探討。本文設計了分布式火災自動報警設備監(jiān)測系統(tǒng)的通信組網方案，實現(xiàn)了消防報警的高可靠、低誤報、網絡化、智能化，為樓宇消防工作提供了有力的技術支撐和保障，進而提升了樓宇失火預防和抗御火災[8]的綜合能力。在實際的消防系統(tǒng)中，環(huán)境的復雜程度較高，因而在RSSI接收處理算法上需要進一步完善，以適應更復雜的環(huán)境。

參考文獻

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