無線火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)在坑、地道式防護(hù)工程中的應(yīng)用

濟(jì)南車間凈化工程公司注意到：地下火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)一直以來是研究的熱點(diǎn)，之前設(shè)計(jì)的系統(tǒng)大多采用有線連接，但由于陰暗、潮濕的地下環(huán)境，線路容易腐蝕導(dǎo)致系統(tǒng)失效。為此，我們?cè)趯?duì)現(xiàn)有火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的基礎(chǔ)上，考慮到坑、地道式人防工程的特殊環(huán)境，設(shè)計(jì)了一種無線火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)的總體方案

該監(jiān)控系統(tǒng)主要對(duì)坑、地道式人防工程溫濕度、火災(zāi)信息（煙霧參數(shù)）進(jìn)行監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)由終端、無線網(wǎng)關(guān)、路由節(jié)點(diǎn)及傳感器節(jié)點(diǎn)組成，如圖1所示。傳感器節(jié)點(diǎn)主要由若干火災(zāi)探測(cè)器組成，路由是信息的中繼站，負(fù)責(zé)將距離網(wǎng)關(guān)較遠(yuǎn)的傳感器節(jié)點(diǎn)的報(bào)警信號(hào)傳遞給網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)是所有節(jié)點(diǎn)信息的匯聚點(diǎn)，負(fù)責(zé)將收到的信息通過串口向 PC 機(jī)發(fā)送。

探測(cè)器通過探測(cè)火災(zāi)特征參數(shù)判斷火災(zāi)的發(fā)生，一旦判斷出有火災(zāi)發(fā)生，則進(jìn)行自動(dòng)報(bào)警，并將數(shù)據(jù)信息包括發(fā)出報(bào)警的傳感器節(jié)點(diǎn)地址，通過射頻發(fā)送器終端控制器發(fā)送。終端可以由一臺(tái)計(jì)算機(jī)來擔(dān)任，計(jì)算機(jī)運(yùn)行特定軟件，負(fù)責(zé)分析處理探測(cè)器節(jié)點(diǎn)發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，并且可以實(shí)時(shí)地顯示監(jiān)控區(qū)域地下的情況。另外，可以通過基站對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)探測(cè)參數(shù)進(jìn)行配置調(diào)整，保證不同情況下火災(zāi)報(bào)警的準(zhǔn)確性。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)均以 CC2420 為控制核心。CC2420 是符合2.4GHz IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的射頻收發(fā)器。它基于Chipcon公司的SmartRF 03技術(shù)，以0.18 μm CMOS 工藝制成，只需極少外部元器件，性能穩(wěn)定且功耗極低。CC2420 的選擇性和敏感性指數(shù)超過了IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的要求，可確保短距離通信的有效性和可靠性。

2.1 傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

針對(duì)坑、地道式人防工程火災(zāi)早期探測(cè)，傳感器模塊可以由溫度、煙霧以及 CO氣體等傳感器組成。本論文的傳感器模塊由溫濕度傳感器模塊和光電型煙霧探測(cè)模塊兩部分組成，可以實(shí)現(xiàn)溫濕度的測(cè)量和煙霧探測(cè)。溫濕傳感器采用SHT11，它采用獨(dú)特的 CMOSens TM技術(shù)，具有數(shù)字式輸出、免調(diào)試、免標(biāo)定、免外圍電路及抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)，只需一條時(shí)鐘線和一條數(shù)據(jù)線就可以把傳感器采集到的溫濕度傳給CC2420。其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。光電型煙霧探測(cè)模塊是通過一對(duì)紅外線發(fā)射和接收二極管實(shí)現(xiàn)的。正常情況下，沒有煙霧進(jìn)入光學(xué)探測(cè)室二極管發(fā)出的紅外光線被光學(xué)迷宮吸收，接收二極管接收不到光線?；馂?zāi)發(fā)生時(shí)，有煙霧顆粒進(jìn)入光學(xué)探測(cè)室，使紅外光線發(fā)生散射，接收二極管收到散射光線，產(chǎn)生電流信號(hào)，經(jīng)過放大后由 SIG 引腳輸出，送給 Atmegal28 經(jīng)過 AD 轉(zhuǎn)換后進(jìn)行相關(guān)處理。PULSE引腳接Atmega128的I/O 引腳，控制紅外發(fā)射二極管的開啟與關(guān)閉。

圖2中SCK和DATA 引腳分別是串行接口時(shí)鐘線和數(shù)據(jù)線，連接 Atmega128 相應(yīng)的引腳。

2.2 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)是將所有節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)匯總、分析、存儲(chǔ)和發(fā)送的機(jī)構(gòu)。它與計(jì)算機(jī)之間利用RS232異步串口進(jìn)行通信，如圖3 所示。其功能相當(dāng)于 1個(gè)接入點(diǎn)，一方面將主機(jī)向傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送的控制信號(hào)以無線的方式發(fā)射出去，另一方面將傳感器節(jié)點(diǎn)采集的火災(zāi)參量傳送給主機(jī)。

圖3中，串口模塊是 CC2420 與監(jiān)控主機(jī)的通信接口，負(fù)責(zé)將收到的報(bào)警信息送給主機(jī)顯示，同時(shí)還傳送主機(jī)發(fā)給網(wǎng)關(guān)的控制命令。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)包括三種類型節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)，同時(shí)為操作人員能夠直觀地在監(jiān)控主機(jī)上檢測(cè)各個(gè)區(qū)域的火災(zāi)特征信號(hào)。傳感器節(jié)點(diǎn)、路由和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)都是基于ZigBee 協(xié)議棧進(jìn)行設(shè)計(jì)的。ZigBee協(xié)議棧的構(gòu)架如圖4 所示。要實(shí)現(xiàn)接收來自其他節(jié)點(diǎn)的信息，然后尋找最優(yōu)路徑進(jìn)行傳遞，同時(shí)還實(shí)現(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)的部分功能；網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用層中實(shí)現(xiàn)包括網(wǎng)絡(luò)的組建、對(duì)加入網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)地址的分配及與PC機(jī)的通信。

應(yīng)用層中的各個(gè)功能采用事件觸發(fā)的形式來實(shí)現(xiàn)，根據(jù)功能的要求在適當(dāng)?shù)奈恢谜{(diào)用事件觸發(fā)函數(shù)，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。網(wǎng)絡(luò)層包含了網(wǎng)絡(luò)層的配置參數(shù)和網(wǎng)絡(luò)層庫函數(shù)接口文件，主要實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)維護(hù)、網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收、路由選擇以及廣播通信功能。MAC層和物理層都是采用IEEE802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)，MAC 層負(fù)責(zé)處理所有的物理無線信道訪問，并產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)信號(hào)、同步信號(hào)；支持PAN 連接和分離，提供兩個(gè)對(duì)等 MAC 實(shí)體之間可靠的鏈路。物理層定義了物理無線信道和 MAC 子層之間的接口，提供物理層數(shù)據(jù)服務(wù)和物理層管理服務(wù)。協(xié)議的各層之間通過操作系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可靠的協(xié)作。

3.2 傳感器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

傳感器節(jié)點(diǎn)的功能是實(shí)時(shí)采集地下火災(zāi)參量信號(hào)，包括溫度、煙霧濃度，并且對(duì)火災(zāi)參量進(jìn)行分析，判斷是否是火警信號(hào)。如果是就向網(wǎng)關(guān)發(fā)送報(bào)警信號(hào)，由網(wǎng)關(guān)通知監(jiān)測(cè)人員。流程如圖5所示。

3.3 路由節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)

傳感器節(jié)點(diǎn)的功能是實(shí)時(shí)采集地下火災(zāi)參量信號(hào)，包括溫度、煙霧濃度，并且對(duì)火災(zāi)參量進(jìn)行分析，判斷是否是火警信號(hào)。如果是就向網(wǎng)關(guān)發(fā)送報(bào)警信號(hào)，由網(wǎng)關(guān)通知監(jiān)測(cè)人員。流程如圖5所示。

3.3 路由節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)

實(shí)際安裝中某些單元距離監(jiān)控室較遠(yuǎn)時(shí)，傳感器節(jié)點(diǎn)就可能無法將報(bào)警信號(hào)傳送到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，此時(shí)就需要路由來實(shí)現(xiàn)。路由的主要功能是為信息的傳遞提供接力作用，擴(kuò)大信號(hào)的傳輸范圍。因此，一般情況下，它應(yīng)該一直處于活動(dòng)狀態(tài)不應(yīng)休眠。路由在進(jìn)行信息傳遞時(shí)，會(huì)為經(jīng)過它的每個(gè)數(shù)據(jù)幀尋找一條最佳傳輸路徑，并將該數(shù)據(jù)有效地傳送到目的節(jié)點(diǎn)。流程圖如圖6所示。

3.4 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的組建，并且會(huì)對(duì)加入這個(gè)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備分配網(wǎng)絡(luò)地址。當(dāng)其他類型節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)后，它的工作流程是：計(jì)算機(jī)發(fā)送命令以后，網(wǎng)關(guān)接收命令，根據(jù)命令判斷計(jì)算機(jī)需要哪個(gè)節(jié)點(diǎn)的信息，并向該節(jié)點(diǎn)發(fā)送命令要求將對(duì)應(yīng)圖6路由節(jié)點(diǎn)流程圖數(shù)據(jù)傳回網(wǎng)關(guān)，然后再將接收到的指定節(jié)點(diǎn)的信息按既定格式發(fā)送給 PC 機(jī)，通過PC 機(jī)上的系統(tǒng)組態(tài)圖可以觀察到該信息。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的組網(wǎng)流程如圖7所示。

4 結(jié)語

針對(duì)目前我國坑、地道式人防工程火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)存在的問題，設(shè)計(jì)了一種無線火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)集監(jiān)測(cè)、顯示、報(bào)警、通信等多功能于一體，可以對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)體積小，無需布線，移動(dòng)、安裝和檢修方便。