杰边鹏飞何志琴
（贵州大学电气工程学院，贵州 贵阳 550025）
【摘要】对于传统的火灾报警装置来说，存在着布线复杂，线路容易老化，线路容易受火场环境影响，维护成本高等不足之处。近年来无线传感网络在环境监测、家庭和工厂自动化领域已经成为最重要的应用技术。提出了一种使用多种传感器模块对火警信息进行数据采集，利用无线传感网络对数据进行传输并对数据进行处理，从而实现火灾的快速报警的设计方案。
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关键词 火灾报警装置；多种传感器模块；无线传感网络；快速报警
Design of fire alarm system based on Wireless Sensor Network
TANG JieBIAN Peng-feiHE Zhi-qin
(The Electrical Engineering College, Guizhou University, Guiyang Guizhou 550025, China)
【Abstract】For the traditional fire alarm device,there are several shortcomings: complicated wiring, circuit is easy to aging, line is easily affected by the environment and high cost of maintenance.In recent years,wireless sensor network has become the most important application technology in environmental monitoring,home and factory automation. This paper presents a design scheme of using multiple sensor module for fire alarm information collection,transmitting the data by wireless sensor network and processing data in order to achieve the rapid fire alarm.
【Key words】Fire alarm device;Multiple sensor module; Wireless sensor network; The rapid fire alarm
0引言
火灾是一种发生频率较高的灾害，几乎每次火灾都会带来较大的人身和财产损失。传统的火灾报警系统是以有线的方式将火警信息传回控制中心，但是传统的火灾报警系统具有如下几个不足之处：（1）布线较复杂麻烦；（2）维护成本高；（3）火灾发生时线路可能受损及其他原因造成通信线路受损[1]。本文提出了一种基于无线传感网络的火灾报警系统的设计方案，通过无线网络将火警信息进行数据传输并进行处理，可快速获得火灾信息。
1整体设计概述
无线传感网络WSN（Wireless Sensor Network）是由大量传感器节点（采集、处理、收发于一体）以自组织形式组成的自治网络，传感器节点间通过单跳或者多跳的无线通信方式交换数据信息[2]。无线传感网络节点易于部署，并能够在恶劣的情况下或需要长时间检测的环境中工作，并从中获得相关的需要信息[3]。
本系统主要由无线传感器节点、汇聚节点和信息处理中心等几部分组成，其中的传感器节点可密集并可控的分布在检测区域内，能够检测自身周围的温度和烟雾浓度等参数，还能通过多节点协作将相关数据传送到信息处理中心，并能在个别节点失效的情况下快速自组织地重建网络拓扑；汇聚节点能够接收到从传感器节点网络中传输到的信息并将信息融合，通过无线网络或者internet传输给信息处理中心；信息处理中心接受到节点传输来的火灾报警信息并对指定传感器节点的数据进行查询。
1.1无线传感器节点
无线传感器网络节点是组成火灾报警系统的基本单位，是构成火灾报警系统的基础平台。火灾可以通过温度、烟雾、火焰等关键要素的变化情况来反映，在设计无线传感器节点的时候加入了温度传感器、烟雾传感器、火焰传感器来对火灾情况进行监测[4]。本设计采用的节点芯片是CC2530，CC2530 是用于2.4-GHz IEEE 802.15.4、ZigBee 和RF4CE 应用的一个真正的片上系统（SoC）解决方案。它能够以非常低的总的材料成本建立强大的网络节点。它结合了领先的RF 收发器的优良性能，业界标准的增强型8051 CPU，系统内可编程闪存，8-KB RAM 和许多其它强大的功能。CC2530 具有不同的运行模式，使得它尤其适应超低功耗要求的系统。运行模式之间的转换时间短进一步确保了低能源消耗。CC2530F256结合了德州仪器的业界领先的黄金单元ZigBee 协议栈（Z-StackTM），提供了一个强大和完整的ZigBee 解决方案。
ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术。主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用。它可工作在2.4GHz(全球流行)、868MHz(欧洲流行)和915 MHz(美国流行)3个频段上,分别具有最高250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的传输速率，它的传输距离在10-75m的范围内,但可以继续增加。在本设计中是工作在2.4GHz频段上。
基于CC2530的无线传感器节点结构如下图所示：
所采用的传感器为如下几个：（1）温度传感器位DS18B20，DS18B20是一种支持“一线总线”接口的温度传感器，它具有微型化、低功耗、高性能、抗干扰能力强等优点可以直接将温度转化成串行数字信号供给单片机系统进行处理，测温范围为-555~+125℃。（2）烟雾传感器MQ-2，MQ-2传感器所使用的器皿材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡。当MQ-2所处环境中存在可燃气体时，该传感器的电导率可随可燃气体浓度的增加而增大，通过电路可将电导率的变化转化成相应的电压输出信号，MQ-2能检测出多种可燃气体，是一个适用于多种场合的气体传感器。（3）火焰传感器JNHB1004,JNHB1004能够探测到波长在760纳米~1100纳米范围内的红外光，当周围有火源产生时，火焰传感器JNHB1004会探测到空气中红外线强度的变化，外界红外光越强，数值越小；红外光越弱，数值越大。
电源管理是无线通讯应用中的一个关键问题，电源处理的好坏直接影响整个系统的工作和使用，根据CC2530模块和传感器模块供电电压需求的不同，通过稳压芯片LM1117-3.3和LM7850分别获得3.3V电压和5V电压，分别供给上述2个模块。如图5：
1.2系统的软件实现
无线传感器节点在开机后先进行硬件自我检测，若自检不通过则关机，如果自检通过，进行工作模式判断，使其工作在汇聚节点模式还是工作在一般数据采集节点模式[5]。
为了保证低功耗运行，传感器节点在活动状态和休眠状态之间轮换工作的。无线传感器节点大部分时间是出于休眠状态，每过一定的时间被唤醒一次，采集相应的火警信息，周期性的将采集到的火警数据发送给汇聚节点，与其他传感器节点交换信息后，又进入了休眠状态，在其进入休眠状态后，关闭了射频收发器、传感器模块，只保留微控制器的内部定时器和中断。
1.3传感器数据融合
传感器数据融合的定义可以概括为把分布在不同位置的多个同类或不同类传感器所提供的局部数据资源加以综合，采用计算机技术对其进行分析，消除多传感器信息之间可能存在的冗余和矛盾，加以互补，降低其不确实性，获得被测对象的一致性解释与描述，从而提高系统决策、规划、反应的快速性和正确性，使系统获得更充分的信息[6]。
在本设计中，根据发生火灾时温度、烟雾、火焰变化的历史数据，采用模糊逻辑推理的方法，对火灾发生的可能性进行分级，来判断是否发生火灾。
2调试
为了验证本设计的可靠性，在学校的实验室进行了该测试，放置了六个无线传感器节点，并使用了VB编写了简单的上位机充当火灾监视中心，初步试验表明：该系统能够达到设计要求，快速准确的进行火灾报警。
3总结
本文设计了一种基于无线传感网络的火灾报警系统，使用CC2530芯片组成无线传感器网络，能够解决传统火灾报警系统的不足之处。该系统采用模块化设计，能够很好的进行移植和扩展。
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参考文献
［１］刘建林,戴瑜兴.基于无线传感器网络的城市火灾报警系统的设计[J].湖南师范大学:自然科学版,2011,34(1):43-46.
［２］郑君刚,吴成东,等.基于无线传感器网络技术智能家居报警系统设计[J].沈阳建筑大学学报,2008,24(2):345-348.
［３］马宏峰,李祥林,胡玫.森林火灾无线检测预警系统的设计与实现[J].自动化仪表,2012,32(12):39-42.
［４］王捷田,红芳,周振渝.分布式智能火灾报警系统综合设计[J].计算机技术,2006(3):43-45.
［５］张任,王坚峰,严海.基于ZigBee的无线传感器网络节点设计[J].机电工程,2008,25(8):18-20.
［６］韩峻丰,石玉秋.基于多传感器信息融合技术的模糊舒适度传感器系统[J].传感器与微系统,2007,26(1):60－61.
［责任编辑：汤静］