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基于ZigBee技术的楼宇消防系统研究
2014年微型机与应用第21期
霍晓东, 赵晓军,张鹏远,王 磊
(河北大学 电子信息工程学院,河北 保定 071002)
摘要: 为了减少楼宇火灾中人员的伤亡与财物损失,针对现有消防报警系统施工与维护复杂、抗干扰能力低等问题,提出了基于ZigBee静态网络与移动节点相结合,监测、显示、储存为一体的可靠的无线火警远程监控与定位系统。该系统采用基于IEEE 802.15.4标准的ZigBee技术,硬件平台以集成了射频与51微控制器的CC2430芯片和AVR单片机为核心,软件采用了TI公司的Zstack协议栈。经过实验,该系统能够监测楼层各房间的烟雾浓度和温湿度信息,并由监控终端根据预先设定的阈值,判断是否有火灾发生,定时报告房间的安全情况。该系统具有良好的应用前景和经济效益。
Abstract:
Key words :

  摘 要: 为了减少楼宇火灾中人员的伤亡与财物损失,针对现有消防报警系统施工与维护复杂、抗干扰能力低等问题,提出了基于ZigBee静态网络与移动节点相结合,监测、显示、储存为一体的可靠的无线火警远程监控与定位系统。该系统采用基于IEEE 802.15.4标准的ZigBee技术,硬件平台以集成了射频与51微控制器的CC2430芯片和AVR单片机为核心,软件采用了TI公司的Zstack协议栈。经过实验,该系统能够监测楼层各房间的烟雾浓度和温湿度信息,并由监控终端根据预先设定的阈值,判断是否有火灾发生,定时报告房间的安全情况。该系统具有良好的应用前景和经济效益。

  关键词: ZigBee技术;无线传感网络;CC2431定位;消防报警系统

0 引言

  随着城市现代化的迅速发展,人员密集的现代建筑越来越多,加上可燃装修材料和现代化设施的增多,这些建筑一旦发生火灾将产生严重后果,因此对消防的要求也提升到了新的高度。本文对基于ZigBee技术[1]的楼宇消防系统进行了研究,利用无线传感器网络[2]部署简单、不需频繁更换电池、成本低、维护方便等优点,通过大量、密集布置节点来观察环境信息,为消防环境监测提供新途径,以解决传统火灾自动报警系统[3]在实际应用中存在的施工与维护复杂、抗干扰能力低、故障率和误报率高等问题。在消防领域,可利用嵌入在烟雾感测器中的ZigBee无线模块组成一个全无线的消防报警网络,该网络兼有无线追踪定位功能,可通过建筑物内的无线传感器网络及消防人员随身携带的移动装置,动态掌握进入火灾现场的人员位置和状态。其成果在一定程度上加快了遇险消防员的定位速度,有效缩短搜救时间,保障了遇险消防员和搜救人员共同的安全。

1 系统总体设计

  本文重点实现三个功能,一为节点间数据的传输,二为无线传感网络的建立,三为网络覆盖范围内节点的定位。系统由两个子系统构成:远程消防监控系统和定位系统。远程消防监控系统的总体结构如图1所示。

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  监控系统的工作流程是由集成传感器采集数据,然后经AVR单片机处理,AVR单片机将数据通过串口RS232传给ZigBee节点。如果采集的数据超过设定值,AVR单片机将驱动喷水灭火与报警装置;如果采集的数据未超过设定值,ZigBee节点将把接收到的数据通过ZigBee网络传到协调器,协调器节点通过网关转换将数据传送到Internet,监控中心通过进入Internet网络监控并控制报警与灭火装置。

  定位系统[4]则是消防监控系统中的一个重要补充,其工作过程为:当位于某一房间内的传感器检测到火灾时,起火点的报警器将被触发,并及时向建筑物内人员发出危险警示,告知人员迅速撤离现场。同时立即将信号传给监控中心,通过对应节点的ID得出所在房间的位置,测控中心便可立刻依据定位系统上报的地点安排消防救护工作,指引消防人员快速进入现场。无线ZigBee网络还可自动追踪进入火灾现场的消防人员的位置信息,消防指挥官可通过无线传感器网络及消防人员随身携带的移动装置,动态掌握进入人员的位置和状态。

2 监控系统设计

  远程消防监控系统主要实现两方面监控:楼道与走廊的监控和室内的监控。监控系统由数据采集、数据传输、网关、监控终端等部分构成。数据采集部分如图2所示。

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  数据采集部分主要是探测智能楼宇中各种火情火警信息,是整个智能楼宇消防系统的最基础的部分,在本文设计的智能楼宇消防系统中,能够支持的火情探测类型主要包括烟雾探测、温度探测、湿度探测和火焰探测。在具体实施时,这些探测器将采用分布式的方式部署在整个智能楼宇中的各个角落,实时地监控智能楼宇中的各种火情信息。系统硬件由火焰传感器模块、蜂鸣器、温湿度传感器DHT11、烟雾浓度传感器MQ-2、AVR单片机(采用ATMEL公司的8位ATmega128)和CC2430组成。供电电压5 V。

  数据传输主要指CC2430与AVR单片机之间的串口通信以及ZigBee节点之间的无线网络通信。数据传输的目的是把数据无线传输到监控中心,通过监控中心来控制传感节点。

  网关是在高性能、低功耗的AVR系列微处理器上设计一个ZigBee与WiFi的无线数据转发设备。以便更好地将ZigBee、WiFi设备与传统的以太网连接起来,实现两个异构网络之间的数据透明转换和数据传输。

  监控终端由PC机或手机构成。

  远程消防监控系统的总体流程如图3所示。

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3 定位系统设计

  3.1 RSSI定位原理

  基于信号强度测距法(Received Signal Strength Indicator,RSSI)[5]是通过接收到的信号强弱测定信号点与接收点的距离,进而根据相应数据进行定位计算的一种定位技术。理论上节点之间的距离越远,则信号衰减得越厉害,因此可以根据RSSI来估计信号传输的距离。RSSI的定义为接收端通过信号的强度指示,为电路测得的信号电压值,通常也将其表示为电压值的平方。在无线通信中,RSSI的值可以由一般通信中的信号测得,因此不需要额外的带宽和设备。因此基于RSSI的定位算法相对来说较为简单和廉价,也是定位研究的重点。

  本设计采用的即是RSSI算法。接收信号强度是传输功率和传输距离(收发者之间的距离)的函数。式子中n是信号传播常数,也叫传播系数,数值大小取决于无线信号传播的环境;d是与发送者的距离;A是距发送者1 m时的信号强度;PR是无线信号的接收功率;PT是无线信号的发射功率;r是发射机与接收机之间的距离。接收信号强度会随距离的增加递减,无线信号的发射功率与接收功率之间的关系可用式(1)表示:

  10n1g r=10PT/PR (1)

  由于节点的发射功率已知,将发送功率代入式(1)可得:

  101g PR=A-101g r (2)

  其中,101g PR是接收功率转换为dBm的表达式,可以直接写成式(3)。在式(3)中A可以看作信号传输1 m远时接收信号的功率。

  PR(dBm)=A-10n1g r (3)

  由式(3)可以得到,常数A和n的值决定了接收信号强度与信号传输距离的关系。PR(dBm)是接收信号强度,可以用RSSI表示。因此式(3)又可以写成:

  RSSI=-(10n1g d+A) (4)

  3.2 定位算法

  常用的测距定位算法有:三边测量算法、三角测量算法和最大似然估计算法。本方案因在楼宇某一层实验,所以可看做二维平面,算法可以选为简单的三边测量法。

  假设移动节点O接收到n( n≥3) 个固定节点发送的信号,从接收到的n个信号中选取接收信号最强的3个固定节点作为信标节点A、B、C,根据RSSI测距方法测量到的距离分别为dA、dB、dC,根据dA、dB、dC的关系可以分情况来讨论:如果分别以3个信标节点A、B、C为圆心,以测量到的dA、dB、dC 为半径的3个圆相交于一点,则可以采用三边测量法来实现;如果不相交于一点,则可以根据质心法来实现。

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  三边测距法如图4所示,以3个节点A、B、C为圆心的坐标分别为(Xa,Ya)、(Xb,Yb)、(Xc, Yc),这3个圆周相交于一点D,交点D即为定位系统中的盲节点,A、B、C 3个节点与交点D的距离分别为da、db、dc,假设交点D的坐标为(X,Y)。则满足:

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  由上式可以得到交点D的坐标为:

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  3.3 定位流程

  从定位系统的角度可将节点分为两类:第一类是固定安装、位置已知的节点,即参考节点(Reference Node),参考节点将会接收到移动节点信息(RSSI和LQI),并传送到协调器进行处理;第二类是消防人员随身携带的嵌入无线模块的移动装置,即盲节点(Blind Node)需要对其进行定位[6]的目标节点。两类的本质区别在于节点在加入网络之前能否知道自己的坐标位置。CC2431定位流程图如5所示。

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4 实验结果分析


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  本实验以楼宇某一层为试验点,实验中分布安装了8个终端节点来采集房间的温度、湿度和烟雾浓度;并且安装了6个路由节点组成静态网络来传输信息。图6和图7分别为正常情况下和实验火条件下,随机提取的8个节点的多传感器信息,通过数据对比可以看出房间8的数据变化幅度较大,可以推断发生了火灾。通过实验结果可以看出,系统采集的温湿度和气体烟雾数据通过ZigBee网络传输后依然准确可靠。表明ZigBee网状结构[7]具有稳定性,可以有效监控房间内的实时情况。

  通过实地测量验证了基于RSSI定位系统的可行性。当在某一楼层定位时,根据各个房间RSSI值的强弱,不用算法,即可大致判断火灾发生在哪个房间。图8表明当在某室内定位时,可根据接收信号强度和参考节点的坐标位置计算出盲节点的坐标。

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5 结论

  本文规划了消防报警系统的总体方案,对微控制器、数据采集、感测模块等进行了设计,并对ZigBee网络组网与数据传输进行了研究,对定位算法进行了探讨。本文设计了分布式火灾自动报警设备监测系统的通信组网方案,实现了消防报警的高可靠、低误报、网络化、智能化,为楼宇消防工作提供了有力的技术支撑和保障,进而提升了楼宇失火预防和抗御火灾[8]的综合能力。在实际的消防系统中,环境的复杂程度较高,因而在RSSI接收处理算法上需要进一步完善,以适应更复杂的环境。

参考文献

  [1] 瞿雷,刘胜德,胡咸斌. ZigBee技术及应用[M]. 北京:北京航空航天大学出版社,2007.

  [2] 王小强,欧阳骏,黄宁淋. ZigBee无线传感器网络设计与实现[M]. 北京:化学工业出版社,2012.

  [3] 丁凡,周永明. 基于STM32和ZigBee的无线校园火灾报警系统设计[J]. 微型机与应用,2012,31(6):44-46.

  [4] 黄鹏. 智能楼宇消防系统自动控制系统设计智能楼宇消防[J]. 系统自动控制系统,2013,28(3):138-140.

  [5] 白旭华,张瑞峰,张肖萌,等. 基于ZigBee网络的室内定位系统的设计与实现[J]. 天津理工大学学报,2012,28(2):11-14.

  [6] 曹健. 基于ZigBee的无线智能消防报警系统设计[J]. 制造业自动化,2012,34(11):11-14.

  [7] 马丽. 建筑内火灾中人员定位技术的选择[J]. 消防科学与技术, 2013,32(7):763-765.

  [8] 许驰,李新春,张蕾,等. 基于ZigBee的多传感器火灾预警系统[J]. 西华大学学报( 自然科学版),2012,31(6):76-80.