娛樂場所火警監測無線傳感網的設計

□王劍文 唐義鋒 馮 輝

近年來，經濟的發展推動了物質文明的進步，也帶動了精神文明建設，其中，娛樂業也得到了快速發展，各種娛樂場所不斷涌現，面對這樣一個人員集中的公共場所，有效地進行火災監測預警，可以對人們的生命財產提供有效保障。我國現有娛樂場所的火災報警系統大部分采用有線通信方式，更多的是被動式，沒有傳感器，由人工進行按鍵報警，存在安裝施工量大、工期長、部署調整不便等缺點。隨著物聯網技術的快速發展，為解決上述問題，本文研究一種無線傳感網絡監測系統，為火災的主動預測與及時報警提供一種解決方案。

一、網絡系統結構

娛樂場所火警監測系統由無線傳感器網絡和遠程監控中心兩部分組成。其中，無線傳感器網絡又由無線傳感器節點、匯聚節點等構成。如圖1所示。由于ZigBee協議具有低功耗、低成本、網絡容量大等優點，ZigBee協議下的無線傳感器網絡最多可以有65 535個節點。因此，在系統的無線傳感器網絡中采用ZigBee協議進行通信。

圖1 火災監測系統結構示意圖

傳感節點主要用于采集娛樂場所中對應節點處的溫度、煙塵濃度、CO濃度等參數。在通信過程中，可根據情況增加傳感器節點的中繼轉發功能，將這些參數通過無線傳感器網絡上傳到匯聚節點，再通過匯聚節點實現與監控中心的通信，擴展了網絡的覆蓋規模。網絡中的數據傳輸采用多跳方式進行，它可以有效地解決使用較大功率進行遠距離通信而導致的能耗問題，還可以靈活地延伸網絡的拓撲結構，從而使網絡的覆蓋面積不受限制。

匯聚節點接收參數后，根據各節點的位置關系，得出整個娛樂場所的工作狀況，進而與數據庫中專家數據進行分析比較，臨界情況下，快速得出重點監測區域，然后將控制指令通過無線對講系統通知對應的區域管理員進行查詢與確認。如果傳感器節點直接給出，或管理員查看火情屬實時，立即啟動人員撤離預案與滅火預案，并進行火災報警。

同時，它還作為無線監測局域網內的網關，實現無線網絡與以太網的互連；負責將各傳感器節點的數據變化及設備狀況以及匯聚節點作出的控制決策等數據，通過以太網發送到監控中心，實現遠程監測與管理。

二、節點硬件設計

（一）傳感器節點設計。

傳感器節點是無線傳感器網絡的基本單元，它負責傳感和信息預處理，響應監控主機的指令并發送數據等。傳感器節點主要由傳感器、處理器、無線通信和能量供應等模塊組成，每個傳感器節點均以ZigBee 無線單片機系列芯片CC2430 為控制核心。芯片中包括RF收發器和強型8051MCU，有32／64／128 kb 的Flash 內存、8 kb 的RAM 以及ADC、DMA、看門狗等。工作在2.4 GHz 頻段, 采用低電壓（ 2.0 V～ 3.6 V） 供電，功耗很低最大傳送速率為250 kbps。一般來說，早期和陰燃階段的時間相對較長，主要以氣體和煙霧為主，在這個階段可以實現早期報警，而且有資料顯示: 陰燃或明火燃燒的氣態燃燒產物主要成分為CO、CO2、H2O及煙霧微粒等，還可能會猛然釋放大量的熱。因此本設計的節點對被測環境的 、煙霧及溫度等參數進行適時測量，并通過無線網絡傳到監控中心。其節點硬件結構如圖2所示。

圖2 傳感器節點硬件結構示意圖

其工作過程為，當位于某一房間內的傳感器檢測到火災時，能立即將信號傳給監控中心，通過對應節點的ID得出所在房間的位置，測控中心便可立刻依據定位系統上報的地點安排消防救護工作，以將人身財產損失降到最低。

（二）節點傳感器的選用。

采用MOTOROLA 公司的半導體檢測器MGS1100 CO氣敏傳感器采樣外界CO的氣體濃度，經過A/D 轉換后送到微控器（單片機）；采用煙霧傳感器探測外界的煙霧濃度，并經A/D 轉換后由微控器處理；外界的溫度檢測則由一總線式溫度傳感器DS18B20完成。其中MGS1100使用前，先在加熱器（3 VCC，1 GND）端加持續5 s 的5 V高電壓（加至高溫約400 度），然后加熱電壓降至1 V（低溫小于100 度）并保持10 s，高低加熱電壓周期性反復。VC由單片機管腳驅動輸出，為了得到較好的CO 濃度檢測，本設計通過軟件控制在加熱端的1V 供電（低溫） 9.5 s 時檢測輸出電壓VOUT，由VOUT的大小可得CO的濃度。其連續工作模式的周期由單片機內部的定時器實現，輸出端經驅動電路供給MGS1100 的加熱端。

（三）匯聚節點設計。

根據系統設計要求，匯聚節點一方面負責收集本區域內其他傳感器節點的參數信息，另一方面作為與遠程機計算機通信的網關，實現無線網絡與外網的聯接。因此，其硬件主要由中央處理單元、存儲單元、射頻收發模塊、通信模塊和電源模塊等部分組成。因此，本文選用嵌入式系統作為控制核心。在匯聚節點中集成了S3C2440處理器（32位ARM920T內核），16 VM的FALSH和64 VM的SDRAM，4通道DMA、3通道UART、2通道SPI、IIC總線、IIS／AC97音頻控制器、SD／MMC控制器、2通道USB HOST、1通道USB DEVICE、4通道PWM、8通道A/D轉換和JTAG-ICE調試接口等。節點中還包括電源管理電路、各種接口電路、觸摸屏、小鍵盤、USB存儲電路等。使用一個自定義的擴展接口，連接CC2430，形成ZigBee無線網絡接口，實現與無線傳感器節點間的通信，從而使S3C2440能從傳感器網絡中收集到監控數據并上傳到控制中心。系統硬件結構如圖3所示。

圖3 匯聚節點結構示意圖

由于S3C2440內置LCD控制器，它支持4 k色STN LCD和256k色TFT LCD2個系列的顯示屏，通過液晶顯示、鍵盤電路作為人機接口電路可以方便用戶對測控系統的操作。

設計時，為了以后的擴展應用，按照三種有線接口進行電路設計，其電源管理電路為匯聚節點各部分提供所需的電源。整個匯聚節點需要的電壓為：1.8 V、3.3 V、4.2 V、5.0 V。選用的芯片為LT1764和MIC29302。其中LT1764分為可調節和不可調節2種，分別提供3.3 V和5.0 V電壓。MIC29302提供4.2 V電壓。5.0 V電壓主要用于液晶顯示電路、USB電路，4.2 V電壓用于CDMA電路，利用AIC1117A將3.3 V電壓降為1.8 V，提供給處理器內核使用，其余電路則使用3.3 V電壓。匯聚節點與監控主機默認為以太網或USB連接，視監控室在網絡中的位置確定。

三、軟件設計

（一）傳感器子節點的工作模式。

系統主要由匯聚節點運行管理調度，其性能依賴于子節點數據采集和動作執行速度，而系統中傳感器子節點可以按照樓層與房間數量而定，使用定時采集數據的方法進行，其耗能較大，設計時采用插頭取電，同時增加電池，在插座無電時使用備用電源，并在軟件設計中，采用睡眠-喚醒節能策略，降低子節點的功耗，保障系統穩定運行。

具體采用定時中斷的方式對CPU的工作模式進行選擇和控制。睡眠模式可以使應用程序關閉MCU中沒有使用的模塊，從而降低功耗。

子節點每次與匯聚節點通信時，都得到下一次的休睡眠時間。每次任務結束后，進入休睡眠狀態。內部睡眠定時器負責計時并將其喚醒，重新進入工作狀態。這樣能夠有效延長節點的電池壽命，增加系統持續運行時間。

（二）主機監測軟件平臺的構建。

監測主機應用VB軟件進行界面設計，按照場所的各房間的層面平面標識對應傳感節點，通過節點ID進行通信與監測。工作人員可很方便看出各房間節點的工作狀態，并將每個節點的狀態數據保存到數據庫中，主機根據實時上傳來的節點數據，對是否有火情的信息處理，如確認有情況，測主機報警，并在界面上顯示出對應的點，通過對講系統與現場工作人員聯系進行進一步確定，如屬實，則立即啟動施救與人員疏散預案。

四、結束語

本文針對娛樂場所火警監測系統的特點，設計了一種無線傳感器網絡的方案，采用ARM9芯片S3C2440和低功耗射頻芯片CC2430設計無線傳感器網絡的匯聚節點，使用CC2430配合傳感器進行傳感節點設計，并且詳細地給出了節點軟硬件和組網等方面的設計內容。該系統在某KTV中進行了試驗，實現了預期功能，能夠快速有效地發現著火點位置，實現較短時間內主動報警，提高技防水平。