基于MSP430內核的古建筑無線火災監測系統的研究

楊洪艷

【摘要】 傳統的古建筑火災監測體系存在許多弊端，結合無線傳感器網絡技術，本文提出了一種基于MSP430內核的古建筑無線火災監測系統。針對古建筑的建筑特點和環境參數需求，設計了適合古建筑火災監測的傳感節點，能夠實時監測古建筑的溫度，濕度，煙霧濃度等參數。同時給出了適合古建筑火災監測的路由策略。

【關鍵詞】 古建筑 無線傳感器網絡 火災監測

一、基于無線傳感器網絡的古建筑火災監測傳感節點硬件設計

無線傳感器節點由傳感器模塊、數據處理模塊、無線通信模塊和電源管理模塊四部分組成。

1.1處理器設計

處理器選擇了TI公司的MCU-MSP430，它是一種超低功耗的PSOC（Programmable System On Chip）微控制器。電壓可以在1.8～3.6V，最低耗電電流可達0.1μA，多種頻率時鐘源可以使系統靈活的實現最低的功率消耗。MSP430具有強大的處理能力，為16位RISC結構，具有豐富的尋址方式和大量的模擬接口，眾多的寄存器和片內數據存儲器可提高處理速度，編制出高效率的源程序，降低了功耗。

1.2射頻模塊設計

本文射頻模塊選用nRF905單片無線芯片，它工作在433/868/915MHz的ISM頻段。具有多通道工作，通道切換時間<650μs。功耗較低，且輸出功率可調至10dBm。具有“傳輸前監測”的載波檢測協議，可有效預防碰撞。其最大數據傳輸率為100（曼徹斯特編碼）kbps，典型靈敏度-100dBm。POWERDOWN模式時，工作電流僅2.5 mA。

1.3傳感器設計

本文主要面向古建筑火災監測這一應用環境，主要使用的傳感器模塊包含溫濕度和煙霧濃度傳感器。

1.3.1溫濕度傳感器模塊

溫濕度傳感器選用SHT10實現室內溫濕度采集，分別產生相對濕度或溫度的信號，經放大后分別送至14位A/D進行模數轉換，并經校準和糾錯，最后通過二線串行接口將相對濕度或溫度的數據送至微控器。SHT10的溫度精度為±0. 5℃，濕度精度為±4.5%RH，可以滿足室內溫濕度采集的需求[3]。

1.3.2煙霧濃度傳感器模塊

光電型煙霧探測模塊是通過一對紅外線發射和接收二極管實現的。火災發生時，有煙霧顆粒進入光學探測室，使紅外光線發生散射，接收二極管收到散射光線，產生電流信號，經過放大后送給MSP430經過AD轉換后進行相關處理。

二、古建筑無線火災監測系統的路由策略

路由協議的主要任務是在傳感器節點和協調節點間建立路由，可靠地傳遞數據。針對火災發生的突發性的特點，可以借鑒典型的事件觸發路由協議TEEN協議。

具體組網過程如下：

每個傳感節點選擇[0 ， 1]之間的一個隨機數，如果選定的值小于T（n），則該節點向周圍節點廣播自己成為簇頭的消息，網絡中的非簇頭節點根據接收信號的強度決定加入哪個簇，并通知相關簇頭。T（n）的計算公式為：

其中，p是簇頭占所有節點的百分比，r是目前循環進行的輪數，G是最近1/p輪中還未當選過簇頭的節點集合。

成簇完成后，Sink節點通過簇頭向全網節點通告兩個閾值：硬閾值和軟閾值。其中硬閾值用來監測溫濕度和煙霧濃度參數，當其中參數超過一定值時，表明可能有火災情況發生。軟閾值用來衡量火災參數的變化，以便對是否發生火災進行初步判斷。在簇的穩定階段，節點通過傳感器不斷地感知周圍環境的溫濕度和煙霧濃度，當節點第一次監測到數據超過硬閾值時，節點打開收發器向簇頭上報數據，并將當前監測數據保存為監測值（Sensed Value SV）。此后節點再次進行數據傳送時要滿足兩個條件：①當前節點監測到的數據比硬閾值大；②當前的監測值與SV之差的絕對值不小于軟閾值，節點才向簇首上報數據，并將當前監測數據保存為SV。在簇重構過程中，如果新一輪的簇首確定，該簇首可重新設定和發布以上兩個參數。且簇首通過TDMA方法實現數據調度，避免沖突碰撞。

三、結論

本文完成了傳感節點的設計和實現，通過測試，能夠實現基本的采集數據，傳送數據的功能，同時給出了適合火災監測的典型路由協議。

參 考 文 獻

[1] 張永平. 古建筑火災隱患及預防措施探討[J]. 山西建筑， 2009，35（11）：191-193

[2]黃鋒，劉士興，顧勤東.無線傳感器網絡節點概述[J].合肥工業大學學報：自然科學版，2008， 31（8）： 1208-1212.

[3]孫利民，李建中，陳渝等.無線傳感器網絡「M].清華大學出版社.2005.