基于無線傳感器網絡的消防報警系統

李卿，董淑敏

（1.濟南市公安消防支隊防火處法制科 山東 濟南 250101；2.山東正晨科技股份有限公司企業技術中心 山東 濟南250101）

基于無線傳感器網絡的消防報警系統

李卿1，董淑敏2

（1.濟南市公安消防支隊防火處法制科 山東 濟南 250101；2.山東正晨科技股份有限公司企業技術中心 山東 濟南250101）

基于智能化的無線傳感器網絡無可比擬的優勢，介紹了無線傳感器網絡技術應用于消防報警系統中。采集節點通過傳感器全方位地對環境參數進行采集，并把采集到的數據信息進行相應的處理和傳送，然后通過采集節點和監控平臺同時進行預警。該系統成本低、結構簡單、易于維護，在消防報警方面具有較高的實際應用價值和發展前景。

無線傳感器網絡；節點；消防；報警

近年來，隨著現代建筑的不斷大型化、高層化和集中化，相應重點防火單位的數量也在不斷增長。為保證人民的生命和財產安全，防火單位都希望能及早地發現火災，并能進行準確報警，將火災遏制在萌芽狀態，因此，對消防報警提出的要求也就越來越高。

現有的消防報警系統多采用有線方式，但該方式有布線復雜、維護困難及投資大等缺點。無線傳感器網絡的出現則解決了有線系統存在的缺陷，本設計提出了一種基于無線和有線相結合的樓宇內的消防報警系統。把傳感器采集節點分布在需要監測環境參數的地方，進行實時數據的采集，即樓宇內安裝的采集節點組成無線傳感器網絡，以無線的方式進行通信，分布節點具有即插即用，成本小等優點。而監控平臺則通過以太網的方式和無線網絡的中心節點 （接收節點）連接，來獲取采集到的實時數據[1]。

1 系統總體方案

本著功耗低、造價低、性能可靠、效率高等一些基本原則，給出本系統的整體結構設計。整個系統由監控中心和無線傳感器網絡節點組成，監控中心通過以太網與傳感器網絡的中心節點通信，中心節點和其他節點采用無線方式進行通信。如圖1所示。

圖1 系統總體框圖

無線傳感器的中心節點和采集節點組成網絡[2]。中心節點通過以太網和上位機進行通信，接收上位機發來的指令信息，再通過無線傳輸的方式把該信息發送給采集節點；采集節點被安裝在希望監測溫度和煙霧的地方，該節點實時進行該處溫度和煙霧的采集和換算，如果溫度和煙霧值超閾值，采集節點發出聲光報警，提示該節點附近的人員有火災發生，在中心節點通信命令后，把采集到的溫度和煙霧信息發送給中心節點。如發生火災，監控平臺同時發出報警，并顯示火災發生的具體位置及時間，提醒工作人員進行相應的處理，引導火災現場人員進行疏散與撤離，及時采取滅火措施。提升了消防報警系統的實時監控和預警能力，為人民生活和財產安全提供了非常有力的保障。

2 無線傳感器網絡集節點的硬件實現

2.1 采集節點的硬件實現

經過綜合考慮分析，通信芯片選擇了TI公司生產的CC2530[3]。采集節點由CC2530主控芯片、電源管理模塊、復位電路、傳感器采集前端、聲光報警和CC2591功率放大電路組成。采集節點通過煙霧傳感器前端進行煙霧信息的采集，溫度傳感器前端進行溫度信息采集，并判斷是否發生火災，若發生火災則進行聲光報警，并通過無線傳輸模塊把采集到的數據發送給中心節點。下面主要介紹一下傳感器采集前端、聲光報警電路和CC2591功率放大電路的實現方式。

2.1.1 傳感器采集前端

物質在燃燒過程中會釋放出大量的熱，環境溫度也隨之升高。溫度傳感器選用數字溫度傳感器DHT21[4]，DHT21芯片傳感器是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器。

物質燃燒過程中不僅釋放熱量，還伴隨產生大量的煙霧。煙霧傳感器采用MQ-2氣體傳感器[5]，當傳感器所處環境中存在可燃氣體時，空氣中可燃氣體的濃度的增加導致傳感器的電導率增大，使電導率的變化轉換為與該氣體濃度相對應的電壓輸出信號。該款傳感器成本低，并能適合多種應用，可檢測多種可燃性氣體，對氫氣、液化氣和丙烷的靈敏度高，可準確排出有刺激性非可燃性煙霧的干擾，對天然氣和其它可燃蒸汽的檢測效果也很好。

2.1.2 無線傳輸的功率放大電路

只用CC2530芯片難以實現所要求的通信距離，為了增大通信距離，滿足更長距離的通信，我們在CC2530的基礎上增加功率放大器CC2591，極大地改善了無線傳感器網絡的無線傳輸距離和通信性能。功率放大電路如圖2所示。

2.1.3 聲光報警模塊

在實際電路中采用了鳴音報警和閃光報警的結合使用，組成了聲光報警，其電路非常簡單可靠，隨著發光二極管的閃爍蜂鳴器發出特定的響聲，二者同時作用于人的視覺和聽覺 器官，更加容易引起人們的注意。如果火災一旦發生，可及時通知附近的人員撤離。聲光報警電路如圖3所示。

圖3 聲光報警電路

2.2 中心節點的硬件實現

無線傳感器網絡接收節點在發送節點的基礎上增加了以太網通信電路，接收節點不需要再測環境參數，所以去掉了傳感器采集前端。電源管理模塊、CC2530通信和CC2591功率放大的外圍電路和接收節點相同，這里主要介紹下以太網通信接口的設計。無線傳感器網絡接收節點不僅接收由上位機發來的地址指令，還將接收到的數據信息通過以太網上傳給上位機進行顯示。芯片 CC2530和以太網控制器ENC28J60連接構成以太網通信接口，把TCPIP協議棧移植到CC2530上，同時與ZigBee協議棧協同運行。如圖4所示。

圖4 以太網通信接口電路

3 消防報警系統軟件設計

3.1 節點組網程序設計

在網絡中，中心節點負責啟動網絡并設置一些關鍵的網絡參數，通過以太網和PC連接，采集節點則加入網絡進行組網[6]。一般情況下我們采用下面的節點組網過程：

1）節點上電初始化；

2）掃描信道，若找到已經存在的網絡，跳至4）執行；若沒找到網絡且本身具有協調器能力，則建立PAN網絡；

3）接收其他節點的入網請求；

4）加入PAN網絡。

具體流程如圖5所示。

圖5 節點組網流程

3.2 CC2530無線通信程序設計

無線傳感器網絡中心節點一方面通過以太網接收來自監控平臺的指令信息，并把接收到的指令信息通過無線通信模塊發送給無線傳感器網絡采集節點；另一方面還要接收所指定采集節點發來的溫度和煙霧信息，并將接收到的信息、上傳給監控平臺進行顯示。接收節點的工作流程圖如圖6所示。

圖6 接收節點的工作流程

無線傳感器網絡所有采集節點一方面通過溫度傳感器和煙霧傳感器采集環境的溫度和煙霧濃度值，并通過RF模塊接收從中心節點發來的地址指令，所有采集節點判斷發來地址信息是否和本身已設置的地址一致，如果一致的話，就把采集到的溫度和煙霧值通過RF射頻模塊發射給中心節點；另一方面無線傳感器網絡采集節點還設計了燈光報警，一旦采集節點附近發生火災，則該節點發出聲光報警功能，提示附近的人員撤離。采集節點的工作流程圖如圖7所示。

圖7 采集節點的工作流程

4結 論

結合當前發展比較快的無線傳感器網絡技術，對基于無線傳感器網絡的消防報警系統進行了研究和設計。根據無線傳感器網絡的星型結構，設計了無線傳感器網絡的中心節點和用于采集環境參數的采集節點。這些節點采用智能化程度高，且配備有RF射頻模塊，節點之間通過RF模塊進行通信。無線傳感器網絡采集節點通過溫度傳感器和煙霧傳感器采集周圍環境中溫度和煙霧信息，計算分析是否有火災發生，如果發生火災則進行聲光報警，并用RF射頻模塊把采集到的信息發送給中心節點，中心節點通過以太網的方式上傳給上位機監控平臺進行顯示，如果有火災發生則進行報警提示，準確顯示火災具體發生的地點和時間，提醒工作人員及時疏散人群，采取滅火措施。提升了消防報警系統的實時監控和預警能力，為人民生命和財產安全提供了非常有力的保障。

[1]鄭君剛，吳成東，張云洲，等.基于無線傳感器網絡建筑火災報警系統設計[C].2009中國自動化大會暨兩化融合高峰會議，2009:11-13.

[2]晏均，周群彪，謝曉陽.基于無線傳感器網絡的室內火災報警系統[J].中國民航飛行學院學報，2009（2）:45-48.

[3]章偉聰，俞新武，李忠成.基于CC2530及ZigBee協議棧設計無線網絡傳感器節點[J].計算機系統應用，2011（7）:184-187.

[4]楊小平.基于AT89S52和DHT21的溫濕度測量系統設計[J].無錫職業技術學院學報，2011（1）:62-63.

[5]費紅波，吉錘.可燃氣體報警器及其檢測標定系統的設計[C].江蘇省計量測試學術論文集（2010）2010.

[6]胡麗霞.基于無線網絡的消防監測系統的設計與實現[D].大連：大連海事大學，2010.

The fire alarm system based on wireless sensor network

LI Qing1，DONG Shu-min2
（1.Jinan Pubic Security Fire Datachment Fire Fighting Department Legal Section，Jinan 250101，China；2.Enterprise Technology Center of Shandong Zhengchen Technology Company co.，Ltd，Jinan 250101，China）

This article is based on intelligent Wireless Sensor Network（WSN）incomparable advantage，the paper introduces the technology of Wireless Sensor Network（WSN）which is applied to fire alarm system.Acquisition nodes collect the parameters of the environment in all aspects，and calculate and transmit the data collected，and then through acquisition nodes and monitoring platform simultaneously early warning.The system is low cost，simple structure，easy to maintain，in the aspect of fire alarm has higher practical application value and prospect.

wireless sensor network；node；fire control；early warning

TN91

A

1674－6236（2016）18-0119-04

2015-10-09 稿件編號：201510041

濟南市2015年公共技術支撐平臺建設支持計劃（201502094）

李 卿（1982—），男，山東濟南人，碩士，工程師。研究方向：消防監督。