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[導讀]本文重點對WSN(WirelessSensorNetwork)在火災報警系統(tǒng)中的應用加以分析研究,提出并詳細的探討了火災無線網絡的體系結構和設計原理,采用GAINZ模塊、事件驅動板和響應的開發(fā)軟件包進行部分實驗,證明了方案的可行性和有效性。

一、前言 
 
      隨著智能樓宇技術應用的迅速發(fā)展,商業(yè)市場對火災報警器的需求不斷增長,目前主要使用的是智能型總線制分布式計算機系統(tǒng)的火災報警系統(tǒng),雖然在系統(tǒng)安裝方面比過去大大方便,但仍然不能滿足現(xiàn)代需要,其安裝成本約占設備成本的33%~70%。實際應用對系統(tǒng)的要求如圖1所示。而無線火災報警系統(tǒng)能夠滿足目前要求,它具有安裝容易、快捷、便宜、無需布線、對建筑物表面的最小破壞性、對功能變化的易適應性等特點。 


      
      雖然WSN(Wireless Sensor Networks)正處于完善的迅速發(fā)展時期,但并沒有妨礙它在各領域的應用。德國、日本、美國等發(fā)達國家對無線火災自動報警系統(tǒng)的研究投入大量人力、財力。無線火災自動報警系統(tǒng)是典型的多傳感器的事件驅動型無線傳感器網絡WSN,但又具有其特殊要求:①系統(tǒng)的可靠性、可信度、必須考慮室內多路徑散射、回波、干擾、中斷、碰撞探測等處理;②系統(tǒng)的最小工作生命周期為5年;③總機和探測器間必須雙向通信;④報警信號的傳輸時間必須在10秒內;⑤系統(tǒng)干擾、故障探測反映時間要小于100秒。[1] 

      無線傳感器網絡(WSN)綜合了微電子技術、嵌入式計算技術、現(xiàn)代網絡及無線通信技術、分布式信息處理技術等先進技術,能夠協(xié)同地實時監(jiān)測、感知和采集網絡覆蓋區(qū)域中各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息,并對其進行處理,處理后的信息通過無線方式發(fā)送,并以自組多跳(Self Organizing Hop)的網絡方式傳送給數(shù)據(jù)處理中心。WSN的應用前景十分廣闊,在軍事、工農業(yè)、環(huán)境監(jiān)測,醫(yī)療護理、危險區(qū)域遠程控制等領域都有潛在的應用價值,已經引起了許多國家學術界和工業(yè)界的高度重視。[2]

二、火災探測WSN網絡體系結構


      要設計出具有可靠性高、抗干擾能力強的火災自動報警系統(tǒng),其要求是:①當有火情發(fā)生時,能以最快的速度檢測報警,并能檢測火情發(fā)生的具體地點(特定的地址編碼);②經查實確認后,能及時的通報消防部門滅火;③系統(tǒng)本身應有自身故障檢測的功能,如系統(tǒng)欠電壓報警和自檢功能等,保證自動報警系統(tǒng)功能完好;④較高的系統(tǒng)抗干擾能力,防止系統(tǒng)發(fā)生誤報警。⑤相對較長的系統(tǒng)工作生命周期。
     針對火災探測應用的實際情況,采用基于簇的分層結構網絡較為合理,在穩(wěn)定運行階段,簇中的所有節(jié)點按照時分復用的方式向相應的簇頭發(fā)送數(shù)據(jù)。如圖2所示。 



      基于簇(Cluster)的分層結構具有天然的分布式處理能力[3],簇頭FLCH(First Level Cluster Heads)就是分布式區(qū)域處理中心,每個簇成員SN(Simple Node)都把數(shù)據(jù)傳給簇頭,數(shù)據(jù)融合后再傳給SLCH(Second Level Cluster Heads)節(jié)點。  FLCH節(jié)點和SN節(jié)點之間通過Zigbee技術實現(xiàn)無線的信息交換;帶有射頻收發(fā)器的SN節(jié)點負責對火災數(shù)據(jù)的感知和處理并傳送給FLCH節(jié)點;FLCH節(jié)點處理的數(shù)據(jù)直接傳給SLCH節(jié)點, SLCH節(jié)點的數(shù)據(jù)經中繼器或直接傳至樓宇管理中心,然后再經GSM網絡上傳于消防控制中心,控制中心通過GSM網絡獲取采集到的相關信息,實現(xiàn)對現(xiàn)場的有效控制和管理。系統(tǒng)結構如圖3所示。 



       為了達到傳感器的實用數(shù)量、減少網絡的復雜性、降低網絡整體的功耗,基于每個火災傳感器節(jié)點和FLCH節(jié)點之間通信量較小的特點,提出一種基于需求時喚醒(Wake up On-demand )的工作模式,即傳感器節(jié)點(SN)火災發(fā)生時,能自動醒來和FLCH節(jié)點進行通信;否則工作于睡眠狀態(tài)并采用低功率監(jiān)測信道,以節(jié)約傳感器節(jié)點功耗并拒絕接受非法的連接訪問請求,大大降低了接入FLCH節(jié)點時消息碰撞的概率,極大地增加了傳感器網絡容量。

三、火災探測的特殊性


1、建筑物對信號的影響
      在建筑物內,發(fā)射和接收間的信號傳播主要受多徑反射的影響,信號場強是多種波的總和,因此決定反射/吸收特性的建筑材料和內部結構對于輻射范圍是決定性的。圖4表示某建筑物內的信號衰減情況;距離越遠,場強越弱,在建筑物內部,約與1/r5成正比,即距離增加一倍,衰減約增加17dB,在空曠地帶僅為 6dB。幾種障礙物對無線信號的衰減情況如表1所示。 


       為了保證系統(tǒng)在5-6年時間里能夠可靠通信,并考慮到各種可能的結構環(huán)境,對衰減預算量,即發(fā)射功率與最小接收功率之差,一般為115dBm。而衰減預留量為25dBm,所以實際有效的衰減預算值約為95 dBm。

2、網絡的完整性驗證 

      為了可靠地探測報警,每一個探測器節(jié)點必須保證正常工作,維護網絡的完整性。當任意節(jié)點受到干擾或出現(xiàn)故障時或鏈路斷裂時,臨近節(jié)點會自動救援,將需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)發(fā)送。其自組織連接過程如圖5所示。


3、火災特定算法的嵌入
      目前國內總線型火災探測報警系統(tǒng)已經由開關型逐步過渡到模擬量系統(tǒng),但要真正達到智能系統(tǒng),仍有一定距離,在設計新型系統(tǒng)時最好融入最新的火災智能算法如概率估計、神經網絡、人工智能等最新研究成果,使得系統(tǒng)得可靠性和智能化大大提高。

四、系統(tǒng)工作原理


       對于一個完整的火災傳感器節(jié)點,需要具有小尺寸、低功耗、適應性強的特點,Zigbee設備為低功耗設備,其發(fā)射輸出0dbm~3.6dbm,通信距離為 30米~70米,具有能量檢測和鏈路質量指示,根據(jù)這些檢測結果,設備可自動調整設備的發(fā)射功率,在保證通信鏈路質量的條件下,最小地消耗設備能量,SD 節(jié)點在睡眠狀態(tài)時,功耗電流約為30uA。在網絡數(shù)據(jù)通信時,Zigbee建立一次連接的時間約為20-30ms,這樣短的連接時間可以大大減少傳感器節(jié)點上報給FLCH節(jié)點數(shù)據(jù)碰撞的概率;在網絡安全方面,無線傳感器網絡在Zigbee技術上,采用了密鑰長度為128位的加密算法,對所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息進行加密處理。 

      SN節(jié)點由Zigbee模塊(CC2420和Atmegal-128L兩部分所組成)、硬件檢測電路。硬件檢測電路檢測火災傳感器節(jié)點所在的環(huán)境,當火災發(fā)生變化時,觸發(fā)Zigbee模塊的I/O中斷將信息傳送給Zigbee模塊,模塊從睡眠狀態(tài)喚醒,模塊利用自身的控制芯片對信息進行處理后,再以無線的方式傳送給FLCH節(jié)點。

1、Zigbee模塊初始化過程 

      Zigbee模塊進行通信之前需要進行有效的初始化,初始化也是網絡的完整性和有效性驗證。在初始化通信過程中,F(xiàn)LCH節(jié)點主動廣播連接信令,在SN節(jié)點成功地接收和驗證一個數(shù)據(jù)幀和MAC命令幀后,向FLCH節(jié)點返回確認幀,SN節(jié)點的Zigbee模塊被置于Sleep工作模式,接下來FLCH節(jié)點與 SN節(jié)點進行主從角色轉換,F(xiàn)LCH節(jié)點模塊處于從模式工作狀態(tài),等候響應連接請求信令;此時SN節(jié)點中的Zigbee模塊工作在主模式下,等待著有需求時喚醒發(fā)起連接請求。在初始化結束后,SN節(jié)點Zigbee模塊工作于Sleep模式,拒絕任何的連接請求。這種設計大大降低了傳感器節(jié)點的功耗;并且傳感器節(jié)點只是在有需求時喚醒并主動與FLCH節(jié)點建立連接,保證了FLCH節(jié)點和傳感器節(jié)點間通信的安全可靠。

2、Zigbee模塊信息處理過程 

       信息處理過程是在傳感器節(jié)點的硬件檢測電路檢測到其所在的環(huán)境發(fā)生變化時,由傳感器節(jié)點中的Zigbee模塊對信息簡單處理后,主動發(fā)起連接將處理后的信息傳送給FLCH節(jié)點,由于在工程中測試結論已表明,該無線傳感器網絡的SN節(jié)點99%以上的時間處于Sleep狀態(tài),只需要周期性地監(jiān)聽其無線信道,判斷是否有需要自己處理的數(shù)據(jù)消息,功耗的數(shù)學期望值可低至30μA。[4][5]

3、Zigbee基站節(jié)點和GSM數(shù)據(jù)模塊 

      分布在傳感器網絡中的基站(BS)節(jié)點主要用于接收SN節(jié)點的數(shù)據(jù)上報,并將其進行融合處理,傳給TC35數(shù)據(jù)模塊,通過GSM網絡傳遞給中央信息控制中心。BS節(jié)點由Zigbee模塊、MCUAtmegal-128L、GSM數(shù)據(jù)模塊TC35組成。Zigbee模塊和微控制器之間的連接是通過異步串行口實現(xiàn)的,它們之間的通信速度為38.4kBaud,由于傳感器網絡中分布著多個SLCH節(jié)點,因此基站節(jié)點的MCU要利用軟件中斷實現(xiàn)對不同ID 的SLCH節(jié)點上傳數(shù)據(jù)輪詢掃描,使SLCH節(jié)點的數(shù)據(jù)可以有序、完整地通過微控制器處理后傳出?;荆˙S)節(jié)點在此傳感器網絡中充當?shù)氖莻鞲衅鞴?jié)點和 GSM網絡之間的網關。利用Atmegal-128L控制TC35模塊完成BS節(jié)點和控制中心的通信。Atmegal-128L與TC35通過異步串行口相連,通過AT指令對GSM控制器進行寫操作,模塊支持標準AT指令,可采用SIMENS增強AT指令控制進行數(shù)據(jù)傳輸,在工程應用時,只需要給模塊配備 SIM即可[6]。

4、中央信息控制中心 

      中央信息控制中心由監(jiān)控模塊、配置模塊、數(shù)據(jù)庫三個部分組成。它通過GSM網絡與多個匯節(jié)點間接連接在一起,監(jiān)控模塊通過對通信串口的實時監(jiān)控,實現(xiàn)對分布式匯節(jié)點上報信息的及時接收、解析、處理以及發(fā)送控制信令給不同ID的SLCH節(jié)點實現(xiàn)對傳感器節(jié)點的間接、實時性的監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集。

五、實驗結果


      選用GAINZ節(jié)點模塊和事件驅動接口板,選取部分火災探測智能算法,取得初步的實驗結果。結果表明采用標準的網絡協(xié)議,結合火災探測系統(tǒng)特點,和智能算法在無線傳感器網絡WSN構架下,開發(fā)火災智能無線報警系統(tǒng)是可行的?;馂臒o線傳感器硬件和軟件平臺的設計對于整個系統(tǒng)的開發(fā)與應用至關重要,作為整個系統(tǒng)的底層支持,其必然向微型化、高度集成化、網絡化、節(jié)能化、智能化的方向發(fā)展,近幾年,隨著計算機成本下降和微處理器體積縮小,開發(fā)和構造火災智能無線報警系統(tǒng)將有廣闊的應用前景。工程試驗結果充分顯示了技術的可行性和實現(xiàn)的有效性。

參考文獻:
[1]<> 0-7803-7700-1/03 2003 IEEE。
[2] Zigbee technology and applications: Freescale Technology Forum
[3]Sinha A,Chandrakasan A.Energy aware software[A].Proc.VLSI Design 2000 [C].-Calcutta,India,2000,1。
[4] I. F. Akyildiz, W. Su, Y. Sankarasubramaniam and E. Cayirci. Wirelesssensor networks: a survey
[5] Estrin,D. “Wireless sensor networks:application driver for low power
distributed systems”. Low Power Electronics and Design, International Symposium
on,2001,page:194.
[6] 章步云.GSM數(shù)據(jù)傳輸技術及其在野外實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應用.通信學報.2004,vol.25 page:94-97
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