WSN在智能化小區(qū)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)中的應(yīng)用

摘要：針對傳統(tǒng)火災(zāi)報(bào)警檢測系統(tǒng)的許多缺點(diǎn)，研制了火災(zāi)報(bào)警檢測系統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，并對WSN在智能化火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行了分析，使得火災(zāi)報(bào)警檢測系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)位置、監(jiān)測范圍、節(jié)點(diǎn)敏感度、節(jié)點(diǎn)間距離都得以改善和提高。
關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；ZigBee；CC2430；火災(zāi)報(bào)警檢測系統(tǒng)

0 引言
    火災(zāi)報(bào)警對于任何一個(gè)部門無疑都是非常重要的。大多數(shù)小區(qū)在多個(gè)地方一般都安裝了火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)，起到了一定的效果，但也存在一些問題，不能及時(shí)、快速、準(zhǔn)確地反映小區(qū)內(nèi)的火災(zāi)情況，一旦發(fā)生火災(zāi)，不僅導(dǎo)致居民財(cái)產(chǎn)損失，還有可能造成人員傷亡。
    傳統(tǒng)小區(qū)火災(zāi)報(bào)警檢測系統(tǒng)，通常需要通過布線將系統(tǒng)中的各種部件連接起來，完成這樣的安裝工程，往往需要花費(fèi)大量的時(shí)間，給客戶的正常工作帶來不必要的打擾，甚至造成建筑物結(jié)構(gòu)被破壞。而且，硬件線路容易老化或遭到腐蝕，磨損，發(fā)生故障多；導(dǎo)線的數(shù)量也會隨著傳感器數(shù)量的增加而增加；節(jié)點(diǎn)位置太固定、檢測范圍受限、節(jié)點(diǎn)敏感度較低、節(jié)點(diǎn)間距離較大、存在安全死角。針對這種情況，本文對其進(jìn)行了改進(jìn)，將基于ZigBee的WSN技術(shù)應(yīng)用于火災(zāi)檢測系統(tǒng)中。選擇ZigBee技術(shù)作為溫度檢測系統(tǒng)的無線通信方式。在分析和理解ZigBee協(xié)議規(guī)范的基礎(chǔ)上，提出一種基于ZigBee技術(shù)的火災(zāi)報(bào)警檢測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成框圖?？驁D分為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器和RFD節(jié)點(diǎn)兩部分，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)接收各終端節(jié)點(diǎn)傳送過來的溫度數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)及時(shí)通過RS232串口按一定格式上傳PC機(jī)顯示。RFD節(jié)點(diǎn)可檢測自己所處的環(huán)境數(shù)據(jù)，然后發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。
    基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的火災(zāi)報(bào)警檢測系統(tǒng)，節(jié)點(diǎn)可以人工擺放，隨意控制節(jié)點(diǎn)的檢測范圍和信號覆蓋范圍。大大提高了小區(qū)火災(zāi)發(fā)現(xiàn)率，降低了事故率，對小區(qū)財(cái)產(chǎn)及人員的安全有很大的實(shí)際意義。

1 系統(tǒng)總體網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)
    設(shè)計(jì)的總體系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。ZigBee無線系統(tǒng)主要由若干個(gè)具有路由功能的無線節(jié)點(diǎn)和ZigBee中心網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器組成，無線網(wǎng)橋連接ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)與以太網(wǎng)，負(fù)責(zé)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和設(shè)備節(jié)點(diǎn)的管理。圖中A、B、C、D為具有路由功能的FFD節(jié)點(diǎn)，傳感器節(jié)點(diǎn)與路由節(jié)點(diǎn)自主形成一個(gè)多跳的網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)采用基于語義的數(shù)據(jù)處理，調(diào)整溫度、煙霧濃度和光濃度的閥值可使其應(yīng)用于不同環(huán)境。同時(shí)，設(shè)計(jì)采用組合事件檢測的方法，避免由于溫度、煙霧濃度或者光濃度的突然波動而引起的錯(cuò)誤報(bào)警，還可根據(jù)具體環(huán)境，方便靈活地調(diào)整和擴(kuò)展事件監(jiān)測的方法。

2 WSN系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    CC2430芯片是Chipcon公司生產(chǎn)的首款符合ZigBee技術(shù)的2．4 GHz射頻系統(tǒng)單芯片。適用于各種ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，包括協(xié)調(diào)器、路由器和終端設(shè)備。CC2430芯片以強(qiáng)大的集成開發(fā)環(huán)境IAR作為支持，它結(jié)合Chipcon公司全球先進(jìn)的ZigBee協(xié)議棧、工具包和參考設(shè)計(jì)，是全球領(lǐng)先的ZigBee解決方案。它集成了增強(qiáng)型51內(nèi)核MCU、閃存、IEEE802.15.4所需要的全部硬件。CC2430 SOC家族包括3個(gè)不同系列的產(chǎn)品，CC2430．F32，CC2430．F64和CC2430．F128。它們的區(qū)別在于內(nèi)置閃存的容量不同，分別是32K、64K和128K片內(nèi)閃存。
    WSN火災(zāi)報(bào)警檢測系統(tǒng)采用星型無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，系統(tǒng)中只有一個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器和很多個(gè)RFD節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器設(shè)置在管理中心，負(fù)責(zé)建立網(wǎng)絡(luò)和管理網(wǎng)絡(luò)，并顯示當(dāng)前整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的狀況并把收到的數(shù)據(jù)通過串口傳給計(jì)算機(jī)。而檢測終端節(jié)點(diǎn)分布在監(jiān)測地點(diǎn)，負(fù)責(zé)采集相關(guān)采集值，然后定期發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。

    火災(zāi)報(bào)警檢測節(jié)點(diǎn)RFD，由一個(gè)CC2430模塊，溫度、光敏、煙霧等傳感器及電池構(gòu)成，每個(gè)RFD節(jié)點(diǎn)被初始化為無線傳感網(wǎng)絡(luò)中的終端設(shè)備。
    上電復(fù)位后，開始搜索網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，并發(fā)出連接請求，連接成功后，將得到一個(gè)16位的短地址，以后就用這個(gè)短地址進(jìn)行通信。
RFD節(jié)點(diǎn)可檢測自己所處的環(huán)境數(shù)據(jù)，然后發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。
    其程序流程圖如下：

    首先RFD節(jié)點(diǎn)上電初始化，然后向協(xié)調(diào)器發(fā)送要求加入網(wǎng)絡(luò)的信號，得到網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的許可，加入網(wǎng)絡(luò)成功后，節(jié)點(diǎn)無線模塊處于空閑狀態(tài)。節(jié)點(diǎn)相關(guān)傳感器采集到信號后，無線模塊進(jìn)入發(fā)送狀態(tài)，將采集到的數(shù)據(jù)信號發(fā)送至網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。發(fā)送成功后，節(jié)點(diǎn)無線模塊進(jìn)入空閑狀態(tài)，等待下次數(shù)據(jù)的采集。
    程序中通過以下語句對RFD的三種狀態(tài)進(jìn)行定義：
   
    在主程序中，通過下列程序指定RFD的發(fā)送數(shù)據(jù)的目的地址。系統(tǒng)中各節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)全部發(fā)往網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。
   
    網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)啟動整個(gè)網(wǎng)絡(luò)。它也是網(wǎng)絡(luò)的第一個(gè)設(shè)備。協(xié)調(diào)器選擇一個(gè)信道和一個(gè)網(wǎng)絡(luò)ID(也稱之為PANID，即Personal Area Network ID)，隨后啟動整個(gè)網(wǎng)絡(luò)。協(xié)調(diào)器也可以用來協(xié)助建立網(wǎng)絡(luò)中安全層和應(yīng)用層的綁定(bindings)。在溫度檢測系統(tǒng)中，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)接收各終端節(jié)點(diǎn)傳送過來的傳感器數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)及時(shí)通過RS232串口按一定格式上傳PC機(jī)顯示。
    流程圖如下：

    圖5為某一RFD節(jié)點(diǎn)所采集到的數(shù)據(jù)：

3 組合時(shí)間檢測
    為了保證報(bào)警系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可靠性，某個(gè)事件發(fā)生與否的結(jié)論不能只僅僅根據(jù)事件的某個(gè)單一特性。對于火災(zāi)報(bào)警，火災(zāi)事件是許多不同特性的融合，即火災(zāi)如果發(fā)生，要同時(shí)滿足temperature>100℃并且smoke>100 mg／L，而不僅僅是temperature>100℃或者是smoke>100 mg／L。因此火災(zāi)發(fā)生與否為組合事f～(fire)。
    組合事件(E)定義如下：
    E=F(P1(x)，…，Pn(x))，其中P1(x)到Pn(x)為謂詞，F(xiàn)為邏輯函數(shù)，其操作符可為‘∧’，‘∨’等。
    為了根據(jù)多種特性監(jiān)測火災(zāi)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)布置溫度、煙霧濃度和光敏傳感器，則火災(zāi)組合事件可定義為Fire=P1(x)∧P2(x)∧P3(x)，其中P1(x)=(temperature>100℃)，P2(x)=(smoke>100 mg／L)，P3(x)=(light>500cd)．同時(shí)可根據(jù)監(jiān)測范圍內(nèi)的具體環(huán)境特點(diǎn)擴(kuò)展火災(zāi)事件(fire)，如增加有害氣體的濃度等。

4 結(jié)束語
    本文設(shè)計(jì)的基于ZigBee的WSN火災(zāi)報(bào)警檢測系統(tǒng)，具有低能耗特點(diǎn)，同時(shí)該系統(tǒng)容易擴(kuò)展，具有一定的實(shí)用性和推廣性。