WSN在智能化小区火灾报警系统中的应用

2012-02-08 20:30:52来源: 互联网

  摘要:针对传统火灾报警检测系统的许多缺点,研制了火灾报警检测系统的无线传感器网络,并对WSN在智能化火灾报警系统中的应用进行了分析,使得火灾报警检测系统的节点位置、监测范围、节点敏感度、节点间距离都得以改善和提高。

0 引言

  火灾报警对于任何一个部门无疑都是非常重要的。大多数小区在多个地方一般都安装了火灾报警系统,起到了一定的效果,但也存在一些问题,不能及时、快速、准确地反映小区内的火灾情况,一旦发生火灾,不仅导致居民财产损失,还有可能造成人员伤亡。

  传统小区火灾报警检测系统,通常需要通过布线将系统中的各种部件连接起来,完成这样的安装工程,往往需要花费大量的时间,给客户的正常工作带来不必要的打扰,甚至造成建筑物结构被破坏。而且,硬件线路容易老化或遭到腐蚀,磨损,发生故障多;导线的数量也会随着传感器数量的增加而增加;节点位置太固定、检测范围受限、节点敏感度较低、节点间距离较大、存在安全死角。针对这种情况,本文对其进行了改进,将基于ZigBee的WSN技术应用于火灾检测系统中。选择ZigBee技术作为温度检测系统的无线通信方式。在分析和理解ZigBee协议规范的基础上,提出一种基于ZigBee技术的火灾报警检测的无线传感器网络构成框图。框图分为网络协调器和RFD节点两部分,网络协调器负责接收各终端节点传送过来的温度数据,并将数据及时通过RS232串口按一定格式上传PC机显示。RFD节点可检测自己所处的环境数据,然后发送给网络协调器。

  基于无线传感器网络技术的火灾报警检测系统,节点可以人工摆放,随意控制节点的检测范围和信号覆盖范围。大大提高了小区火灾发现率,降低了事故率,对小区财产及人员的安全有很大的实际意义。

1 系统总体网络体系结构

  设计的总体系统网络体系结构如图1所示。ZigBee无线系统主要由若干个具有路由功能的无线节点和ZigBee中心网络协调器组成,无线网桥连接ZigBee无线网络与以太网,负责无线传感器网络节点和设备节点的管理。图中A、B、C、D为具有路由功能的FFD节点,传感器节点与路由节点自主形成一个多跳的网络。系统采用基于语义的数据处理,调整温度、烟雾浓度和光浓度的阀值可使其应用于不同环境。同时,设计采用组合事件检测的方法,避免由于温度、烟雾浓度或者光浓度的突然波动而引起的错误报警,还可根据具体环境,方便灵活地调整和扩展事件监测的方法。

2 WSN系统设计

  CC2430芯片是ChipcON公司生产的首款符合ZigBee技术的2.4 GHz射频系统单芯片。适用于各种ZigBee无线网络节点,包括协调器、路由器和终端设备。CC2430芯片以强大的集成开发环境IAR作为支持,它结合Chipcon公司全球先进的ZigBee协议栈、工具包和参考设计,是全球领先的ZigBee解决方案。它集成了增强型51内核MCU、闪存、IEEE802.15.4所需要的全部硬件。CC2430 SOC家族包括3个不同系列的产品,CC2430.F32,CC2430.F64和CC2430.F128.它们的区别在于内置闪存的容量不同,分别是32K、64K和128K片内闪存。

  WSN火灾报警检测系统采用星型无线网络系统,系统中只有一个网络协调器和很多个RFD节点,网络协调器设置在管理中心,负责建立网络和管理网络,并显示当前整个网络的状况并把收到的数据通过串口传给计算机。而检测终端节点分布在监测地点,负责采集相关采集值,然后定期发送到网络协调器。

  火灾报警检测节点RFD,由一个CC2430模块,温度、光敏、烟雾等传感器及电池构成,每个RFD节点被初始化为无线传感网络中的终端设备。

  上电复位后,开始搜索网络协调器,并发出连接请求,连接成功后,将得到一个16位的短地址,以后就用这个短地址进行通信。

  RFD节点可检测自己所处的环境数据,然后发送给网络协调器。

  其程序流程图如下:

图3 检测节点RFD程序流程图

  首先RFD节点上电初始化,然后向协调器发送要求加入网络的信号,得到网络协调器的许可,加入网络成功后,节点无线模块处于空闲状态。节点相关传感器采集到信号后,无线模块进入发送状态,将采集到的数据信号发送至网络协调器。发送成功后,节点无线模块进入空闲状态,等待下次数据的采集。

  程序中通过以下语句对RFD的三种状态进行定义:

  在主程序中,通过下列程序指定RFD的发送数据的目的地址。系统中各节点数据全部发往网络协调器。

  网络协调器负责启动整个网络。它也是网络的第一个设备。协调器选择一个信道和一个网络ID(也称之为PANID,即Personal Area Network ID),随后启动整个网络。协调器也可以用来协助建立网络中安全层和应用层的绑定(bindings)。在温度检测系统中,网络协调器负责接收各终端节点传送过来的传感器数据,并将数据及时通过RS232串口按一定格式上传PC机显示。

  流程图如下:

图4 网络协调器流程图

  图5为某一RFD节点所采集到的数据:

图5 采集到的部分节点数据

3 组合时间检测

  为了保证报警系统的准确性和可靠性,某个事件发生与否的结论不能只仅仅根据事件的某个单一特性。对于火灾报警,火灾事件是许多不同特性的融合,即火灾如果发生,要同时满足temperature>100℃并且smoke>100 mg/L,而不仅仅是temperature>100℃或者是smoke>100 mg/L.因此火灾发生与否为组合事f~(fire)。

  组合事件(E)定义如下:

  E=F(P1(x),…,Pn(x)),其中P1(x)到Pn(x)为谓词,F为逻辑函数,其操作符可为'∧','∨'等。

  为了根据多种特性监测火灾,每个节点同时布置温度、烟雾浓度和光敏传感器,则火灾组合事件可定义为Fire=P1(x)∧P2(x)∧P3(x),其中P1(x)=(temperature>100℃),P2(x)=(smoke>100 mg/L),P3(x)=(light>500cd)。同时可根据监测范围内的具体环境特点扩展火灾事件(fire),如增加有害气体的浓度等。

4 结束语

  本文设计的基于ZigBee的WSN火灾报警检测系统,具有低能耗特点,同时该系统容易扩展,具有一定的实用性和推广性。

关键字:智能

编辑:鲁迪 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/afdz/2012/0208/article_4373.html
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