無線火災監(jiān)控系統(tǒng)在坑、地道式防護工程中的應用

濟南車間凈化工程公司注意到：地下火災報警系統(tǒng)設計一直以來是研究的熱點，之前設計的系統(tǒng)大多采用有線連接，但由于陰暗、潮濕的地下環(huán)境，線路容易腐蝕導致系統(tǒng)失效。為此，我們在對現(xiàn)有火災監(jiān)控系統(tǒng)和無線傳感器網(wǎng)絡研究的基礎上，考慮到坑、地道式人防工程的特殊環(huán)境，設計了一種無線火災監(jiān)控系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)的總體方案

該監(jiān)控系統(tǒng)主要對坑、地道式人防工程溫濕度、火災信息（煙霧參數(shù)）進行監(jiān)測。系統(tǒng)由終端、無線網(wǎng)關、路由節(jié)點及傳感器節(jié)點組成，如圖1所示。傳感器節(jié)點主要由若干火災探測器組成，路由是信息的中繼站，負責將距離網(wǎng)關較遠的傳感器節(jié)點的報警信號傳遞給網(wǎng)關，網(wǎng)關是所有節(jié)點信息的匯聚點，負責將收到的信息通過串口向 PC 機發(fā)送。

探測器通過探測火災特征參數(shù)判斷火災的發(fā)生，一旦判斷出有火災發(fā)生，則進行自動報警，并將數(shù)據(jù)信息包括發(fā)出報警的傳感器節(jié)點地址，通過射頻發(fā)送器終端控制器發(fā)送。終端可以由一臺計算機來擔任，計算機運行特定軟件，負責分析處理探測器節(jié)點發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，并且可以實時地顯示監(jiān)控區(qū)域地下的情況。另外，可以通過基站對整個網(wǎng)絡中的節(jié)點探測參數(shù)進行配置調整，保證不同情況下火災報警的準確性。

2 系統(tǒng)硬件設計

網(wǎng)絡中每個節(jié)點均以 CC2420 為控制核心。CC2420 是符合2.4GHz IEEE802.15.4標準的射頻收發(fā)器。它基于Chipcon公司的SmartRF 03技術，以0.18 μm CMOS 工藝制成，只需極少外部元器件，性能穩(wěn)定且功耗極低。CC2420 的選擇性和敏感性指數(shù)超過了IEEE802.15.4標準的要求，可確保短距離通信的有效性和可靠性。

2.1 傳感器節(jié)點設計

針對坑、地道式人防工程火災早期探測，傳感器模塊可以由溫度、煙霧以及 CO氣體等傳感器組成。本論文的傳感器模塊由溫濕度傳感器模塊和光電型煙霧探測模塊兩部分組成，可以實現(xiàn)溫濕度的測量和煙霧探測。溫濕傳感器采用SHT11，它采用獨特的 CMOSens TM技術，具有數(shù)字式輸出、免調試、免標定、免外圍電路及抗干擾能力強的特點，只需一條時鐘線和一條數(shù)據(jù)線就可以把傳感器采集到的溫濕度傳給CC2420。其結構框圖如圖2所示。光電型煙霧探測模塊是通過一對紅外線發(fā)射和接收二極管實現(xiàn)的。正常情況下，沒有煙霧進入光學探測室二極管發(fā)出的紅外光線被光學迷宮吸收，接收二極管接收不到光線。火災發(fā)生時，有煙霧顆粒進入光學探測室，使紅外光線發(fā)生散射，接收二極管收到散射光線，產(chǎn)生電流信號，經(jīng)過放大后由 SIG 引腳輸出，送給 Atmegal28 經(jīng)過 AD 轉換后進行相關處理。PULSE引腳接Atmega128的I/O 引腳，控制紅外發(fā)射二極管的開啟與關閉。

圖2中SCK和DATA 引腳分別是串行接口時鐘線和數(shù)據(jù)線，連接 Atmega128 相應的引腳。

2.2 網(wǎng)關節(jié)點的設計

網(wǎng)關節(jié)點是將所有節(jié)點數(shù)據(jù)匯總、分析、存儲和發(fā)送的機構。它與計算機之間利用RS232異步串口進行通信，如圖3 所示。其功能相當于 1個接入點，一方面將主機向傳感器節(jié)點發(fā)送的控制信號以無線的方式發(fā)射出去，另一方面將傳感器節(jié)點采集的火災參量傳送給主機。

圖3中，串口模塊是 CC2420 與監(jiān)控主機的通信接口，負責將收到的報警信息送給主機顯示，同時還傳送主機發(fā)給網(wǎng)關的控制命令。

3 系統(tǒng)軟件設計

軟件設計包括三種類型節(jié)點的設計，同時為操作人員能夠直觀地在監(jiān)控主機上檢測各個區(qū)域的火災特征信號。傳感器節(jié)點、路由和網(wǎng)關節(jié)點都是基于ZigBee 協(xié)議棧進行設計的。ZigBee協(xié)議棧的構架如圖4 所示。要實現(xiàn)接收來自其他節(jié)點的信息，然后尋找最優(yōu)路徑進行傳遞，同時還實現(xiàn)傳感器節(jié)點的部分功能；網(wǎng)關節(jié)點的應用層中實現(xiàn)包括網(wǎng)絡的組建、對加入網(wǎng)絡的節(jié)點網(wǎng)絡地址的分配及與PC機的通信。

應用層中的各個功能采用事件觸發(fā)的形式來實現(xiàn)，根據(jù)功能的要求在適當?shù)奈恢谜{用事件觸發(fā)函數(shù)，實現(xiàn)相應的功能。網(wǎng)絡層包含了網(wǎng)絡層的配置參數(shù)和網(wǎng)絡層庫函數(shù)接口文件，主要實現(xiàn)網(wǎng)絡維護、網(wǎng)絡層數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收、路由選擇以及廣播通信功能。MAC層和物理層都是采用IEEE802.15.4 標準，MAC 層負責處理所有的物理無線信道訪問，并產(chǎn)生網(wǎng)絡信號、同步信號；支持PAN 連接和分離，提供兩個對等 MAC 實體之間可靠的鏈路。物理層定義了物理無線信道和 MAC 子層之間的接口，提供物理層數(shù)據(jù)服務和物理層管理服務。協(xié)議的各層之間通過操作系統(tǒng)來實現(xiàn)穩(wěn)定可靠的協(xié)作。

3.2 傳感器節(jié)點軟件設計

傳感器節(jié)點的功能是實時采集地下火災參量信號，包括溫度、煙霧濃度，并且對火災參量進行分析，判斷是否是火警信號。如果是就向網(wǎng)關發(fā)送報警信號，由網(wǎng)關通知監(jiān)測人員。流程如圖5所示。

3.3 路由節(jié)點的軟件設計

傳感器節(jié)點的功能是實時采集地下火災參量信號，包括溫度、煙霧濃度，并且對火災參量進行分析，判斷是否是火警信號。如果是就向網(wǎng)關發(fā)送報警信號，由網(wǎng)關通知監(jiān)測人員。流程如圖5所示。

3.3 路由節(jié)點的軟件設計

實際安裝中某些單元距離監(jiān)控室較遠時，傳感器節(jié)點就可能無法將報警信號傳送到網(wǎng)關節(jié)點，此時就需要路由來實現(xiàn)。路由的主要功能是為信息的傳遞提供接力作用，擴大信號的傳輸范圍。因此，一般情況下，它應該一直處于活動狀態(tài)不應休眠。路由在進行信息傳遞時，會為經(jīng)過它的每個數(shù)據(jù)幀尋找一條最佳傳輸路徑，并將該數(shù)據(jù)有效地傳送到目的節(jié)點。流程圖如圖6所示。

3.4 網(wǎng)關節(jié)點軟件設計

網(wǎng)關節(jié)點負責網(wǎng)絡的組建，并且會對加入這個網(wǎng)絡的設備分配網(wǎng)絡地址。當其他類型節(jié)點加入網(wǎng)絡后，它的工作流程是：計算機發(fā)送命令以后，網(wǎng)關接收命令，根據(jù)命令判斷計算機需要哪個節(jié)點的信息，并向該節(jié)點發(fā)送命令要求將對應圖6路由節(jié)點流程圖數(shù)據(jù)傳回網(wǎng)關，然后再將接收到的指定節(jié)點的信息按既定格式發(fā)送給 PC 機，通過PC 機上的系統(tǒng)組態(tài)圖可以觀察到該信息。網(wǎng)關節(jié)點的組網(wǎng)流程如圖7所示。

4 結語

針對目前我國坑、地道式人防工程火災監(jiān)測系統(tǒng)存在的問題，設計了一種無線火災監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)集監(jiān)測、顯示、報警、通信等多功能于一體，可以對目標區(qū)域進行遠程監(jiān)控，監(jiān)測節(jié)點體積小，無需布線，移動、安裝和檢修方便。