WSN在智能化小区火灾报警系统中的应用*

陶 昆，张利琼

(贵州师范大学机电工程学院，贵州贵阳 550014)

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［1］。

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［2］。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［3］。

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［4］。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。

图1 WSN火灾报警系统体系结构

2 WSN系统设计

CC2430芯片［5-6］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［7］，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［8］。

图2 WSN火灾报警检测系统原理图

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［9］。

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［10］。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。

［1］宋文，王兵，周应宾，等.无线传感器网络技术与应用［M］.北京:电子工业出版社，2007.

［2］孙利民，李建中，陈渝，等.无线传感器网络［M］.北京:清华大学出版社，2005:15－30.

［3］王建民，史浩山.无线局域网中的通信技术［J］.数字通信，1997(4):41－42.

［4］代忠，樊晓光，万明，等.基于射频芯片CC2420/ZigBee无线通信节点设计［J］.信号处理与系统，2006(5):41－44.

［5］CC2430 芯片数据手册［EB］.http://www.c51rf.com/UpFiles/20080618153645CC2430.rar.

［6］ZigBee Alliance.ZigBee Device Objects［S］.Version 1.00 ZigBee Document 03265r10，December 14th，2004.

［7］王东霞，贺金龙，窦文华.无线局域网技术［J］.现代通信，1997(1):9－10.

［8］陈宏林.Bluetooth的同类新技术ZigBee［J］.电信工程技术与标准化，2004，12(9):35－40.

［9］李文仲，段朝玉.ZigBee无线网络技术入门与实战［M］.北京:北京航空航天大学，2007:131－133，184－199.

［10］晏均，周群彪，谢晓阳.基于无线传感器网络的室内火灾报警系统［J］.中国民航飞行学院学报，2009(2):45－47.