娱乐场所火警监测无线传感网的设计

□王剑文 唐义锋 冯 辉

近年来，经济的发展推动了物质文明的进步，也带动了精神文明建设，其中，娱乐业也得到了快速发展，各种娱乐场所不断涌现，面对这样一个人员集中的公共场所，有效地进行火灾监测预警，可以对人们的生命财产提供有效保障。我国现有娱乐场所的火灾报警系统大部分采用有线通信方式，更多的是被动式，没有传感器，由人工进行按键报警，存在安装施工量大、工期长、部署调整不便等缺点。随着物联网技术的快速发展，为解决上述问题，本文研究一种无线传感网络监测系统，为火灾的主动预测与及时报警提供一种解决方案。

一、网络系统结构

娱乐场所火警监测系统由无线传感器网络和远程监控中心两部分组成。其中，无线传感器网络又由无线传感器节点、汇聚节点等构成。如图1所示。由于ZigBee协议具有低功耗、低成本、网络容量大等优点，ZigBee协议下的无线传感器网络最多可以有65 535个节点。因此，在系统的无线传感器网络中采用ZigBee协议进行通信。

图1 火灾监测系统结构示意图

传感节点主要用于采集娱乐场所中对应节点处的温度、烟尘浓度、CO浓度等参数。在通信过程中，可根据情况增加传感器节点的中继转发功能，将这些参数通过无线传感器网络上传到汇聚节点，再通过汇聚节点实现与监控中心的通信，扩展了网络的覆盖规模。网络中的数据传输采用多跳方式进行，它可以有效地解决使用较大功率进行远距离通信而导致的能耗问题，还可以灵活地延伸网络的拓扑结构，从而使网络的覆盖面积不受限制。

汇聚节点接收参数后，根据各节点的位置关系，得出整个娱乐场所的工作状况，进而与数据库中专家数据进行分析比较，临界情况下，快速得出重点监测区域，然后将控制指令通过无线对讲系统通知对应的区域管理员进行查询与确认。如果传感器节点直接给出，或管理员查看火情属实时，立即启动人员撤离预案与灭火预案，并进行火灾报警。

同时，它还作为无线监测局域网内的网关，实现无线网络与以太网的互连；负责将各传感器节点的数据变化及设备状况以及汇聚节点作出的控制决策等数据，通过以太网发送到监控中心，实现远程监测与管理。

二、节点硬件设计

（一）传感器节点设计。

传感器节点是无线传感器网络的基本单元，它负责传感和信息预处理，响应监控主机的指令并发送数据等。传感器节点主要由传感器、处理器、无线通信和能量供应等模块组成，每个传感器节点均以ZigBee 无线单片机系列芯片CC2430 为控制核心。芯片中包括RF收发器和强型8051MCU，有32／64／128 kb 的Flash 内存、8 kb 的RAM 以及ADC、DMA、看门狗等。工作在2.4 GHz 频段, 采用低电压（ 2.0 V～ 3.6 V） 供电，功耗很低最大传送速率为250 kbps。一般来说，早期和阴燃阶段的时间相对较长，主要以气体和烟雾为主，在这个阶段可以实现早期报警，而且有资料显示: 阴燃或明火燃烧的气态燃烧产物主要成分为CO、CO2、H2O及烟雾微粒等，还可能会猛然释放大量的热。因此本设计的节点对被测环境的 、烟雾及温度等参数进行适时测量，并通过无线网络传到监控中心。其节点硬件结构如图2所示。

图2 传感器节点硬件结构示意图

其工作过程为，当位于某一房间内的传感器检测到火灾时，能立即将信号传给监控中心，通过对应节点的ID得出所在房间的位置，测控中心便可立刻依据定位系统上报的地点安排消防救护工作，以将人身财产损失降到最低。

（二）节点传感器的选用。

采用MOTOROLA 公司的半导体检测器MGS1100 CO气敏传感器采样外界CO的气体浓度，经过A/D 转换后送到微控器（单片机）；采用烟雾传感器探测外界的烟雾浓度，并经A/D 转换后由微控器处理；外界的温度检测则由一总线式温度传感器DS18B20完成。其中MGS1100使用前，先在加热器（3 VCC，1 GND）端加持续5 s 的5 V高电压（加至高温约400 度），然后加热电压降至1 V（低温小于100 度）并保持10 s，高低加热电压周期性反复。VC由单片机管脚驱动输出，为了得到较好的CO 浓度检测，本设计通过软件控制在加热端的1V 供电（低温） 9.5 s 时检测输出电压VOUT，由VOUT的大小可得CO的浓度。其连续工作模式的周期由单片机内部的定时器实现，输出端经驱动电路供给MGS1100 的加热端。

（三）汇聚节点设计。

根据系统设计要求，汇聚节点一方面负责收集本区域内其他传感器节点的参数信息，另一方面作为与远程机计算机通信的网关，实现无线网络与外网的联接。因此，其硬件主要由中央处理单元、存储单元、射频收发模块、通信模块和电源模块等部分组成。因此，本文选用嵌入式系统作为控制核心。在汇聚节点中集成了S3C2440处理器（32位ARM920T内核），16 VM的FALSH和64 VM的SDRAM，4通道DMA、3通道UART、2通道SPI、IIC总线、IIS／AC97音频控制器、SD／MMC控制器、2通道USB HOST、1通道USB DEVICE、4通道PWM、8通道A/D转换和JTAG-ICE调试接口等。节点中还包括电源管理电路、各种接口电路、触摸屏、小键盘、USB存储电路等。使用一个自定义的扩展接口，连接CC2430，形成ZigBee无线网络接口，实现与无线传感器节点间的通信，从而使S3C2440能从传感器网络中收集到监控数据并上传到控制中心。系统硬件结构如图3所示。

图3 汇聚节点结构示意图

由于S3C2440内置LCD控制器，它支持4 k色STN LCD和256k色TFT LCD2个系列的显示屏，通过液晶显示、键盘电路作为人机接口电路可以方便用户对测控系统的操作。

设计时，为了以后的扩展应用，按照三种有线接口进行电路设计，其电源管理电路为汇聚节点各部分提供所需的电源。整个汇聚节点需要的电压为：1.8 V、3.3 V、4.2 V、5.0 V。选用的芯片为LT1764和MIC29302。其中LT1764分为可调节和不可调节2种，分别提供3.3 V和5.0 V电压。MIC29302提供4.2 V电压。5.0 V电压主要用于液晶显示电路、USB电路，4.2 V电压用于CDMA电路，利用AIC1117A将3.3 V电压降为1.8 V，提供给处理器内核使用，其余电路则使用3.3 V电压。汇聚节点与监控主机默认为以太网或USB连接，视监控室在网络中的位置确定。

三、软件设计

（一）传感器子节点的工作模式。

系统主要由汇聚节点运行管理调度，其性能依赖于子节点数据采集和动作执行速度，而系统中传感器子节点可以按照楼层与房间数量而定，使用定时采集数据的方法进行，其耗能较大，设计时采用插头取电，同时增加电池，在插座无电时使用备用电源，并在软件设计中，采用睡眠-唤醒节能策略，降低子节点的功耗，保障系统稳定运行。

具体采用定时中断的方式对CPU的工作模式进行选择和控制。睡眠模式可以使应用程序关闭MCU中没有使用的模块，从而降低功耗。

子节点每次与汇聚节点通信时，都得到下一次的休睡眠时间。每次任务结束后，进入休睡眠状态。内部睡眠定时器负责计时并将其唤醒，重新进入工作状态。这样能够有效延长节点的电池寿命，增加系统持续运行时间。

（二）主机监测软件平台的构建。

监测主机应用VB软件进行界面设计，按照场所的各房间的层面平面标识对应传感节点，通过节点ID进行通信与监测。工作人员可很方便看出各房间节点的工作状态，并将每个节点的状态数据保存到数据库中，主机根据实时上传来的节点数据，对是否有火情的信息处理，如确认有情况，测主机报警，并在界面上显示出对应的点，通过对讲系统与现场工作人员联系进行进一步确定，如属实，则立即启动施救与人员疏散预案。

四、结束语

本文针对娱乐场所火警监测系统的特点，设计了一种无线传感器网络的方案，采用ARM9芯片S3C2440和低功耗射频芯片CC2430设计无线传感器网络的汇聚节点，使用CC2430配合传感器进行传感节点设计，并且详细地给出了节点软硬件和组网等方面的设计内容。该系统在某KTV中进行了试验，实现了预期功能，能够快速有效地发现着火点位置，实现较短时间内主动报警，提高技防水平。