基于RSSI测距的无线火灾定位报警系统研究

施志荣

(漳州职业技术学院电子工程学院，福建漳州 363000)

随着城市化的快速发展，高层建筑火灾的发生率越来越高，火灾造成的损失也越来越严重。传统的火灾报警系统耗材多、布线复杂、线路易老化、维护及改造困难，已不能满足现代消防的要求[1]。

本文用MQ-2传感器、DS18B20传感器作为火灾探测器，并结合RSSI测距技术设计了一种基于CC2530的分布式火灾报警与定位系统，使控制中心或消防部门能够及时获知火灾发生的精确位置，从而高效地指导火灾救援工作。

1 系统总体结构

无线火灾定位报警系统主要由上位机和下位机两部分组成，系统结构如图1所示。上位机是由LabView平台开发的监控软件的用户电脑。通过对传感器节点采集到的火警信号进行处理、记录和显示，根据相应的理论模型进行定位计算，上位机能让用户实时了解监控现场的实际情况和火灾发生的具体位置并作出快速反应；下位机由ZigBee协调器、路由器和终端节点组成。协调器是分布式处理的中心。ZigBee网络中，只有协调器才能建立一个新的网络。网络建成以后，协调器就相当于路由器[2]。路由器主要负责无线网络的互连，实现不同终端节点之间的无线通信。终端节点装有MQ-2传感器、DS18B20传感器作为火灾探测器，并放置于敏感的探测位置。每个探测器把检测到的火警信号传给协调器，最后由协调器通过串口上传给上位机进行定位计算和报警处理。

2 无线传感器网络的构建

2.1 系统的网络结构

计算机网络结构是指网络系统中各个主要计算机节点的连接形式，反映了计算机节点连接的几何形状。无线通信系统的网络拓扑结构主要分为三种：网状型、星型、树状型。不同的网络结构拥有不同的特点。网状型可靠性高，容易扩展，但结构复杂；星型系统结构简单，容易实现，但节点之间的数据路由只有唯一的一个路径，只适合距离相对较近的应用；树状型传输高效、维护方便，适合一些远距离的应用。根据实际情况，火灾报警系统采用树状型结构组建整个通信网络。

图1 系统结构图

2.2 ZigBee无线网络的地址分配机制

在无线火灾定位报警系统中，ZigBee协调器组网以后使用的地址是0x0000。终端节点通过协调器加入网络时，路由器会为其分配16位的网络地址。路由器子设备之间的地址间隔可以根据公式(1)求得。

(1)

其中，Lm表示网络的最大深度，e表示父节点的深度，Cm表示父节点拥有的子节点最大数目，Rm表示父节点拥有的子节点的路由器的最大数目，Cskip(e)表示父节点所分配的路由器子设备之间的地址间隔。

根据公式(2)可以很容易地计算出网络中各个设备的节点地址[2]。

(2)

其中，Aparent表示父节点的地址，Ar表示父节点分配的第r个路由器地址，Az表示第z个终端设备的地址。

2.3 火灾探测器的选择

在设计消防报警系统时，合理选用火灾探测器非常重要。探测器的选择是否正确，决定系统能否长期稳定运行。应根据火灾监控区域的实际情况综合考虑后选择适合的火灾探测器。

2.3.1 MQ-2烟雾探测器

大部分的火灾在其形成的早期会产生大量的烟雾。通过感烟探测器，消防报警系统能够在火灾形成的早期及时报警，这对消防部门进行火灾救援工作意义重大。MQ-2烟雾探测器是一款灵敏度高、成本低、适用于多种场合的烟雾探测器。为了使火灾报警系统能够及时发现火情，系统选用MQ-2作为火灾报警的感烟探测器。

2.3.2 DS18B20感温探测器

在火灾形成的早、中期，使用感温传感器作为探测器进行报警非常有效。DS18B20是美国DALLAS公司生产的一款数字式温度传感器，适合测量恶劣环境中的温度。由于使用了CMOS技术，DS18B20体积小、使用方便、消耗电能小，并且在待机状态时功耗基本为零，较大地提高了系统的抗干扰性。基于如此多优点，本系统采用DS18B20作为火灾报警的感温探测器。

3 基于RSSI测距的火源定位

3.1 RSSI的测距原理

ZigBee无线通信过程中，随着传输距离的增大，无线信号的强度呈指数规律衰减。根据接收方接收到的信号强度，结合已知的固定节点发射信号的强度进行传播损耗计算，最后求得未知节点和固定节点之间的距离，这就是RSSI技术的基本原理[3-7]。

固定节点的发射功率与未知节点的接收功率之间的函数关系可以用公式(3)表示。

(3)

其中，PR表示接收功率，PT表示发射功率，n表示信号衰减常数，其值与环境有关；d表示接收端与发送端的距离。两边取对数，可得：

(4)

如果PT已知，则RSSI与被测距离d的数学关系为：

RSSI=10lgPR=A-10n×lgd.

(5)

其中，A表示信号传播单位距离时接收到的信号强度。

由公式(5)可知，接收信号的强度指示RSSI与节点间的距离d的关系由常数A和n共同决定。根据实际测量可知，当被测节点离地高度大于2 m时，RSSI与被测距离d的关系受天线角度的影响最小。因此，将被测节点都放在距离地面大约2.5 m的地方，测得RSSI值与对应距离d数据如表1所示。

表1 距离-RSSI值测量数据

运用最小二乘法对数据进行拟合后得到RSSI值与距离d的关系：

RSSI=A-10n×lgd=-28.0061-10×1.98004×lgd.

(6)

拟合多项式误差平方和为4.3638，拟合曲线如图2所示。

图2 RSSI值与距离d的拟合曲线

由图2可知，得到的拟合曲线和实测数据点基本一致，因此可以用公式(6)去近似RSSI与距离的实际函数关系。

3.2 基于固定节点的距离修正

RSSI测距精度依赖于信号的强度和信道的传播特性。在实际应用中，往往会因多径效应、绕射、障碍物等不确定因素而产生较大的测距误差。为了减小测距误差，本文利用固定节点间距离的校正模型对测量数据进行修正。

假设Pα为被测节点α接收到已知节点β信号强度值，Pγ为已知节点γ接收到已知节点β信号强度值。根据公式(3)可以得到：

(7)

求解可得基于固定节点的测距修正公式：

(8)

其中，dα表示α和β间的距离，dγ表示γ和β间的距离，Pβ表示节点β的发射功率。

3.3 未知节点的坐标计算

选择三个信号强度最强的已知节点，采用三边测量法计算出未知节点位置的坐标值[8-11]。假设A、B、C的位置已知，坐标值分别为(xa,ya)、(xb,yb)、(xc,yc)；节点D的位置未知，坐标值设为(x,y)，与点A、B、C的距离分别为da、db、dc。根据两点的距离公式，式(9)成立。

(9)

一般情况下，可以求解出：

(10)

4 实验及结果分析

在7 m×4 m的房间内，通过参考节点对未知节点进行定位实验。根据式(6)(8)可以得到修正前、后的测距值，如表2所示。

实验结果表明，实际的RSSI测距往往会产生很大的误差。选择合适的固定节点进行距离修正，求解得出的修正距离接近于被测距离，误差小，能够比较精确地计算出被测节点的位置。从表2可知，在7 m的被测范围内，由修正后的测距值计算得到的未知节点的坐标更加接近于实际坐标，误差基本上可以控制在1.5 m范围内，效果理想。

表2 修正前、后的测量距离

5 结语

火灾定位报警系统采用多传感器对火灾信息进行探测，解决了传统消防报警系统布线复杂、灵活性差、灵敏度不够、可靠性不高的难题。同时，系统还利用RSSI测距技术增加了火源点的定位功能。当监控区域发生火灾时，计算机能够及时报警，并显示火源点的位置，从而指导相关部门高效地进行火灾救援工作。总之，无线火灾定位报警系统成本低、安装方便、灵敏度高、可靠性高，是应用前景广阔的消防报警系统。