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无線(xiàn)火灾监控系统在坑、地道式防护工程中的应用(yòng)

济南車(chē)间净化工程公司注意到：地下火灾报警系统设计一直以来是研究的热点，之前设计的系统大多(duō)采用(yòng)有(yǒu)線(xiàn)连接，但由于阴暗、潮湿的地下环境，線(xiàn)路容易腐蚀导致系统失效。為(wèi)此，我们在对现有(yǒu)火灾监控系统和无線(xiàn)传感器网络研究的基础上，考虑到坑、地道式人防工程的特殊环境，设计了一种无線(xiàn)火灾监控系统。

1 系统的总體(tǐ)方案

该监控系统主要对坑、地道式人防工程温湿度、火灾信息（烟雾参数）进行监测。系统由终端、无線(xiàn)网关、路由节点及传感器节点组成，如图1所示。传感器节点主要由若干火灾探测器组成，路由是信息的中继站，负责将距离网关较遠(yuǎn)的传感器节点的报警信号传递给网关，网关是所有(yǒu)节点信息的汇聚点，负责将收到的信息通过串口向 PC 机发送。

探测器通过探测火灾特征参数判断火灾的发生，一旦判断出有(yǒu)火灾发生，则进行自动报警，并将数据信息包括发出报警的传感器节点地址，通过射频发送器终端控制器发送。终端可(kě)以由一台计算机来担任，计算机运行特定软件，负责分(fēn)析处理(lǐ)探测器节点发送过来的数据，并且可(kě)以实时地显示监控區(qū)域地下的情况。另外，可(kě)以通过基站对整个网络中的节点探测参数进行配置调整，保证不同情况下火灾报警的准确性。

2 系统硬件设计

网络中每个节点均以 CC2420 為(wèi)控制核心。CC2420 是符合2.4GHz IEEE802.15.4标准的射频收发器。它基于Chipcon公司的SmartRF 03技术，以0.18 μm CMOS 工艺制成，只需极少外部元器件，性能(néng)稳定且功耗极低。CC2420 的选择性和敏感性指数超过了IEEE802.15.4标准的要求，可(kě)确保短距离通信的有(yǒu)效性和可(kě)靠性。

2.1 传感器节点设计

针对坑、地道式人防工程火灾早期探测，传感器模块可(kě)以由温度、烟雾以及 CO气體(tǐ)等传感器组成。本论文(wén)的传感器模块由温湿度传感器模块和光電(diàn)型烟雾探测模块两部分(fēn)组成，可(kě)以实现温湿度的测量和烟雾探测。温湿传感器采用(yòng)SHT11，它采用(yòng)独特的 CMOSens TM技术，具有(yǒu)数字式输出、免调试、免标定、免外围電(diàn)路及抗干扰能(néng)力强的特点，只需一条时钟線(xiàn)和一条数据線(xiàn)就可(kě)以把传感器采集到的温湿度传给CC2420。其结构框图如图2所示。光電(diàn)型烟雾探测模块是通过一对红外線(xiàn)发射和接收二极管实现的。正常情况下，没有(yǒu)烟雾进入光學(xué)探测室二极管发出的红外光線(xiàn)被光學(xué)迷宫吸收，接收二极管接收不到光線(xiàn)。火灾发生时，有(yǒu)烟雾颗粒进入光學(xué)探测室，使红外光線(xiàn)发生散射，接收二极管收到散射光線(xiàn)，产生電(diàn)流信号，经过放大后由 SIG 引脚输出，送给 Atmegal28 经过 AD 转换后进行相关处理(lǐ)。PULSE引脚接Atmega128的I/O 引脚，控制红外发射二极管的开启与关闭。

图2中SCK和DATA 引脚分(fēn)别是串行接口时钟線(xiàn)和数据線(xiàn)，连接 Atmega128 相应的引脚。

2.2 网关节点的设计

网关节点是将所有(yǒu)节点数据汇总、分(fēn)析、存储和发送的机构。它与计算机之间利用(yòng)RS232异步串口进行通信，如图3 所示。其功能(néng)相当于 1个接入点，一方面将主机向传感器节点发送的控制信号以无線(xiàn)的方式发射出去，另一方面将传感器节点采集的火灾参量传送给主机。

图3中，串口模块是 CC2420 与监控主机的通信接口，负责将收到的报警信息送给主机显示，同时还传送主机发给网关的控制命令。

3 系统软件设计

软件设计包括三种类型节点的设计，同时為(wèi)操作人员能(néng)够直观地在监控主机上检测各个區(qū)域的火灾特征信号。传感器节点、路由和网关节点都是基于ZigBee 协议栈进行设计的。ZigBee协议栈的构架如图4 所示。要实现接收来自其他(tā)节点的信息，然后寻找最优路径进行传递，同时还实现传感器节点的部分(fēn)功能(néng)；网关节点的应用(yòng)层中实现包括网络的组建、对加入网络的节点网络地址的分(fēn)配及与PC机的通信。

应用(yòng)层中的各个功能(néng)采用(yòng)事件触发的形式来实现，根据功能(néng)的要求在适当的位置调用(yòng)事件触发函数，实现相应的功能(néng)。网络层包含了网络层的配置参数和网络层库函数接口文(wén)件，主要实现网络维护、网络层数据的发送与接收、路由选择以及广播通信功能(néng)。MAC层和物(wù)理(lǐ)层都是采用(yòng)IEEE802.15.4 标准，MAC 层负责处理(lǐ)所有(yǒu)的物(wù)理(lǐ)无線(xiàn)信道访问，并产生网络信号、同步信号；支持PAN 连接和分(fēn)离，提供两个对等 MAC 实體(tǐ)之间可(kě)靠的链路。物(wù)理(lǐ)层定义了物(wù)理(lǐ)无線(xiàn)信道和 MAC 子层之间的接口，提供物(wù)理(lǐ)层数据服務(wù)和物(wù)理(lǐ)层管理(lǐ)服務(wù)。协议的各层之间通过操作系统来实现稳定可(kě)靠的协作。

3.2 传感器节点软件设计

传感器节点的功能(néng)是实时采集地下火灾参量信号，包括温度、烟雾浓度，并且对火灾参量进行分(fēn)析，判断是否是火警信号。如果是就向网关发送报警信号，由网关通知监测人员。流程如图5所示。

3.3 路由节点的软件设计

传感器节点的功能(néng)是实时采集地下火灾参量信号，包括温度、烟雾浓度，并且对火灾参量进行分(fēn)析，判断是否是火警信号。如果是就向网关发送报警信号，由网关通知监测人员。流程如图5所示。

3.3 路由节点的软件设计

实际安装中某些单元距离监控室较遠(yuǎn)时，传感器节点就可(kě)能(néng)无法将报警信号传送到网关节点，此时就需要路由来实现。路由的主要功能(néng)是為(wèi)信息的传递提供接力作用(yòng)，扩大信号的传输范围。因此，一般情况下，它应该一直处于活动状态不应休眠。路由在进行信息传递时，会為(wèi)经过它的每个数据帧寻找一条最佳传输路径，并将该数据有(yǒu)效地传送到目的节点。流程图如图6所示。

3.4 网关节点软件设计

网关节点负责网络的组建，并且会对加入这个网络的设备分(fēn)配网络地址。当其他(tā)类型节点加入网络后，它的工作流程是：计算机发送命令以后，网关接收命令，根据命令判断计算机需要哪个节点的信息，并向该节点发送命令要求将对应图6路由节点流程图数据传回网关，然后再将接收到的指定节点的信息按既定格式发送给 PC 机，通过PC 机上的系统组态图可(kě)以观察到该信息。网关节点的组网流程如图7所示。

4 结语

针对目前我國(guó)坑、地道式人防工程火灾监测系统存在的问题，设计了一种无線(xiàn)火灾监控系统。该系统集监测、显示、报警、通信等多(duō)功能(néng)于一體(tǐ)，可(kě)以对目标區(qū)域进行遠(yuǎn)程监控，监测节点體(tǐ)积小(xiǎo)，无需布線(xiàn)，移动、安装和检修方便。