娛樂場(chǎng)所火警監(jiān)測(cè)無線傳感網(wǎng)的設(shè)計(jì)

□王劍文 唐義鋒 馮 輝

近年來，經(jīng)濟(jì)的發(fā)展推動(dòng)了物質(zhì)文明的進(jìn)步，也帶動(dòng)了精神文明建設(shè)，其中，娛樂業(yè)也得到了快速發(fā)展，各種娛樂場(chǎng)所不斷涌現(xiàn)，面對(duì)這樣一個(gè)人員集中的公共場(chǎng)所，有效地進(jìn)行火災(zāi)監(jiān)測(cè)預(yù)警，可以對(duì)人們的生命財(cái)產(chǎn)提供有效保障。我國現(xiàn)有娛樂場(chǎng)所的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)大部分采用有線通信方式，更多的是被動(dòng)式，沒有傳感器，由人工進(jìn)行按鍵報(bào)警，存在安裝施工量大、工期長、部署調(diào)整不便等缺點(diǎn)。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，為解決上述問題，本文研究一種無線傳感網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，為火災(zāi)的主動(dòng)預(yù)測(cè)與及時(shí)報(bào)警提供一種解決方案。

一、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

娛樂場(chǎng)所火警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和遠(yuǎn)程監(jiān)控中心兩部分組成。其中，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)又由無線傳感器節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)等構(gòu)成。如圖1所示。由于ZigBee協(xié)議具有低功耗、低成本、網(wǎng)絡(luò)容量大等優(yōu)點(diǎn)，ZigBee協(xié)議下的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)最多可以有65 535個(gè)節(jié)點(diǎn)。因此，在系統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中采用ZigBee協(xié)議進(jìn)行通信。

圖1 火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

傳感節(jié)點(diǎn)主要用于采集娛樂場(chǎng)所中對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)處的溫度、煙塵濃度、CO濃度等參數(shù)。在通信過程中，可根據(jù)情況增加傳感器節(jié)點(diǎn)的中繼轉(zhuǎn)發(fā)功能，將這些參數(shù)通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)上傳到匯聚節(jié)點(diǎn)，再通過匯聚節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)與監(jiān)控中心的通信，擴(kuò)展了網(wǎng)絡(luò)的覆蓋規(guī)模。網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)傳輸采用多跳方式進(jìn)行，它可以有效地解決使用較大功率進(jìn)行遠(yuǎn)距離通信而導(dǎo)致的能耗問題，還可以靈活地延伸網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從而使網(wǎng)絡(luò)的覆蓋面積不受限制。

匯聚節(jié)點(diǎn)接收參數(shù)后，根據(jù)各節(jié)點(diǎn)的位置關(guān)系，得出整個(gè)娛樂場(chǎng)所的工作狀況，進(jìn)而與數(shù)據(jù)庫中專家數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比較，臨界情況下，快速得出重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域，然后將控制指令通過無線對(duì)講系統(tǒng)通知對(duì)應(yīng)的區(qū)域管理員進(jìn)行查詢與確認(rèn)。如果傳感器節(jié)點(diǎn)直接給出，或管理員查看火情屬實(shí)時(shí)，立即啟動(dòng)人員撤離預(yù)案與滅火預(yù)案，并進(jìn)行火災(zāi)報(bào)警。

同時(shí)，它還作為無線監(jiān)測(cè)局域網(wǎng)內(nèi)的網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)與以太網(wǎng)的互連；負(fù)責(zé)將各傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)變化及設(shè)備狀況以及匯聚節(jié)點(diǎn)作出的控制決策等數(shù)據(jù)，通過以太網(wǎng)發(fā)送到監(jiān)控中心，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與管理。

二、節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

（一）傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)。

傳感器節(jié)點(diǎn)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本單元，它負(fù)責(zé)傳感和信息預(yù)處理，響應(yīng)監(jiān)控主機(jī)的指令并發(fā)送數(shù)據(jù)等。傳感器節(jié)點(diǎn)主要由傳感器、處理器、無線通信和能量供應(yīng)等模塊組成，每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)均以ZigBee 無線單片機(jī)系列芯片CC2430 為控制核心。芯片中包括RF收發(fā)器和強(qiáng)型8051MCU，有32／64／128 kb 的Flash 內(nèi)存、8 kb 的RAM 以及ADC、DMA、看門狗等。工作在2.4 GHz 頻段, 采用低電壓（ 2.0 V～ 3.6 V） 供電，功耗很低最大傳送速率為250 kbps。一般來說，早期和陰燃階段的時(shí)間相對(duì)較長，主要以氣體和煙霧為主，在這個(gè)階段可以實(shí)現(xiàn)早期報(bào)警，而且有資料顯示: 陰燃或明火燃燒的氣態(tài)燃燒產(chǎn)物主要成分為CO、CO2、H2O及煙霧微粒等，還可能會(huì)猛然釋放大量的熱。因此本設(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)對(duì)被測(cè)環(huán)境的 、煙霧及溫度等參數(shù)進(jìn)行適時(shí)測(cè)量，并通過無線網(wǎng)絡(luò)傳到監(jiān)控中心。其節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 傳感器節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)示意圖

其工作過程為，當(dāng)位于某一房間內(nèi)的傳感器檢測(cè)到火災(zāi)時(shí)，能立即將信號(hào)傳給監(jiān)控中心，通過對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)的ID得出所在房間的位置，測(cè)控中心便可立刻依據(jù)定位系統(tǒng)上報(bào)的地點(diǎn)安排消防救護(hù)工作，以將人身財(cái)產(chǎn)損失降到最低。

（二）節(jié)點(diǎn)傳感器的選用。

采用MOTOROLA 公司的半導(dǎo)體檢測(cè)器MGS1100 CO氣敏傳感器采樣外界CO的氣體濃度，經(jīng)過A/D 轉(zhuǎn)換后送到微控器（單片機(jī)）；采用煙霧傳感器探測(cè)外界的煙霧濃度，并經(jīng)A/D 轉(zhuǎn)換后由微控器處理；外界的溫度檢測(cè)則由一總線式溫度傳感器DS18B20完成。其中MGS1100使用前，先在加熱器（3 VCC，1 GND）端加持續(xù)5 s 的5 V高電壓（加至高溫約400 度），然后加熱電壓降至1 V（低溫小于100 度）并保持10 s，高低加熱電壓周期性反復(fù)。VC由單片機(jī)管腳驅(qū)動(dòng)輸出，為了得到較好的CO 濃度檢測(cè)，本設(shè)計(jì)通過軟件控制在加熱端的1V 供電（低溫） 9.5 s 時(shí)檢測(cè)輸出電壓VOUT，由VOUT的大小可得CO的濃度。其連續(xù)工作模式的周期由單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器實(shí)現(xiàn)，輸出端經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路供給MGS1100 的加熱端。

（三）匯聚節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)。

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，匯聚節(jié)點(diǎn)一方面負(fù)責(zé)收集本區(qū)域內(nèi)其他傳感器節(jié)點(diǎn)的參數(shù)信息，另一方面作為與遠(yuǎn)程機(jī)計(jì)算機(jī)通信的網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)與外網(wǎng)的聯(lián)接。因此，其硬件主要由中央處理單元、存儲(chǔ)單元、射頻收發(fā)模塊、通信模塊和電源模塊等部分組成。因此，本文選用嵌入式系統(tǒng)作為控制核心。在匯聚節(jié)點(diǎn)中集成了S3C2440處理器（32位ARM920T內(nèi)核），16 VM的FALSH和64 VM的SDRAM，4通道DMA、3通道UART、2通道SPI、IIC總線、IIS／AC97音頻控制器、SD／MMC控制器、2通道USB HOST、1通道USB DEVICE、4通道PWM、8通道A/D轉(zhuǎn)換和JTAG-ICE調(diào)試接口等。節(jié)點(diǎn)中還包括電源管理電路、各種接口電路、觸摸屏、小鍵盤、USB存儲(chǔ)電路等。使用一個(gè)自定義的擴(kuò)展接口，連接CC2430，形成ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)接口，實(shí)現(xiàn)與無線傳感器節(jié)點(diǎn)間的通信，從而使S3C2440能從傳感器網(wǎng)絡(luò)中收集到監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)并上傳到控制中心。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 匯聚節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)示意圖

由于S3C2440內(nèi)置LCD控制器，它支持4 k色STN LCD和256k色TFT LCD2個(gè)系列的顯示屏，通過液晶顯示、鍵盤電路作為人機(jī)接口電路可以方便用戶對(duì)測(cè)控系統(tǒng)的操作。

設(shè)計(jì)時(shí)，為了以后的擴(kuò)展應(yīng)用，按照三種有線接口進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，其電源管理電路為匯聚節(jié)點(diǎn)各部分提供所需的電源。整個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)需要的電壓為：1.8 V、3.3 V、4.2 V、5.0 V。選用的芯片為LT1764和MIC29302。其中LT1764分為可調(diào)節(jié)和不可調(diào)節(jié)2種，分別提供3.3 V和5.0 V電壓。MIC29302提供4.2 V電壓。5.0 V電壓主要用于液晶顯示電路、USB電路，4.2 V電壓用于CDMA電路，利用AIC1117A將3.3 V電壓降為1.8 V，提供給處理器內(nèi)核使用，其余電路則使用3.3 V電壓。匯聚節(jié)點(diǎn)與監(jiān)控主機(jī)默認(rèn)為以太網(wǎng)或USB連接，視監(jiān)控室在網(wǎng)絡(luò)中的位置確定。

三、軟件設(shè)計(jì)

（一）傳感器子節(jié)點(diǎn)的工作模式。

系統(tǒng)主要由匯聚節(jié)點(diǎn)運(yùn)行管理調(diào)度，其性能依賴于子節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集和動(dòng)作執(zhí)行速度，而系統(tǒng)中傳感器子節(jié)點(diǎn)可以按照樓層與房間數(shù)量而定，使用定時(shí)采集數(shù)據(jù)的方法進(jìn)行，其耗能較大，設(shè)計(jì)時(shí)采用插頭取電，同時(shí)增加電池，在插座無電時(shí)使用備用電源，并在軟件設(shè)計(jì)中，采用睡眠-喚醒節(jié)能策略，降低子節(jié)點(diǎn)的功耗，保障系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

具體采用定時(shí)中斷的方式對(duì)CPU的工作模式進(jìn)行選擇和控制。睡眠模式可以使應(yīng)用程序關(guān)閉MCU中沒有使用的模塊，從而降低功耗。

子節(jié)點(diǎn)每次與匯聚節(jié)點(diǎn)通信時(shí)，都得到下一次的休睡眠時(shí)間。每次任務(wù)結(jié)束后，進(jìn)入休睡眠狀態(tài)。內(nèi)部睡眠定時(shí)器負(fù)責(zé)計(jì)時(shí)并將其喚醒，重新進(jìn)入工作狀態(tài)。這樣能夠有效延長節(jié)點(diǎn)的電池壽命，增加系統(tǒng)持續(xù)運(yùn)行時(shí)間。

（二）主機(jī)監(jiān)測(cè)軟件平臺(tái)的構(gòu)建。

監(jiān)測(cè)主機(jī)應(yīng)用VB軟件進(jìn)行界面設(shè)計(jì)，按照?qǐng)鏊母鞣块g的層面平面標(biāo)識(shí)對(duì)應(yīng)傳感節(jié)點(diǎn)，通過節(jié)點(diǎn)ID進(jìn)行通信與監(jiān)測(cè)。工作人員可很方便看出各房間節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)，并將每個(gè)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫中，主機(jī)根據(jù)實(shí)時(shí)上傳來的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，對(duì)是否有火情的信息處理，如確認(rèn)有情況，測(cè)主機(jī)報(bào)警，并在界面上顯示出對(duì)應(yīng)的點(diǎn)，通過對(duì)講系統(tǒng)與現(xiàn)場(chǎng)工作人員聯(lián)系進(jìn)行進(jìn)一步確定，如屬實(shí)，則立即啟動(dòng)施救與人員疏散預(yù)案。

四、結(jié)束語

本文針對(duì)娛樂場(chǎng)所火警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的方案，采用ARM9芯片S3C2440和低功耗射頻芯片CC2430設(shè)計(jì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的匯聚節(jié)點(diǎn)，使用CC2430配合傳感器進(jìn)行傳感節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，并且詳細(xì)地給出了節(jié)點(diǎn)軟硬件和組網(wǎng)等方面的設(shè)計(jì)內(nèi)容。該系統(tǒng)在某KTV中進(jìn)行了試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期功能，能夠快速有效地發(fā)現(xiàn)著火點(diǎn)位置，實(shí)現(xiàn)較短時(shí)間內(nèi)主動(dòng)報(bào)警，提高技防水平。