基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)火情定位方法

司夏巖+宋丹+呂曉玲+付艷清

摘 要： 現(xiàn)有的火情監(jiān)控體系無法準確定位燃火點，預(yù)測精度低下，人流量較多的場所火情隱患尤其嚴重。因此，提出基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)火情定位方法，該火情定位方法由火情探測器、監(jiān)控端和無線通信系統(tǒng)構(gòu)成，采用火情探測器中的溫度傳感器和氣象傳感器獲取火情數(shù)據(jù)，利用ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)將火情數(shù)據(jù)反饋給監(jiān)控端，完成火情檢測?；鹎樘綔y器包括陣列傳感器模塊、信息管理模塊和ZigBee無線通信模塊，實現(xiàn)火情數(shù)據(jù)的獲取、分析和傳輸。在軟件設(shè)計過程中，給出溫濕度采集程序的代碼，并分析了基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的火情定位方法，準確定位出火源位置。實驗結(jié)果表明，所提方法能夠準確檢測到溫度、濕度、煙霧信息，實現(xiàn)火情的準確定位。

關(guān)鍵詞： 無線傳感器； ZigBee； 火情探測器； 火情定位

中圖分類號： TN926?34； TN99 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）24?0034?05

Fire location method based on wireless sensor network

SI Xiayan， SONG Dan， L? Xiaoling， FU Yanqing

（College of Optical and Electronic Information， Changchun University of Science and Technology， Changchun 130012， China）

Abstract： Since the available fire monitoring system can′t locate the fire position accurately， its prediction accuracy is low， and the fire hidden trouble in places with high visitor flow rate is especially serious， the fire positioning method based on wireless sensor network is put forward. This method is composed of the fire detector， monitoring terminal and wireless communication system. The temperature sensor and meteorological sensor in fire detector are used to acquire the fire data， and then the ZigBee wireless sensor network （WSN） is used to feed the fire data back to the monitoring terminal to accomplish the fire detection. The fire detector includes the array sensor module， information management module and ZigBee wireless communication module， which can realize the acquisition， analysis and transmission of fire data. In the process of software design， the code of temperature and humidity acquisition program is given， and the fire location method based on wireless sensor network is analyzed. The fire source position can be located accurately. The experimental results indicate that the method can detect the temperature， humidity and smoke information accurately， and realize the accurate fire positioning.

Keywords： wireless sensor； ZigBee； fire detector； fire positioning

火情隱患突發(fā)性強，由于傳統(tǒng)的火情監(jiān)控體系無法準確定位燃火點，因此消防員并沒有完善的滅火方案，常常主觀猜測著火點位置[1?4]。據(jù)不完全統(tǒng)計：在以往的火情案例中，由于無法有效確定著火點導(dǎo)致?lián)錅绮患皶r的占80%以上。并且現(xiàn)有的火情監(jiān)控體系無法準確定位燃火點，預(yù)測精度低下，人流量較多的場所火情隱患尤其嚴重。因此，尋求一種有效的火情定位方法，對于確保人民群眾的生命和財產(chǎn)具有重要意義[5?6]?，F(xiàn)有的火情定位方法都存在一定缺陷，文獻[7]提出了利用總線制的感煙探測器預(yù)測火情的方式，將探測到的異?；鹎樾盘栠M行統(tǒng)一報警，但這種方式只能單方面進行煙霧探測，無法對火情中的其他異常因素進行檢測，預(yù)測效果不理想。文獻[8]提出了分散線制的電氣火情探測器，通過檢測用電器的用電安全對火情隱患進行預(yù)警，但這種方法結(jié)構(gòu)單一，實用性低。為了解決上述問題，本文提出了基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的火情定位方法，該火情定位方法由火情探測器、監(jiān)控端和無線通信系統(tǒng)構(gòu)成。

1 基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)火情定位系統(tǒng)

1.1 基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)火情定位系統(tǒng)的總體設(shè)計

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)火情定位系統(tǒng)由火情探測器、監(jiān)控端和無線通信系統(tǒng)構(gòu)成，如圖1所示?；鹎樘綔y器是火情定位系統(tǒng)的關(guān)鍵。

首先，系統(tǒng)利用火情探測器中的電子鼻進行火情預(yù)報，電子鼻是一種模擬動物嗅覺器官開發(fā)出的高科技產(chǎn)品，該產(chǎn)品可以有效防止火情定位誤差的發(fā)生，能夠辨識火情類別，使得系統(tǒng)能夠在火情發(fā)生前便完成分類并通信；其次，系統(tǒng)配置了火情無線通信系統(tǒng)，其發(fā)送系統(tǒng)使用了一種短距離、低功耗的ZigBee無線通信手段，以縮減系統(tǒng)運營成本、完成火情的有效定位。無線通信系統(tǒng)通過ZigBee無線通信手段將火情探測器的輸出信號傳遞到監(jiān)控端進行分析，實現(xiàn)火情預(yù)警。

1.2 火情定位系統(tǒng)硬件設(shè)計

火情定位系統(tǒng)硬件構(gòu)成主要包括監(jiān)控端和火情探測器。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)輸出值保存在監(jiān)控端，監(jiān)控端呈現(xiàn)出火情探測器的運行狀態(tài)?；鹎樘綔y器利用電子鼻進行火情預(yù)報與類別檢測，再經(jīng)由無線傳感系統(tǒng)將火情信息傳遞出去。

1.2.1 火情探測器硬件設(shè)計

圖2描述的是火情探測器模塊結(jié)構(gòu)圖，其由陣列傳感器模塊、信息管理模塊和ZigBee無線通信模塊構(gòu)成，完成火情數(shù)據(jù)的獲取、分析和傳輸。

（1） 陣列傳感器模塊

采用某公司研發(fā)的溫度傳感器并配備一系列氣象傳感器接口，構(gòu)成了一個運行平穩(wěn)的陣列傳感器模塊，圖3為該陣列傳感器模塊構(gòu)成圖。

圖3中的PT100是一種精確的智能溫度傳感器，其實際工作電壓同環(huán)境溫度呈完全正相關(guān)性，在已知環(huán)境溫度的情況下，即可輸出傳感器的實際工作電壓，設(shè)備擁有一鍵精確校準以及變壓器獨立運行等優(yōu)點，符合火情定位的參數(shù)要求。

圖4為陣列傳感器模塊電路圖，數(shù)字1代表電路接地端；數(shù)字2代表傳感器檢測到的氣體；數(shù)字3代表電源；數(shù)字4代表開關(guān)輸出；SW代表傳感器加熱信號。圖4中氣象傳感器的類型有：CO氣象傳感器、CO2氣象傳感器以及有機氣體氣象傳感器。這些氣象傳感器能夠辨識出所有火災(zāi)中易產(chǎn)生的氣體物質(zhì)，并可對這些氣體進行有效分類。

（2） 信息管理模塊

數(shù)據(jù)輸入模塊、數(shù)據(jù)輸出模塊、數(shù)據(jù)增減模塊、電路開關(guān)輸出模塊構(gòu)成了一個完整的信息管理模塊，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。信息管理模塊用于管理傳感器的仿真輸入，對數(shù)據(jù)進行必要的增減。

圖6是數(shù)據(jù)增減模塊和電路開關(guān)輸出模塊的信號接點電路圖，由圖6可知，傳感器數(shù)據(jù)由M3接口輸入，調(diào)控R1～R4的電阻值可控制氣體信號的電壓變化。Q1和Q2是氣象傳感器的兩個開關(guān)。輸入脈沖管控著氣體信號的加熱頻率和和讀取頻率。若圖6中的溫度開關(guān)輸出高于1.25 V，則需進行信號的調(diào)整管控；輸出低于1.25 V時，將M3接口的輸出值集合到M2接口，經(jīng)由一系列調(diào)整后接入P1接口，交由ZigBee無線通信體系進行管控。

（3） ZigBee無線通信模塊

信息管理模塊中傳感器輸出的數(shù)據(jù)將匯集于ZigBee無線通信模塊，再利用CC2530主芯片進行管控，其中的CC2530主芯片結(jié)構(gòu)圖如圖7所示，主芯片先將數(shù)據(jù)進行火情類型分辨，再由天線遠程傳遞到監(jiān)控端進行分析。

采用的CC2530芯片是基于2.4 GHz IEEE 802.15.4，ZigBee 以及RF4CE研發(fā)的片上系統(tǒng)，可滿足各類ZigBee無線通信體系設(shè)施的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點要求。該芯片提供了無線電頻率前端、內(nèi)存以及數(shù)據(jù)管控設(shè)備，采用8位單片微型計算機、128 KB隨機存取存儲器的可編程只讀存儲器、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器、看門狗定時器、給電回位電路和21種芯片的輸入輸出管腳。CC2530芯片運用6 mm ×6 mm的QFN40封裝。CC2530芯片可以用低成本建設(shè)功能完善的無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，即可通過較少的零件便可以完成火情信息的輸入和輸出。

1.2.2 監(jiān)控端硬件設(shè)計

ZigBee無線通信模塊、串口轉(zhuǎn)接電路和主機構(gòu)成了監(jiān)控端的硬件模塊，如圖8所示。利用ZigBee通信模塊完成無線傳感網(wǎng)絡(luò)的管控與數(shù)據(jù)的收發(fā)。因為CC2530芯片串口M2和M3為非反向電壓，故應(yīng)轉(zhuǎn)換電壓后再開始連通主機串口，進而收集ZigBee通信模塊中的數(shù)據(jù)，完成人機互動。把CC2530芯片接于轉(zhuǎn)接電路中的M2和M3延伸面板串口，同主機中的計算機相連，完成串口通信。

2 火情定位系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 溫濕度采集的軟件設(shè)計

火情定位系統(tǒng)根據(jù)獲取到的溫濕度值能夠合理推測火情隱患是否存在。系統(tǒng)中的PT100溫濕度傳感器借助于串行線LM3S811與SHT11輸出溫濕度數(shù)值。因SHT11串口不滿足[I2C]總線協(xié)議，則LM3S811應(yīng)經(jīng)由輸入/輸出端口進行SHT11仿真?zhèn)鬏敃r序。系統(tǒng)的溫濕度傳感器PT100對SHT11串口進行管控。設(shè)計的溫濕度采集流程圖，如圖9所示。

2.2 基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的火情定位方法

火情監(jiān)控?zé)o線網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)圖如圖10所示?？赏ㄟ^分析無線傳感網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點數(shù)據(jù)判斷是否存在火情隱患，監(jiān)控端分析正在進行預(yù)警的節(jié)點狀態(tài)，可對火情的發(fā)生位置進行預(yù)先定位，使得工作人員能夠提出更加有效的方案，提高安全系數(shù)。

在火情還未開始大面積蔓延前，可燃物燃燒會產(chǎn)生大量煙霧但整體溫度不會很快上升，因此利用氣象傳感器能夠快速監(jiān)測到煙霧異常并進行準確定位。圖11是一定范圍內(nèi)無風(fēng)狀態(tài)下煙霧擴散圖。

分析圖11可得，煙霧濃度隨著火點距離的增大而減少，推導(dǎo)出節(jié)點與火源間的距離差[Δr]同煙霧濃度差[Δp]的數(shù)學(xué)表達式為：

[Δr=Δpv] （1）

圖12是火源定位算法原理圖。分別放置于3面?zhèn)缺谂c頂壁的4個傳感器節(jié)點，用來檢測位于底壁的火源，根據(jù)無風(fēng)狀態(tài)下的煙霧擴散圖，給定煙霧擴散速率值v，4個傳感器的檢測數(shù)據(jù)值為[pi]，火源的煙霧濃度為[p0]，則可得出火源的距離[ri]的數(shù)學(xué)表達式為：

[ri=p0-piv] （2）

利用定位法，給定圖中節(jié)點的坐標(biāo)為[（xi，yi，zi）]，推斷整理可得出火源處的坐標(biāo)為：

[O=（xO，yO，zO）] （3）

3 實驗分析

3.1 實驗布置

實驗在標(biāo)準火情燃燒試驗室進行，火源設(shè)在燃燒室地面中心處，火情探測器部署在以頂棚中心為圓心、半徑為3 m的圓環(huán)上，詳細的部署圖如圖13所示。燃燒試驗室的頂棚表面部署6個無線探測器節(jié)點，試驗室中部署基站，通過對比2號光電感煙探測器和4號光電感煙探測器，完成煙霧數(shù)據(jù)的檢測，采用熱電偶數(shù)據(jù)檢測溫度數(shù)據(jù)，驗證本文提出的基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的火情定位方法的準確性。

3.2 實驗結(jié)果分析

采用本文提出的基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的火情定位方法探測光電感煙結(jié)果如圖14所示，曲線2與曲線4是光電傳感器輸出值，曲線1與曲線3是本文方法節(jié)點上的煙霧傳感器輸出值。將實驗結(jié)果代入實際生活中進行分析比對后發(fā)現(xiàn)，二者的數(shù)值幾乎無差異，且實驗中的煙霧量可以被傳感器準確捕捉，實現(xiàn)無線傳感器對火情的有效定位。說明本文提出的基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)火情定位方法是有效的。

本文方法的溫度監(jiān)控結(jié)果如圖15所示，S1與S2是溫度傳感器輸出值，由圖15可知，煙霧暴露在空氣中一定時間后會自動消散，而隨時間增長溫度傳感器感應(yīng)到的溫度值漸漸提高。實驗中節(jié)點溫濕度變化趨勢曲線如圖16和圖17所示，實驗室內(nèi)的實際溫濕度并不恒定，且探測器感應(yīng)到的溫濕度數(shù)值也與其安裝地點有關(guān)。雖影響因素較多，但本文方法檢測到的溫度增減區(qū)間相差不大，如表1所示。

綜合分析以上實驗結(jié)果得知：本文設(shè)計的基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的火情定位方法，采用了對溫度、濕度、煙霧實施實時自動智能監(jiān)控手段。當(dāng)檢測到有可能發(fā)生火情時，通過傳感器節(jié)點及時將火情信息上傳至監(jiān)控端，經(jīng)由監(jiān)控端火情定位方法分析定位后輸出預(yù)警，保障了火情定位的準確預(yù)測。

4 結(jié) 論

本文提出基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)火情定位方法，該火情定位方法由火情探測器、監(jiān)控端和無線通信系統(tǒng)構(gòu)成，采用火情探測器中的溫度傳感器和氣象傳感器獲取火情數(shù)據(jù)，利用ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)將火情數(shù)據(jù)反饋給監(jiān)控端，完成火情檢測。實驗結(jié)果表明，所提方法能夠準確檢測到溫度、濕度、煙霧信息，實現(xiàn)火情的準確定位。

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