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基于433 MHz无线自组网的火灾监控报警系统

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　　摘要：针对复杂建筑结构、受地理条件限制的场所布设通信线有困难的问题，研制了一种基于433 MHz无线自组网GPRS的火灾监控报警系统。以射频芯片CC1110为无线自组网核心，搭载SimpliciTI网络协议，实现各节点设备无线连接。数据中心节点接入GPRS向消防中心传输信息。系统已应用于实际，实现了本地报警和远程监控。

　　关键词：无线自组网；火灾与可燃气体监控；433 MHz；SimpliciTI协议

0 引言

　　越来越多的大型复杂建筑、人员密集型场所、地下建筑、危险品存放地点等的涌现，使传统有线报警系统[1]不能满足要求。无线自组网[2]无需基站和铺设通信线，覆盖面广，探测器可安放在任意位置，分布节点多，不受建筑条件限制，布设简单，维护方便，成本较低，适合各种复杂建筑结构，是火灾有线监控系统的一种有效补充。

　　在工业上无线自组网用得较多的有ZigBee协议[3]和SimpliciTI协议[4]。在火灾监控领域，对ZigBee技术也有所研究[5]，但是ZigBee使用2.4 GHz频段，穿透能力差，在建筑物内特别在复杂结构中远不如433 MHz穿透能力强、抗干扰性好、传输距离远。

　　鉴于上述背景，本文研制了基于433 MHz、采用SimpliciTI协议构建无线自组网的火灾报警系统。

　　同时依据国家标准《火灾自动报警系统设计规范2013》[6]，在研制探测控制器的基础上，将可燃气体报警系统纳入火灾报警系统中，实现对火灾与可燃气体泄漏的同时监测。

1 433 MHz无线自组网与通信协议

　　433 MHz无线自组网是由分布在监测区域内的433 MHz微型无线接收/发射节点，通过无线通信协议的自组织网络系统，来采集和处理网络覆盖区域里的计量仪表数据。通过网络协议，网络拓扑能自动配置和管理，同时自组网中的无线通信接口设备能作为数据中继使用，从而形成具有自组功能的多跳无线网络。

　　火灾监控系统内的监控设备位置固定，通信协议须具备如下功能：能够自行组建和管理通信网络；具有多跳转发机制，以延长通信距离；有较强的抗干扰、抗安全风险能力。

　　SimpliciTI网络协议是由TI公司开发的针对低射频网络的小型低功耗无线自组网络协议，协议提供三类无线通信接口节点设备：数据中心节点设备、范围扩展节点设备和终端节点设备。SimpliciTI网络协议定义的网络拓扑有点对点和星形网络，通过范围扩展设备，可以实现网络拓扑扩展，以多跳形式形成树形网络拓扑。SimpliciTI网络拓扑如图1。

　　SimpliciTI协议有较远的传输距离和较高的传输速率，适合用于火灾监控系统。同时该协议源代码开放，有利于系统开发。根据火灾监控的实际布局，选用SimpliciTI协议树形网络拓扑。

2 系统硬件设计

　　本文研制的SimpliciTI树形网络由终端探测器节点、中继器节点和数据中心节点组成。以中心节点为核心，组成RF 433 MHz通信网络进行节点间无线通信。同时中心节点接入GPRS连接消防中心PC机。

　　2.1 433 MHz无线通信单元

　　433 MHz无线通信单元是本设计的核心，由微处理器模块、无线通信模块、天线模块和电源模块组成。

　　无线通信模块选用TI公司开发的应用SimpliciTI协议的CC1110芯片，该芯片内含一个增强型8051MCU内核和高性能CC1101RF无线收发模块的芯片，包含数字转换器、定时器、32 KB Flash和4 KB RAM。同时集成了一个高度可配置的调制解调器，支持不同的调制格式，为数据包处理、突发数据传输等提供硬件支持。只需少量外围元件即可完成系统射频电路设计。由于其内含8051MCU，在终端节点设计中无需外加微处理器。

　　CC1110工作于315 MHz、433 MHz、868 MHz和915 MHz的ISM（工业、科学和医学）免费频段，具有高灵敏度和强抗干扰性。可降低开发运行成本并减少误报漏报。本设计采用433 MHz频段，主要是考虑433 MHz的强穿透性和抗干扰性，适于复杂结构建筑和电磁波干扰的区域。

　　2.2 智能监控终端

　　智能终端设备包括传感器模块、微处理器模块和433 MHz无线通信模块，硬件功能如图2所示。

　　由于终端探测器中嵌入了微处理器和无线通信模块，使其由单一信号采集功能扩展为集信号采集、数据处理和无线数据传输为一体的探测控制器。依据国家标准《火灾自动报警系统设计规范2013》，将可燃气体报警系统纳入到火灾监控系统中，实现火灾烟雾与可燃气体泄漏同时监控。

　　此外，探测控制器在不宜组网建立自动报警系统的区域，可独立使用，在烟雾或可燃气体泄漏超过阈值时，探测器会发出声光报警。

　　智能终端设备的无线通信功能为：广播入网请求；加入数据中心节点设定好的无线通信网络；将采集到的火灾烟雾和可燃气体报警信息上发至数据中心。

　　2.3 数据中心设备

　　数据中心设备是系统的核心，担负整个系统433 MHz组网、接收各节点数据、报警、数据存储显示及连接外网GPRS向远程消防中心传输警报。硬件由微处理器模块、远程数据传输模块和433 MHz无线通信模块组成。主控制器采用MO516微处理器，实现监控与无线通信的协调功能。无线通信模块选用CC1110芯片，GPRS单元选用SIM900A。结构如图3。

　　数据中心设备的无线通信模块的功能为：完成无线自组网；等待终端和中继设备入网并为入网设备分配端口PORT号；将终端采集到的警报信息上传到消防中心。

　　2.4 中继器

　　中继器为数据转发单元，以微处理器MO516加无线通信模块CC1110构成。

3 系统软件设计

　　软件设计包括终端探测器程序设计、中继器程序设计、数据中心程序设计。

　　系统初始化之前，使用TI公司的SmartRF Studio应用程序，对系统工作的载波频率、传输速率、信道宽度、数据调制方式等系统参数进行设置。

　　软件开发环境采用CCS V4.2。Code Composer Studio是TI公司开发的专门用于TI的DSP、微处理器和应用处理器的集成开发环境。

　　SimpliciTI协议规定两个设备之间进行通信时，需要有一个连接过程。连接信息中要包含一个4 B的连接标志，接受连接的设备才能允许该设备加入网络。网络连接是协议的关键步骤，主要通过侦听、连接和加入实现设备的网络加入。

　　在SimpliciTI协议中，一个网络地址由两部分构成：物理地址（由程序设置）和应用层地址（PORT）。物理地址是程序编制过程设定的，网络中的每一个设备在网络中有唯一的硬件物理地址。应用层地址（PORT）是在设备加入过程中分配的。

　　数据中心节点程序流程如图4。当系统上电复位后，首先进行系统的初始化，分别是BSP初始化、协议栈初始化以及定时器/串口的初始化。然后等待网络设备的加入，如果有节点设备，建立连接分配PORT编号；如果没有，则监测是否收到数据帧。如果有报警数据，则通过GPRS上报到远程消防中心。

　　中继设备节点的作用是延长数据的通信距离，起到扩展设备通信距离的作用。中继设备节点上电复位后，首先进行BSP、协议栈、定时器/串口初始化，然后向数据中心节点发送加入网络请求，等待加入。成功加入网络后，等待接收网络数据帧，当收到网络设备发送来的网络数据帧，并判定为合法，则转发数据信息。中继设备程序框图如图5。

　　终端节点负责数据的采集。终端节点上电复位后，首先进行BSP、协议栈、定时器/串口初始化，然后打开串口中断，发送加入网络请求，等待加入。终端节点加入网络后，在事先设置好的频率或信道上发送信息序列，并使用事先设置的密钥对数据帧进行加密和解密。对采集的数据进行处理，如果超过阈值，则将报警信息发送至数据中心。收到数据中心巡检命令后，采集终端工作状态信息，并发送至数据中心。终端节点程序框图如图6。