基于CC2530古建筑无线火灾监测系统的设计

　　摘  要： 传统的古建筑火灾监测体系采用有线网络的方式，存在许多弊端。为了解决这个问题，结合无线传感器网络技术，基于CC2530芯片，针对古建筑的建筑特点和环境参数需求，设计实现了适合古建筑的火灾监测系统。硬件部分设计了传感节点，软件部分设计了系统的路由策略。系统中传感节点通过无线模块将自身的温度、光强和气体信息送到协调器节点，协调器节点将收集到的数据通过串口送到监控主机，在监控主机软件上显示出来。监控主机可以通过通信网络将这些数据送到安卓系统的手机以便于监控人员随时了解情况。

　　关键词： CC2530；古建筑；无线火灾监测

0 引言

　　目前，在古建筑物早期火灾探测和报警上，还是一直沿用有线网络的方式，其线路遍布在建筑内，造成了对古建筑的破坏，同时线路本身也是很大的火灾隐患。现在迫切需要一种新型的适合古建筑的火灾监测系统，即用无线网络的方式代替传统的有线网络，同时，无线报警系统应用型式更加灵活，系统安装更加方便、快捷，且其安装成本更为低廉。本文在与传统古建筑火灾监测方法比较的基础上，参考无线传感器网络在农业、环境监控等领域的成功应用所体现出来的技术优势，确定采用无线传感器网络来实时、精确地实现古建筑火灾监测[1]。

1 无线传感器网络系统架构

　　古建筑无线火灾监测网络采用数据聚合的层次组网方式，由一个汇聚节点、多个路由节点和多个传感节点构成。传感节点将采集的温度、光强和气体信息发送给传感节点所在簇的路由节点，路由节点把数据汇聚之后发送给汇聚节点，再通过串口传送给监控主机，由监控主机上的软件对数据进行记录、反馈或传输到（手机）显示终端[2]。古建筑无线火灾监测系统如图1所示。

2 基于CC2530的传感节点硬件设计

　　2.1 传感节点的硬件系统框图

　　传感节点硬件系统框图如图2所示，其中射频模块和微处理器集成在一起，采用CC2530芯片，多参数火灾探测单元包括温度传感器模块和烟雾传感器模块，同时基于节能的考虑，加入了光强感知模块。当出现异常情况时，蜂鸣器发出警报。

　　2.2 处理器及射频模块

　　本文采用CC2530作为处理器和射频模块，如图3所示。CC2530结合了一个完全集成了精简指令集的8051微处理器和高性能2.4 GHz的RF收发器，是真正的片上系统解决方案。它接收灵敏度高，发送距离远；相比于CC2430，CC2530提供了101 dB的链路质量以及10 dBm的发送功率，优秀的接收器灵敏度和健壮的抗干扰性，使得通信距离达350 m以上。

　　2.3 传感器设计

　　传感器是数据采集的核心模块，种类繁多，用于测量各种物理量，是连接物理世界与数字网络的接口。本文面向古建筑火灾监测这一应用环境，主要使用的传感器模块包含温度、烟雾浓度传感器模块。

　　2.3.1 温度传感器模块

　　DS18B20数字温度计是DALLAS公司生产的单总线器件，具有线路简单、体积小的特点。只要求一个端口即可实现通信，实际应用中不需要外部任何元器件即可实现测温，测量温度范围在－55℃~+125℃之间，数字温度计的分辨率用户可以从9位到12位选择[3]。

　　2.3.2 ZYMQ-2烟雾传感器模块

　　ZYMQ-2气敏元件的核心是AL2O3陶瓷管、SnO2敏感层、测量电极和加热器，固定在塑料或不锈钢制成的腔体内。封装好的气敏元件有6只针状管脚，其中4个用于信号取出，外部能源通过另外2个管脚为气敏元件的加热器提供电流。

3 古建筑无线火灾监测系统的路由策略

　　路由协议的主要任务是在传感器节点和协调节点间建立路由，可靠地传递数据。其首要设计原则是节省能量，延长网络系统的生存期。针对火灾发生的突发性特点，为了降低整个网络的功耗，可以借鉴典型的事件触发路由协议TEEN协议。TEEN（Threshold sensitive Energy Efficient sensor Network protocol）协议[4]是一种基于层次结构的无线传感器网络路由协议，其目标是能够对网络中监测数据的变化做出快速反应，对于传感属性值高于给定阈值的数据，及时监测突发事件的反应网络。本文在TEEN路由协议的基础上，结合古建筑火灾监测的特点，提出了一种适合古建筑火灾监测的层次路由协议。下面探讨具体的路由组网过程。

　　3.1 系统初始阶段

　　系统初始阶段，协调器首先向全网广播一个起始消息，当所有的节点收到这个消息后，它们分别向协调器返回一个带有节点自身ID号和节点自身剩余能量的消息[5]。

　　3.2 簇的建立阶段

　　在这个阶段，本文采取周期性等概率随机选取簇首的方式，同时综合考虑节点的剩余能量，以平衡网络各节点的能量消耗。每轮中，每个传感节点选择[0，1]之间的一个随机数，如果选定的值小于T（n），则该节点向周围节点广播自己成为簇头的消息，网络中的非簇头节点根据接收信号的强度决定加入哪个簇，并通知相关簇头。T（n）的计算公式为：

　　其中，p是簇头占所有节点的百分比，r是目前循环进行的轮数，G是最近1/p轮中还未当选过簇头的节点集合。Ej_cure是传感节点J的当前剩余能量，Ej_init是传感节点J的初始能量。

　　成簇完成后，协调器节点通过簇头节点向全网节点通告两个阈值：硬阈值和软阈值。其中硬阈值用来监测温度和烟雾浓度参数，当参数超过硬阈值时，表明可能有火灾情况发生。软阈值用来衡量火灾参数的变化，以便对是否发生火灾进行初步判断。

　　3.3 簇的稳定阶段

　　在簇的稳定阶段，节点通过传感器不断地感知周围环境的温度和烟雾浓度，当节点第一次监测到数据超过硬阈值时，节点打开收发器向簇头上报数据，并将当前监测数据保存为监测值（Sensed Value，SV）。节点继续感知数据，只有当数据大于硬阈值，同时新数据与SV之差大于等于软阈值时，节点才再次向簇头发送监测数据，并将该监测数据保存在SV中。对于一些非火灾引起的烟雾，传感数据没有显著变化，或者烟雾消失，数据正常，节点也不传送数据，能够在一定程度上避免误报的发生。

　　3.4 簇的重构

　　在簇重构过程中，如果新一轮的簇首确定，该簇首可重新设定和发布以上两个参数。簇首通过TDMA方法实现数据调度，避免冲突碰撞。

　　针对古建筑的特点，在节省能量的同时实现对火灾进行更好的监测。白天，古建筑有人员来往，故不必频繁地发送采集数据，传感器采集数据，不超过阈值时，不发送数据，有效地减少通信流量。晚上，古建筑内人员减少，巡视的时间间隔也较长，监控人员在主机上对古建筑进行整体监控。为了防止某些传感节点出现问题，而监控人员不知情，在传感节点上加入光敏电阻，当天黑之后，光线变暗，无论感知数据是否达到阈值要求，均要求感知节点每隔1个小时发送一次感知数据。

　　路由协议流程图如图4所示。

　　感知节点负责感知数据，并进行初步的判断。感知节点把需要传送的数据发送给路由节点，路由节点再把需要传送的数据发送给协调器节点，之后协调器节点通过串口把数据传送到监控主机。由于监控人员可能出现外出等情况，如果这时出现火情，监控人员将不能及时接到警报。为了解决这个问题，在本系统中，监控主机可以通过3G网络将这些数据送到安卓系统的手机上，如图5所示，这样，当出现异常情况时，监控人员就能随时随地了解情况，及时应对。

4 结论

　　本文完成了传感节点的设计和实现，通过测试，能够实现基本的采集数据、传送数据的功能，同时给出了适合古建筑火灾监测的路由协议。接下来的工作是火灾监测中，温度、烟雾浓度的各个阈值的确定，需要通过实验总结，在探测精度和能耗之间达到一个平衡。目前，对于建筑物内部的消防报警系统而言，没有独立构成的无线消防报警系统，也没有无线消防报警系统的国家及行业验收标准，均采用有线火灾报警系统。对于古建筑，无线网络火灾监测系统可以解决传统的有线监测系统布线复杂、造成建筑物的破坏等弊端，是古建筑火灾监测的理想解决方案。同时，本文的研究也为推进我国火灾监测工作的信息化、自动化与智能化奠定了理论基础。

参考文献

　　[1] 孙利民，李建中，陈渝，等.无线传感器网络[M].北京：清华大学出版社，2005.

　　[2] 黄锋，刘士兴，顾勤东.无线传感器网络节点概述[J].合肥工业大学学报（自然科学版），2008，31（8）：1208-1212.

　　[3] 王春雷，黄玉，柴乔林，等.基于无线传感器网络的火灾监控系统设计与实现[J].计算机工程与设计，2007，28（10）：2320-2322.

　　[4] MANJESHWAR A， AGRAWAL D P. TEEN： a routing protocol for enhanced efficiency in wireless sensor networks[C]. In the Proceedings of the 1st International Workshop on Parallel and Distributed Computing Issues in Wireless Networks and Mobile Computing， 2001：2009-2015.

　　[5] 何莉媛，李永明，汪泉弟.无线传感器网络簇类路由协议的分析[J].重庆大学学报（自然科学版），2007，30（1）：50-53.