無線火災(zāi)報警系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)研究

一、前言 
 
      隨著智能樓宇技術(shù)應(yīng)用的迅速發(fā)展，商業(yè)市場對火災(zāi)報警器的需求不斷增長，目前主要使用的是智能型總線制分布式計算機系統(tǒng)的火災(zāi)報警系統(tǒng)，雖然在系統(tǒng)安裝方面比過去大大方便，但仍然不能滿足現(xiàn)代需要，其安裝成本約占設(shè)備成本的33％～70％。實際應(yīng)用對系統(tǒng)的要求如圖1所示。而無線火災(zāi)報警系統(tǒng)能夠滿足目前要求，它具有安裝容易、快捷、便宜、無需布線、對建筑物表面的最小破壞性、對功能變化的易適應(yīng)性等特點。 


      
      雖然WSN（Wireless Sensor Networks）正處于完善的迅速發(fā)展時期，但并沒有妨礙它在各領(lǐng)域的應(yīng)用。德國、日本、美國等發(fā)達國家對無線火災(zāi)自動報警系統(tǒng)的研究投入大量人力、財力。無線火災(zāi)自動報警系統(tǒng)是典型的多傳感器的事件驅(qū)動型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN，但又具有其特殊要求：①系統(tǒng)的可靠性、可信度、必須考慮室內(nèi)多路徑散射、回波、干擾、中斷、碰撞探測等處理；②系統(tǒng)的最小工作生命周期為5年；③總機和探測器間必須雙向通信；④報警信號的傳輸時間必須在10秒內(nèi)；⑤系統(tǒng)干擾、故障探測反映時間要小于100秒。[1] 

      無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）綜合了微電子技術(shù)、嵌入式計算技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無線通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)等先進技術(shù)，能夠協(xié)同地實時監(jiān)測、感知和采集網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息，并對其進行處理，處理后的信息通過無線方式發(fā)送，并以自組多跳（Self Organizing Hop）的網(wǎng)絡(luò)方式傳送給數(shù)據(jù)處理中心。WSN的應(yīng)用前景十分廣闊，在軍事、工農(nóng)業(yè)、環(huán)境監(jiān)測，醫(yī)療護理、危險區(qū)域遠程控制等領(lǐng)域都有潛在的應(yīng)用價值，已經(jīng)引起了許多國家學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的高度重視。[2]

二、火災(zāi)探測WSN網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)


      要設(shè)計出具有可靠性高、抗干擾能力強的火災(zāi)自動報警系統(tǒng)，其要求是：①當(dāng)有火情發(fā)生時，能以最快的速度檢測報警，并能檢測火情發(fā)生的具體地點（特定的地址編碼）；②經(jīng)查實確認(rèn)后，能及時的通報消防部門滅火；③系統(tǒng)本身應(yīng)有自身故障檢測的功能，如系統(tǒng)欠電壓報警和自檢功能等，保證自動報警系統(tǒng)功能完好；④較高的系統(tǒng)抗干擾能力，防止系統(tǒng)發(fā)生誤報警。⑤相對較長的系統(tǒng)工作生命周期。
     針對火災(zāi)探測應(yīng)用的實際情況，采用基于簇的分層結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)較為合理，在穩(wěn)定運行階段，簇中的所有節(jié)點按照時分復(fù)用的方式向相應(yīng)的簇頭發(fā)送數(shù)據(jù)。如圖2所示。 



      基于簇（Cluster）的分層結(jié)構(gòu)具有天然的分布式處理能力[3]，簇頭FLCH（First Level Cluster Heads）就是分布式區(qū)域處理中心，每個簇成員SN（Simple Node）都把數(shù)據(jù)傳給簇頭，數(shù)據(jù)融合后再傳給SLCH（Second Level Cluster Heads）節(jié)點。  FLCH節(jié)點和SN節(jié)點之間通過Zigbee技術(shù)實現(xiàn)無線的信息交換；帶有射頻收發(fā)器的SN節(jié)點負(fù)責(zé)對火災(zāi)數(shù)據(jù)的感知和處理并傳送給FLCH節(jié)點；FLCH節(jié)點處理的數(shù)據(jù)直接傳給SLCH節(jié)點, SLCH節(jié)點的數(shù)據(jù)經(jīng)中繼器或直接傳至樓宇管理中心，然后再經(jīng)GSM網(wǎng)絡(luò)上傳于消防控制中心，控制中心通過GSM網(wǎng)絡(luò)獲取采集到的相關(guān)信息，實現(xiàn)對現(xiàn)場的有效控制和管理。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。 



       為了達到傳感器的實用數(shù)量、減少網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性、降低網(wǎng)絡(luò)整體的功耗，基于每個火災(zāi)傳感器節(jié)點和FLCH節(jié)點之間通信量較小的特點，提出一種基于需求時喚醒（Wake up On-demand ）的工作模式，即傳感器節(jié)點（SN）火災(zāi)發(fā)生時，能自動醒來和FLCH節(jié)點進行通信；否則工作于睡眠狀態(tài)并采用低功率監(jiān)測信道，以節(jié)約傳感器節(jié)點功耗并拒絕接受非法的連接訪問請求，大大降低了接入FLCH節(jié)點時消息碰撞的概率，極大地增加了傳感器網(wǎng)絡(luò)容量。

三、火災(zāi)探測的特殊性


1、建筑物對信號的影響
      在建筑物內(nèi)，發(fā)射和接收間的信號傳播主要受多徑反射的影響，信號場強是多種波的總和，因此決定反射／吸收特性的建筑材料和內(nèi)部結(jié)構(gòu)對于輻射范圍是決定性的。圖4表示某建筑物內(nèi)的信號衰減情況；距離越遠，場強越弱，在建筑物內(nèi)部，約與1/r5成正比，即距離增加一倍，衰減約增加17dB，在空曠地帶僅為 6dB。幾種障礙物對無線信號的衰減情況如表1所示。 


       為了保證系統(tǒng)在５－６年時間里能夠可靠通信，并考慮到各種可能的結(jié)構(gòu)環(huán)境，對衰減預(yù)算量，即發(fā)射功率與最小接收功率之差，一般為115dBm。而衰減預(yù)留量為25dBm，所以實際有效的衰減預(yù)算值約為95 dBm。

2、網(wǎng)絡(luò)的完整性驗證 

      為了可靠地探測報警，每一個探測器節(jié)點必須保證正常工作，維護網(wǎng)絡(luò)的完整性。當(dāng)任意節(jié)點受到干擾或出現(xiàn)故障時或鏈路斷裂時，臨近節(jié)點會自動救援，將需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)發(fā)送。其自組織連接過程如圖5所示。


3、火災(zāi)特定算法的嵌入
      目前國內(nèi)總線型火災(zāi)探測報警系統(tǒng)已經(jīng)由開關(guān)型逐步過渡到模擬量系統(tǒng)，但要真正達到智能系統(tǒng)，仍有一定距離，在設(shè)計新型系統(tǒng)時最好融入最新的火災(zāi)智能算法如概率估計、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、人工智能等最新研究成果，使得系統(tǒng)得可靠性和智能化大大提高。

四、系統(tǒng)工作原理


       對于一個完整的火災(zāi)傳感器節(jié)點，需要具有小尺寸、低功耗、適應(yīng)性強的特點，Zigbee設(shè)備為低功耗設(shè)備，其發(fā)射輸出0dbm～3.6dbm，通信距離為 30米～70米，具有能量檢測和鏈路質(zhì)量指示，根據(jù)這些檢測結(jié)果，設(shè)備可自動調(diào)整設(shè)備的發(fā)射功率，在保證通信鏈路質(zhì)量的條件下，最小地消耗設(shè)備能量，SD 節(jié)點在睡眠狀態(tài)時，功耗電流約為30uA。在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信時，Zigbee建立一次連接的時間約為20-30ms，這樣短的連接時間可以大大減少傳感器節(jié)點上報給FLCH節(jié)點數(shù)據(jù)碰撞的概率；在網(wǎng)絡(luò)安全方面，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在Zigbee技術(shù)上，采用了密鑰長度為128位的加密算法，對所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息進行加密處理。 

      SN節(jié)點由Zigbee模塊（CC2420和Atmegal-128L兩部分所組成）、硬件檢測電路。硬件檢測電路檢測火災(zāi)傳感器節(jié)點所在的環(huán)境，當(dāng)火災(zāi)發(fā)生變化時，觸發(fā)Zigbee模塊的I/O中斷將信息傳送給Zigbee模塊，模塊從睡眠狀態(tài)喚醒，模塊利用自身的控制芯片對信息進行處理后，再以無線的方式傳送給FLCH節(jié)點。

1、Zigbee模塊初始化過程 

      Zigbee模塊進行通信之前需要進行有效的初始化，初始化也是網(wǎng)絡(luò)的完整性和有效性驗證。在初始化通信過程中，F(xiàn)LCH節(jié)點主動廣播連接信令，在SN節(jié)點成功地接收和驗證一個數(shù)據(jù)幀和MAC命令幀后，向FLCH節(jié)點返回確認(rèn)幀，SN節(jié)點的Zigbee模塊被置于Sleep工作模式，接下來FLCH節(jié)點與 SN節(jié)點進行主從角色轉(zhuǎn)換，F(xiàn)LCH節(jié)點模塊處于從模式工作狀態(tài)，等候響應(yīng)連接請求信令；此時SN節(jié)點中的Zigbee模塊工作在主模式下，等待著有需求時喚醒發(fā)起連接請求。在初始化結(jié)束后，SN節(jié)點Zigbee模塊工作于Sleep模式，拒絕任何的連接請求。這種設(shè)計大大降低了傳感器節(jié)點的功耗；并且傳感器節(jié)點只是在有需求時喚醒并主動與FLCH節(jié)點建立連接，保證了FLCH節(jié)點和傳感器節(jié)點間通信的安全可靠。

2、Zigbee模塊信息處理過程 

       信息處理過程是在傳感器節(jié)點的硬件檢測電路檢測到其所在的環(huán)境發(fā)生變化時，由傳感器節(jié)點中的Zigbee模塊對信息簡單處理后，主動發(fā)起連接將處理后的信息傳送給FLCH節(jié)點，由于在工程中測試結(jié)論已表明，該無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的SN節(jié)點99％以上的時間處于Sleep狀態(tài)，只需要周期性地監(jiān)聽其無線信道，判斷是否有需要自己處理的數(shù)據(jù)消息，功耗的數(shù)學(xué)期望值可低至30μA。[4][5]

3、Zigbee基站節(jié)點和GSM數(shù)據(jù)模塊 

      分布在傳感器網(wǎng)絡(luò)中的基站（BS）節(jié)點主要用于接收SN節(jié)點的數(shù)據(jù)上報，并將其進行融合處理，傳給TC35數(shù)據(jù)模塊,通過GSM網(wǎng)絡(luò)傳遞給中央信息控制中心。BS節(jié)點由Zigbee模塊、MCUAtmegal-128L、GSM數(shù)據(jù)模塊TC35組成。Zigbee模塊和微控制器之間的連接是通過異步串行口實現(xiàn)的，它們之間的通信速度為38.4kBaud，由于傳感器網(wǎng)絡(luò)中分布著多個SLCH節(jié)點，因此基站節(jié)點的MCU要利用軟件中斷實現(xiàn)對不同ID 的SLCH節(jié)點上傳數(shù)據(jù)輪詢掃描，使SLCH節(jié)點的數(shù)據(jù)可以有序、完整地通過微控制器處理后傳出?；荆˙S）節(jié)點在此傳感器網(wǎng)絡(luò)中充當(dāng)?shù)氖莻鞲衅鞴?jié)點和 GSM網(wǎng)絡(luò)之間的網(wǎng)關(guān)。利用Atmegal-128L控制TC35模塊完成BS節(jié)點和控制中心的通信。Atmegal-128L與TC35通過異步串行口相連，通過AT指令對GSM控制器進行寫操作，模塊支持標(biāo)準(zhǔn)AT指令，可采用SIMENS增強AT指令控制進行數(shù)據(jù)傳輸，在工程應(yīng)用時，只需要給模塊配備 SIM即可[6]。

4、中央信息控制中心 

      中央信息控制中心由監(jiān)控模塊、配置模塊、數(shù)據(jù)庫三個部分組成。它通過GSM網(wǎng)絡(luò)與多個匯節(jié)點間接連接在一起，監(jiān)控模塊通過對通信串口的實時監(jiān)控，實現(xiàn)對分布式匯節(jié)點上報信息的及時接收、解析、處理以及發(fā)送控制信令給不同ID的SLCH節(jié)點實現(xiàn)對傳感器節(jié)點的間接、實時性的監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集。

五、實驗結(jié)果


      選用GAINZ節(jié)點模塊和事件驅(qū)動接口板，選取部分火災(zāi)探測智能算法，取得初步的實驗結(jié)果。結(jié)果表明采用標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，結(jié)合火災(zāi)探測系統(tǒng)特點，和智能算法在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN構(gòu)架下，開發(fā)火災(zāi)智能無線報警系統(tǒng)是可行的?；馂?zāi)無線傳感器硬件和軟件平臺的設(shè)計對于整個系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用至關(guān)重要，作為整個系統(tǒng)的底層支持，其必然向微型化、高度集成化、網(wǎng)絡(luò)化、節(jié)能化、智能化的方向發(fā)展，近幾年，隨著計算機成本下降和微處理器體積縮小，開發(fā)和構(gòu)造火災(zāi)智能無線報警系統(tǒng)將有廣闊的應(yīng)用前景。工程試驗結(jié)果充分顯示了技術(shù)的可行性和實現(xiàn)的有效性。

參考文獻：
[1]<> 0-7803-7700-1/03 2003 IEEE。
[2] Zigbee technology and applications: Freescale Technology Forum
[3]Sinha A,Chandrakasan A.Energy aware software[A].Proc.VLSI Design 2000 [C].-Calcutta,India,2000,1。
[4] I. F. Akyildiz, W. Su, Y. Sankarasubramaniam and E. Cayirci. Wirelesssensor networks: a survey
[5] Estrin,D. “Wireless sensor networks：application driver for low power
distributed systems”. Low Power Electronics and Design, International Symposium
on，2001，page:194．
[6] 章步云.GSM數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)及其在野外實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應(yīng)用.通信學(xué)報.2004,vol.25 page:94-97