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无线火灾监控系统在坑、地道式防护工程中的应用

济南车间净化工程公司注意到：地下火灾报警系统设计一直以来是研究的热点，之前设计的系统大多采用有线连接，但由于阴暗、潮湿的地下环境，线路容易腐蚀导致系统失效。为此，我们在对现有火灾监控系统和无线传感器网络研究的基础上，考虑到坑、地道式人防工程的特殊环境，设计了一种无线火灾监控系统。

1 系统的总体方案

该监控系统主要对坑、地道式人防工程温湿度、火灾信息（烟雾参数）进行监测。系统由终端、无线网关、路由节点及传感器节点组成，如图1所示。传感器节点主要由若干火灾探测器组成，路由是信息的中继站，负责将距离网关较远的传感器节点的报警信号传递给网关，网关是所有节点信息的汇聚点，负责将收到的信息通过串口向 PC 机发送。

探测器通过探测火灾特征参数判断火灾的发生，一旦判断出有火灾发生，则进行自动报警，并将数据信息包括发出报警的传感器节点地址，通过射频发送器终端控制器发送。终端可以由一台计算机来担任，计算机运行特定软件，负责分析处理探测器节点发送过来的数据，并且可以实时地显示监控区域地下的情况。另外，可以通过基站对整个网络中的节点探测参数进行配置调整，保证不同情况下火灾报警的准确性。

2 系统硬件设计

网络中每个节点均以 CC2420 为控制核心。CC2420 是符合2.4GHz IEEE802.15.4标准的射频收发器。它基于Chipcon公司的SmartRF 03技术，以0.18 μm CMOS 工艺制成，只需极少外部元器件，性能稳定且功耗极低。CC2420 的选择性和敏感性指数超过了IEEE802.15.4标准的要求，可确保短距离通信的有效性和可靠性。

2.1 传感器节点设计

针对坑、地道式人防工程火灾早期探测，传感器模块可以由温度、烟雾以及 CO气体等传感器组成。本论文的传感器模块由温湿度传感器模块和光电型烟雾探测模块两部分组成，可以实现温湿度的测量和烟雾探测。温湿传感器采用SHT11，它采用独特的 CMOSens TM技术，具有数字式输出、免调试、免标定、免外围电路及抗干扰能力强的特点，只需一条时钟线和一条数据线就可以把传感器采集到的温湿度传给CC2420。其结构框图如图2所示。光电型烟雾探测模块是通过一对红外线发射和接收二极管实现的。正常情况下，没有烟雾进入光学探测室二极管发出的红外光线被光学迷宫吸收，接收二极管接收不到光线。火灾发生时，有烟雾颗粒进入光学探测室，使红外光线发生散射，接收二极管收到散射光线，产生电流信号，经过放大后由 SIG 引脚输出，送给 Atmegal28 经过 AD 转换后进行相关处理。PULSE引脚接Atmega128的I/O 引脚，控制红外发射二极管的开启与关闭。

图2中SCK和DATA 引脚分别是串行接口时钟线和数据线，连接 Atmega128 相应的引脚。

2.2 网关节点的设计

网关节点是将所有节点数据汇总、分析、存储和发送的机构。它与计算机之间利用RS232异步串口进行通信，如图3 所示。其功能相当于 1个接入点，一方面将主机向传感器节点发送的控制信号以无线的方式发射出去，另一方面将传感器节点采集的火灾参量传送给主机。

图3中，串口模块是 CC2420 与监控主机的通信接口，负责将收到的报警信息送给主机显示，同时还传送主机发给网关的控制命令。

3 系统软件设计

软件设计包括三种类型节点的设计，同时为操作人员能够直观地在监控主机上检测各个区域的火灾特征信号。传感器节点、路由和网关节点都是基于ZigBee 协议栈进行设计的。ZigBee协议栈的构架如图4 所示。要实现接收来自其他节点的信息，然后寻找最优路径进行传递，同时还实现传感器节点的部分功能；网关节点的应用层中实现包括网络的组建、对加入网络的节点网络地址的分配及与PC机的通信。

应用层中的各个功能采用事件触发的形式来实现，根据功能的要求在适当的位置调用事件触发函数，实现相应的功能。网络层包含了网络层的配置参数和网络层库函数接口文件，主要实现网络维护、网络层数据的发送与接收、路由选择以及广播通信功能。MAC层和物理层都是采用IEEE802.15.4 标准，MAC 层负责处理所有的物理无线信道访问，并产生网络信号、同步信号；支持PAN 连接和分离，提供两个对等 MAC 实体之间可靠的链路。物理层定义了物理无线信道和 MAC 子层之间的接口，提供物理层数据服务和物理层管理服务。协议的各层之间通过操作系统来实现稳定可靠的协作。

3.2 传感器节点软件设计

传感器节点的功能是实时采集地下火灾参量信号，包括温度、烟雾浓度，并且对火灾参量进行分析，判断是否是火警信号。如果是就向网关发送报警信号，由网关通知监测人员。流程如图5所示。

3.3 路由节点的软件设计

传感器节点的功能是实时采集地下火灾参量信号，包括温度、烟雾浓度，并且对火灾参量进行分析，判断是否是火警信号。如果是就向网关发送报警信号，由网关通知监测人员。流程如图5所示。

3.3 路由节点的软件设计

实际安装中某些单元距离监控室较远时，传感器节点就可能无法将报警信号传送到网关节点，此时就需要路由来实现。路由的主要功能是为信息的传递提供接力作用，扩大信号的传输范围。因此，一般情况下，它应该一直处于活动状态不应休眠。路由在进行信息传递时，会为经过它的每个数据帧寻找一条最佳传输路径，并将该数据有效地传送到目的节点。流程图如图6所示。

3.4 网关节点软件设计

网关节点负责网络的组建，并且会对加入这个网络的设备分配网络地址。当其他类型节点加入网络后，它的工作流程是：计算机发送命令以后，网关接收命令，根据命令判断计算机需要哪个节点的信息，并向该节点发送命令要求将对应图6路由节点流程图数据传回网关，然后再将接收到的指定节点的信息按既定格式发送给 PC 机，通过PC 机上的系统组态图可以观察到该信息。网关节点的组网流程如图7所示。

4 结语

针对目前我国坑、地道式人防工程火灾监测系统存在的问题，设计了一种无线火灾监控系统。该系统集监测、显示、报警、通信等多功能于一体，可以对目标区域进行远程监控，监测节点体积小，无需布线，移动、安装和检修方便。