作者：沈宇亮
【摘 要】火灾报警系统是早期探测火灾、将火灾遏制在萌芽状态的重要设备。随着信息与网络技术的迅速发展,使得分布智能式、大容量、网络化的火灾报警控制器的实现成为可能。本文研究ZigBee无线消防报警定位系统。
【关键词】火灾报替系统;无线传感器网络;ZigBee;定位
消防一直是关系社会安定和公众安全的重要问题。随着现代化城市布局的扩大和经济的发展,建筑物内人口的增加,煤气、家用电器设备和公用电器设备使用中出现的可燃气体泄露、电气设备过载、过热、短路等不安全因素,均具有火灾隐患,重特大火灾发生几率呈上升趋势。现代火灾已呈现出立体化、复杂化、多样化的趋势,对人民的生命和财产造成很大的威胁和损失。
一、无线火灾报警系统
无线火灾报警系统与传统的有线系统的区别在于:前者是通过无线信号而不是用导线将各个装置连成一个系统,这就使得硬件系统的安装简单而快速,最大限度减少对客户的干扰和对建筑物的破坏。无线火灾报警系统借助于无线电信号而不是导线传输数据,并用电池为系统组件提供工作电源。当传感器监测到异常信号,短波无线电在1秒之内将所得数据传送到控制面板,由天线完成系统的主要输入输出。
如今,几乎所有布线连接的电器装置都可以改由无线电信号来控制,同时随着电器元件的成本、自动化装配成本的下降,无线火灾报警系统的成本也随之大幅度降低,并且随着系统整体性能的提高,无线火灾报警系统在很多情况下与有线系统相比,无论是在性能上还是价格上,都具有相当大的竞争力,同时由于安装速度快,对建筑物损毁小,无线火灾报警系统的优势日趋明显,应用场所日益广泛,其潜在市场正在被打开。
二、无线消防报普定位系统总体设计
ZigBee协调器、中继器(路由器)和终端设备以边缘为星型的网状拓扑方式连接。当网络中某处物理位置发生火警时,其附近传感器节点感测到火警并将其通过网络传播出去;进入火灾现场的消防人员随身携带嵌入了无线模块的移动装置,视为网络中的移动节点,它通过向其周围固定安装的位置已知的节点发送测量命令消息,接收到消息的节点通过其中所包含的信息可为位置未知的移动节点估算出所在位置。网络协调器可将网络信息传送到PC中,从而可了解网络节点工作情况以及消防人员的位置。
(一)硬件总体设计方案
根据国内无线频谱管理相关规定,基于ZigBee标准的产品只能选择2.4GHz频段的器件。目前已经推出了MCU与RF集成的“射频SoC”。例如Chipcon公司2006年第一季度推出的CC2431,它由2.4GHzDSSS射频收发器核心和增强型工业标准的8位8051微控制器组成,是目前世界上仅有的带有 128K闪存的8051内核的ZigBee无线单片机,并带有定位跟踪引擎。从本设计的功能要求和性能指标来看,此类器件无疑是非常理想的选择:低复杂度,低功耗,低速率,体积小,并能同时方便地满足组网和定位的需要。但是经过市场调研后发现,“物美”却不“价廉”,无论是芯片还是开发工具都价格不菲。
出于符合要求又兼顾成本的综合考虑,经过对不同方案的研究和对比,决定还是采用独立MCU与RF器件的硬件架构。MCU采用Microchip公司的PIC18LF2620,它是8位微控制器,低电压供电,28个管脚包含3组双向1/0,中断和定时器资源都很丰富,并且很容易将程序功能扩展移植到40脚的PIC18LF4620。RF采用Chipeon公司的Ce2500,它的工作频带范围为2400~2483.5GHz,采用0.18微米CMOS工艺,外形小,需要的外部元件数量少,而且价格十分低廉,低电压供电,高接收灵敏度,属于超低成本ZigBeeRF芯片。其余的器件比如传感器、串口通信器件等,以及必要外围器件如LED,均考虑了体积与功耗因素。
(二)软件总体设计
要组建一个基于ZigBee技术的无线消防报警定位系统,首先要对数据进行采集和处理,例如环境感测数据;然后要实现节点间的通信,才能将获得的信息从一个节点传送到其他节点;最后要进行组网以及定位估计,才能最终实现一个自组织网络并对移动未知节点进行定位。
1、数据采集与传输
这一部分主要包括传感器信息的采集、所使用的几种通信方式、数据传输机制。
传感器信息的采集,其实就是处理传感器和微控制器的接口。传感器将采集来的模拟量转换成数字量,送进微控制器;微控制器根据所得数据进行相应处理。
IEEE802.15.4规定所有的通信是基于包的。在数据通信部分,RF芯片已经对一些功能例如CCA、LQI、同步字探测、地址校验、自动CRC等给予了硬件支持,这些减少了软件设计时对于数据包形成和接收检验的工作量。本设计是采用非信标使能的网状拓扑结构,它的通信机制在 IEEE802.15.4规范中有详细的定义和说明,设计时应按照规范,采用无时隙的CSM/CA算法,实现设备到协调器、协调器到设备以及对等实体之间的可靠数据传输。
系统信息汇集在网络协调器。协调器通过RS-232串口可与监控主机进行通信,从而可在PC上更直观和方便地了解网络节点工作情况以及消防人员的位置。
2、组网及路由
这一部分主要包括:协调器如何建立网络,节点如何向父设备请求加入网络,协调器如何处理其它节点发送的入网请求,允许节点加入;以及消息在网络中如何进行路由。
3、定位算法
这一部分主要包括定位估算的原理,给出RSSl数据采集机制、门限设置和位置估算方法。
CC250o带有RSSl(接收信号强度指示)的数字输出。由于该消防报警系统是安装在建筑物内,其定位即属于室内定位。通过对大量文献中关于无线传感器网络定位算法的研究,同时结合CC25oo的此一特性,决定采用基于RSSl的最大似然估计方法进行定位估算。相比许多其他的方法,用此种方法进行物理定位的精度并不是非常理想,但由于室内节点的密度相对较密集,故精度所产生的影响不会太大,并且还可以利用符号定位提供位置参考。同时,采用较简单的算法也降低了系统实现的复杂度。如果要将系统应用在精度要求很高的场合,也可对现有算法进行一些修正以提高精度,例如自适应迭代法、距离加权估计算法等。
ZigBee技术以其优越的特性在无线通信领域异军突起,应用日趋广泛。本文基于ZigBee技术,设计了可对楼宇内火警进行实时监控并追踪消防人员位置的无线消防报警定位系统。该设计方案已应用于实践,同时对其他设备或人员的无线监控和定位追踪也具有借鉴意义。基于ZigBee技术的消防报警定位系统,必将在未来的智能楼宇中得到更普遍的发展和应用。
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