基于无线传感器网络的自动火灾报警系统的设计外文翻译资料

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基于无线传感器网络的自动火灾报警系统的设计

张磊，王高峰

西南科技大学计算机科学与技术学院

摘要 - 火灾是对生命的巨大威胁。 自动火灾报警系统提供实时检测，监控和自动报警。 它在火灾发生前期发出警报，有助于减少火灾损失。 无线传感器网络已经成为在环境监测和

家庭或工厂自动化中最广泛最重要的技术。 在本文中，基于无线传感器的自动火灾报警系统网络被开发为高层建筑物设计的。 为了提供早期火灾预警，在建筑物内的大量探测器定期测量烟浓度和温度。 这些分散的探测器通过监控中心的分级无线传感器网络报告发送它们的监控信息。 从原型系统的测试结果显示，自动火灾报警系统达到设计要求。

关键词 - 火灾报警系统，无线传感器网络，烟浓度

一、引言

现在，保护自己的财产和人身安全免受火灾越来越重要。全面监测商业和住宅区是减少火灾造成的人身和财产损失的有效方法。 近年来自动火灾报警系统开始广泛部署在这些地方。 大量的小型火灾探测器需要报告信息到建筑物的控制中心，但是在传统火灾报警系统中布线的成本非常高。

预先设有无线网络的基础设施大大减少了布线成本。 近年来，无线传感器网络（WSN）被广泛部署在环境监测，结构安全监测和工业监测中。 它提供了低成本的应用程序解决方案。 它由小尺寸，低功耗和低成本设备集成一定的的计算，检测和无线电通信能力[1]。 所以WSN非常适合火灾报警系统中的探测器之间的通信。

在本文中一个为建筑物设计的简单的基于无线传感器网络设计的自动火灾报警系统得以实现， 而我们主要集中于设计网络架构和通信协议。

1. 相关步骤

实现大规模远程监控火灾的网络技术一直以来是一个重要的研究课题。传统的用于火灾报警系统有线网络技术已经得到广泛应用， 但有线网络部署带来的成本是昂贵的，并且在一些环境布线有困难。 因为无线传感器网络的密集化，无线网络的小型化，传感器的低成本化， 无线传感器网络可以作为有线的替代来收集和传播环境数据[1]，并且部署WSN并不需要任何预先存在的基础设施和以及繁琐的维护[2]。正如我们所知，无线通信的可靠性低于有线通信。 Faouzi Derbel研究了商业和住宅区火灾探测系统中无线通信的可靠性，并分析可影响无线电传输的参数[3]。

分析基于WSN的火灾救援应用程序的要求和挑战[4]， 为了实时监控灭火作业，这项工作侧重于自组织，容错率和移动定位。 应对火灾探测和救援帮助设计出了无线传感器网络的框架。 参考文献：森林火灾监测的发展[5]，韩国山脉系统介绍[6]。 这两个系统都是基于共同的WSN开发平台：Crossbow motes和TinyOS，通信标准是IEEE 802.15.4。 但是这个架构对于我们的应用来说太复杂了。 我们的系统设计用于建筑物的消防监控，所以独立设计和开发硬件和软件。

三、用于火灾报警系统的WSN

A.网络架构

我们知道，高层建筑物需要大量的监测点。 由于低功率无线电的传输距离限制，中继器需要从探测器中传送监测信息到监视中心。如果所有的监测信息直接传输到监控中心，网络负载变得非常重。 为了减少网络通信过载和提高稳定性，我们设计了一种层次结构系统。 网络架构如图1所示：

大量的探测器，一些中继器和一个控制中心构成无线传感器网络用来负责一层楼的火灾探测。 探测器作为基础检测装置必须连接到中继器报告其监控信息。 中继器不仅监控一定面积，还提供网络接入。每个楼层的控制中心报告楼层的监控信息并且每一层的监控信息由总控制中心汇总，控制中心通过电缆连接。

B.网络协议

自发组织和自我愈合是无线传感器网络的显著特点。无线接入时节点启动，他们可以找到并自动加入最近的网络。当一些节点故障时，他们可以尽快重新组织网络。如图1所示。 我们报警系统结构是树状结构。在需要时系统识别它们已联网的传感器所部署的位置来寻址。实际上，火灾报警系统涉及不超过10,000个检测器。所以2字节通讯地址用于我们的火灾报警系统中指示源端和目的地端。高8位表示网络地址，低8位表示节点地址。因此，一个网络可容纳多达255个中继器，每个中继器可以最多可容纳255个探测器。每个中继器分配一个网络地址，并且由监控中心和中继器为其检测器独立地分配节点地址。

在我们的火灾报警系统中，信息通过无线链路传输最多2跳。 所以网络操作比较简单。 新节点发送a网络请求消息，声明其序列号。中继器收到网络请求并检查是否允许其宣布的序列号，以及发送带有通信地址的响应分配给新节点，避免混乱带来多个中继器响应，检测器向所选择的中继器发送网络确认消息。并且中继器接收到确认消息更新其邻居表并报告拓扑变化到监控中心。 其他中继器等待，直到达到设定的等待次数，然后取消地址分配操作。

当新的中继器想要加入网络时，联网操作和一般的检测器相同，唯一的不同是它向本地中心发送代替请求。

1. 系统设计与实现

A.射频芯片组CC1100

火灾报警系统需要长期连续监测，因此在我们设计中低功耗通信是必不可少的。我们选择Texas的CC1100仪器作为射频芯片组的探测器和中继器。 CC1100是一款低成本低功率的无线收发器，它工作在315/433/868/915 MHz的ISM频段，这是在工业控制，无线安全，智能家居等中使用。它是一个可编程芯片组。我们可以修改一些参数，如数据速率，载波感测指示器和输出功率。分组收发，载波侦听和唤醒机制是CC1100的主要任务，来自MCU的数据必须在发送前成帧。CC1100的帧格式示如图 2，前导码模式是1和0的交替序列（10101010 ...）。前导字节为程序。同步字提供字节同步传入分组。 CC1100支持恒定分组长度协议和可变长度协议。可选长度字段定义有效载荷数据的长度。因此，数据字段的包不超过255字节。可选address字段定义目的节点的地址。但8位地址空间不满足我们系统的要求，所以地址字段在这里不使用。CRC-16是自动插入CRC校验码。

传入分组不仅减少传输效率，也浪费节点功率。 发送前载波侦听是一个很好的避免冲突的方法，无线传感器网络 CC1100提供两个载波感测方法，绝对阈值载波检测和相对阈值载波侦听。RF消耗大多数节点的功率，并且用于火灾监控应用，节点只需要报告其监控结果。 所以睡眠和唤醒机制可以有效节省功耗。 CC1100提供唤醒功能，无线电功能使CC1100定期从睡眠状态唤醒并侦听传入的数据包而无需MCU互动。

B.通信协议

为了实现设备之间的通信，消息格式需要仔细定义。我们定义的所有消息被填充在数据字段CC1100数据包中。 所有这些消息的第一个字节是包类型字段，表示的功能信息。在表I中显示了我们定义的五个数据包类型值。

通信地址分配在网络通信过程中和传感器网络组织或更新时。 格式为网络消息如图1所示。网络消息涉及3种类型的消息：网络请求，网络响应和网络确认。

网络请求是一个广播帧，其来源地址和目的地址都设置为0xFFFF。节点的标识是5字节，序列号存储在每个节点的EEPROM中。建筑物中每个节点在安装之前记录在序列号上，并且

预先设置每个节点的安装位置。 所以监控中心能够准确定位报警源。我们的系统工作在433MHz（433.30-434.79MHz）。 为了最小化无线干扰，频带是分为8个通道，通道间距为

200KHz。 节点的RF可以在任何通道工作。 中继器选择一个通道工作，在每个通道新的检测器发送请求消息加入网络，然后发送请求，它将在此频道上监听一个可能接收的响应。 如果有中继器宣布是允许的数字，那么在通道上回应并会检查串口请求。

允许通过的的节点序列号信息是定期更新并记录在中继器的记忆中。如果它是允许的节点，中继器将为它分配地址并为分配的地址目的地址字段和中继器的地址源地址发送一个响应。节点将记录源地址的最强信号响应并发送回a网络确认消息到达所选择的中继器。中继器接收联网确认消息并将新节点的信息记录在其邻居表中，包括序列号，分配的地址，节点状态等。

中心控制器检查中继器的邻居表，定期获取整个告警系统的实时拓扑。中继器没有收到网络确认消息将取消地址并在一段时间后分配。检测器一旦他们检测到火灾报警将报告它们的检测信息，检测信息定期发送到中继器。火灾报警报告消息格式如图1所示。

通讯计数器字段成功记录检测器和中继器之间的通信时间， 所以中继器可以识别消息是否重传。报警类型如下所示：报警状态包括NORMAL，FIRE_ALARM，BATTERY_FAULT和DETECTOR_AGING。 烟浓度场是烟气浓度或温度值。 电池能量场显示检测器的电压，使得

控制器中心知道每个检测器的能量状态。当中继器收到火灾报警消息时，它将转发消息到控制中心并通过发回的a参数修改消息以确认其已接收火灾报警消息。 参数modify消息为也由监控中心发送，并修改其检测参数状态。 消息参数修改格式如图6所示。

报告周期定义为火灾报警的发送消息的间隔时间，唤醒周期为烟浓度或温度的监视间隔时间。烟浓度测量值高于报警阈值时，检测器将向中继器发送火灾报警消息报警状态字段标记为FIRE_ALARM。重启字段设置为0x80以通知已接收到报警消息的检测器中继器并让检测器取消重复报警。它设置为0x81表示检测器应重置并重新加入网络。

C.无线节点的设计和实现

检测器的检测部件是光电检测器，烟雾传感器或微分恒温探测器。检测器是电池供电，电量消耗成为系统设计的关键问题。我们采用的控制芯片是超低功耗16位RISC混合信号处理器TI MSP430F1232PW和低功耗CMOS串行EEPROM ATMEL AT24C02。检测器工作流程如图6所示。控制芯片的中继器也是TIMSP430F1232PW。中继器需要更多的存储空间存储邻居表和允许的节点表。所以EEPROM为AT24C512，提供512KB储存空间。这个中继器是复杂功能检测器，其作用相当于检测器和中继器的组合，所以有两个进程，检测器工作流程类似于普通检测器，但是消息不是通过无线电发送到中继器处理。 中继器工作流程如图7所示。

D.系统评价

测试的原型系统包含11个检测器，3个中继器和一个监控中心，分布在一层如图1所示。因为只有一层，它的控制中心在原型测试中被移除。测试包括网络操作，日常报告和火灾报警。测试结果表明该系统可以自组织，实时监测和报告监视区域中的烟气浓度和温度。一旦火灾爆发，监控中心可以迅速找到火源的位置。检测器和中继器由电池供电，能源消耗是系统测试的一个重点。测试结果表明，无线烟雾的静态电流检测器低于7mu;A，单片微处理器工作电流为为1.4mA，平均电流低于40mu;A。无线温度检测器的平均电流约为20mu;A，因为它没有红外线发光二极管和运算放大器。所以1000mAh电池能够连续工作约2年。

五、总结

在本文中，设计和开发一个基于无线传感器网络的自动火灾报警系统强调网络架构和通信协议。 原型系统测试显示，提供早期灭火的火灾灾害损害有效减少。在不考虑定位机制的情况下，我们必须预先安排每个检测器在该系统中的安装位置。 减少安装的工作量，使系统更方便的自动定位机制是我们未来工作的重点。

六、致谢

我们的部分科研工作得到四川省教育研究基金会（08zb007）和西南科技大学研究基金会的支持。

七、参考文献

[1] M. Tubaishat and S. Madria, Sensor Networks: An Overview, IEEE Potentials, 2003, 22(2):20-23.

[2] Osterlind, F.; Pramsten, E.; Roberthson, D.; Eriksson, J.;Finne, N.; Voigt, T. Integrating building automation systems and wireless sensor networks.Proceedings of Emerging Technologies and Factory Automation, 2007. 1376-1379.

[3] Faouzi Derbel. Reliable wireless communication for fire detection systems in commercial and residential areas.Proceedings of Wireless Communications and Networking, 2003.654-659.

[4] Kewei Sha, Weisong Shi, Watkins, O. Wayne State Univ,Detroit, MI; Using Wireless Sensor Networks for Fire Rescue Applicatio

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