無線火災監控系統在坑、地道式防護工程中的應用

濟南車間凈化工程公司注意到：地下火災報警系統設計一直以來是研究的熱點，之前設計的系統大多采用有線連接，但由于陰暗、潮濕的地下環境，線路容易腐蝕導致系統失效。為此，我們在對現有火災監控系統和無線傳感器網絡研究的基礎上，考慮到坑、地道式人防工程的特殊環境，設計了一種無線火災監控系統。

1 系統的總體方案

該監控系統主要對坑、地道式人防工程溫濕度、火災信息（煙霧參數）進行監測。系統由終端、無線網關、路由節點及傳感器節點組成，如圖1所示。傳感器節點主要由若干火災探測器組成，路由是信息的中繼站，負責將距離網關較遠的傳感器節點的報警信號傳遞給網關，網關是所有節點信息的匯聚點，負責將收到的信息通過串口向 PC 機發送。

探測器通過探測火災特征參數判斷火災的發生，一旦判斷出有火災發生，則進行自動報警，并將數據信息包括發出報警的傳感器節點地址，通過射頻發送器終端控制器發送。終端可以由一臺計算機來擔任，計算機運行特定軟件，負責分析處理探測器節點發送過來的數據，并且可以實時地顯示監控區域地下的情況。另外，可以通過基站對整個網絡中的節點探測參數進行配置調整，保證不同情況下火災報警的準確性。

2 系統硬件設計

網絡中每個節點均以 CC2420 為控制核心。CC2420 是符合2.4GHz IEEE802.15.4標準的射頻收發器。它基于Chipcon公司的SmartRF 03技術，以0.18 μm CMOS 工藝制成，只需極少外部元器件，性能穩定且功耗極低。CC2420 的選擇性和敏感性指數超過了IEEE802.15.4標準的要求，可確保短距離通信的有效性和可靠性。

2.1 傳感器節點設計

針對坑、地道式人防工程火災早期探測，傳感器模塊可以由溫度、煙霧以及 CO氣體等傳感器組成。本論文的傳感器模塊由溫濕度傳感器模塊和光電型煙霧探測模塊兩部分組成，可以實現溫濕度的測量和煙霧探測。溫濕傳感器采用SHT11，它采用獨特的 CMOSens TM技術，具有數字式輸出、免調試、免標定、免外圍電路及抗干擾能力強的特點，只需一條時鐘線和一條數據線就可以把傳感器采集到的溫濕度傳給CC2420。其結構框圖如圖2所示。光電型煙霧探測模塊是通過一對紅外線發射和接收二極管實現的。正常情況下，沒有煙霧進入光學探測室二極管發出的紅外光線被光學迷宮吸收，接收二極管接收不到光線。火災發生時，有煙霧顆粒進入光學探測室，使紅外光線發生散射，接收二極管收到散射光線，產生電流信號，經過放大后由 SIG 引腳輸出，送給 Atmegal28 經過 AD 轉換后進行相關處理。PULSE引腳接Atmega128的I/O 引腳，控制紅外發射二極管的開啟與關閉。

圖2中SCK和DATA 引腳分別是串行接口時鐘線和數據線，連接 Atmega128 相應的引腳。

2.2 網關節點的設計

網關節點是將所有節點數據匯總、分析、存儲和發送的機構。它與計算機之間利用RS232異步串口進行通信，如圖3 所示。其功能相當于 1個接入點，一方面將主機向傳感器節點發送的控制信號以無線的方式發射出去，另一方面將傳感器節點采集的火災參量傳送給主機。

圖3中，串口模塊是 CC2420 與監控主機的通信接口，負責將收到的報警信息送給主機顯示，同時還傳送主機發給網關的控制命令。

3 系統軟件設計

軟件設計包括三種類型節點的設計，同時為操作人員能夠直觀地在監控主機上檢測各個區域的火災特征信號。傳感器節點、路由和網關節點都是基于ZigBee 協議棧進行設計的。ZigBee協議棧的構架如圖4 所示。要實現接收來自其他節點的信息，然后尋找最優路徑進行傳遞，同時還實現傳感器節點的部分功能；網關節點的應用層中實現包括網絡的組建、對加入網絡的節點網絡地址的分配及與PC機的通信。

應用層中的各個功能采用事件觸發的形式來實現，根據功能的要求在適當的位置調用事件觸發函數，實現相應的功能。網絡層包含了網絡層的配置參數和網絡層庫函數接口文件，主要實現網絡維護、網絡層數據的發送與接收、路由選擇以及廣播通信功能。MAC層和物理層都是采用IEEE802.15.4 標準，MAC 層負責處理所有的物理無線信道訪問，并產生網絡信號、同步信號；支持PAN 連接和分離，提供兩個對等 MAC 實體之間可靠的鏈路。物理層定義了物理無線信道和 MAC 子層之間的接口，提供物理層數據服務和物理層管理服務。協議的各層之間通過操作系統來實現穩定可靠的協作。

3.2 傳感器節點軟件設計

傳感器節點的功能是實時采集地下火災參量信號，包括溫度、煙霧濃度，并且對火災參量進行分析，判斷是否是火警信號。如果是就向網關發送報警信號，由網關通知監測人員。流程如圖5所示。

3.3 路由節點的軟件設計

傳感器節點的功能是實時采集地下火災參量信號，包括溫度、煙霧濃度，并且對火災參量進行分析，判斷是否是火警信號。如果是就向網關發送報警信號，由網關通知監測人員。流程如圖5所示。

3.3 路由節點的軟件設計

實際安裝中某些單元距離監控室較遠時，傳感器節點就可能無法將報警信號傳送到網關節點，此時就需要路由來實現。路由的主要功能是為信息的傳遞提供接力作用，擴大信號的傳輸范圍。因此，一般情況下，它應該一直處于活動狀態不應休眠。路由在進行信息傳遞時，會為經過它的每個數據幀尋找一條最佳傳輸路徑，并將該數據有效地傳送到目的節點。流程圖如圖6所示。

3.4 網關節點軟件設計

網關節點負責網絡的組建，并且會對加入這個網絡的設備分配網絡地址。當其他類型節點加入網絡后，它的工作流程是：計算機發送命令以后，網關接收命令，根據命令判斷計算機需要哪個節點的信息，并向該節點發送命令要求將對應圖6路由節點流程圖數據傳回網關，然后再將接收到的指定節點的信息按既定格式發送給 PC 機，通過PC 機上的系統組態圖可以觀察到該信息。網關節點的組網流程如圖7所示。

4 結語

針對目前我國坑、地道式人防工程火災監測系統存在的問題，設計了一種無線火災監控系統。該系統集監測、顯示、報警、通信等多功能于一體，可以對目標區域進行遠程監控，監測節點體積小，無需布線，移動、安裝和檢修方便。