无线火灾报警系统的体系结构研究
时间：2008-05-29 13:10:00
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[导读]本文重点对WSN（WirelessSensorNetwork）在火灾报警系统中的应用加以分析研究,提出并详细的探讨了火灾无线网络的体系结构和设计原理，采用GAINZ模块、事件驱动板和响应的开发软件包进行部分实验，证明了方案的可行性和有效性。
一、前言
随着智能楼宇技术应用的迅速发展，商业市场对火灾报警器的需求不断增长，目前主要使用的是智能型总线制分布式计算机系统的火灾报警系统，虽然在系统安装方面比过去大大方便，但仍然不能满足现代需要，其安装成本约占设备成本的33％～70％。实际应用对系统的要求如图1所示。而无线火灾报警系统能够满足目前要求，它具有安装容易、快捷、便宜、无需布线、对建筑物表面的最小破坏性、对功能变化的易适应性等特点。
虽然WSN（Wireless Sensor Networks）正处于完善的迅速发展时期，但并没有妨碍它在各领域的应用。德国、日本、美国等发达国家对无线火灾自动报警系统的研究投入大量人力、财力。无线火灾自动报警系统是典型的多传感器的事件驱动型无线传感器网络WSN，但又具有其特殊要求：①系统的可靠性、可信度、必须考虑室内多路径散射、回波、干扰、中断、碰撞探测等处理；②系统的最小工作生命周期为5年；③总机和探测器间必须双向通信；④报警信号的传输时间必须在10秒内；⑤系统干扰、故障探测反映时间要小于100秒。[1]
无线传感器网络（WSN）综合了微电子技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等先进技术，能够协同地实时监测、感知和采集网络覆盖区域中各种环境或监测对象的信息，并对其进行处理，处理后的信息通过无线方式发送，并以自组多跳（Self Organizing Hop）的网络方式传送给数据处理中心。WSN的应用前景十分广阔，在军事、工农业、环境监测，医疗护理、危险区域远程控制等领域都有潜在的应用价值，已经引起了许多国家学术界和工业界的高度重视。[2]
二、火灾探测WSN网络体系结构
要设计出具有可靠性高、抗干扰能力强的火灾自动报警系统，其要求是：①当有火情发生时，能以最快的速度检测报警，并能检测火情发生的具体地点（特定的地址编码）；②经查实确认后，能及时的通报消防部门灭火；③系统本身应有自身故障检测的功能，如系统欠电压报警和自检功能等，保证自动报警系统功能完好；④较高的系统抗干扰能力，防止系统发生误报警。⑤相对较长的系统工作生命周期。
针对火灾探测应用的实际情况，采用基于簇的分层结构网络较为合理，在稳定运行阶段，簇中的所有节点按照时分复用的方式向相应的簇头发送数据。如图2所示。
基于簇（Cluster）的分层结构具有天然的分布式处理能力[3]，簇头FLCH（First Level Cluster Heads）就是分布式区域处理中心，每个簇成员SN（Simple Node）都把数据传给簇头，数据融合后再传给SLCH（Second Level Cluster Heads）节点。 FLCH节点和SN节点之间通过Zigbee技术实现无线的信息交换；带有射频收发器的SN节点负责对火灾数据的感知和处理并传送给FLCH节点；FLCH节点处理的数据直接传给SLCH节点, SLCH节点的数据经中继器或直接传至楼宇管理中心，然后再经GSM网络上传于消防控制中心，控制中心通过GSM网络获取采集到的相关信息，实现对现场的有效控制和管理。系统结构如图3所示。
为了达到传感器的实用数量、减少网络的复杂性、降低网络整体的功耗，基于每个火灾传感器节点和FLCH节点之间通信量较小的特点，提出一种基于需求时唤醒（Wake up On-demand ）的工作模式，即传感器节点（SN）火灾发生时，能自动醒来和FLCH节点进行通信；否则工作于睡眠状态并采用低功率监测信道，以节约传感器节点功耗并拒绝接受非法的连接访问请求，大大降低了接入FLCH节点时消息碰撞的概率，极大地增加了传感器网络容量。
三、火灾探测的特殊性
1、建筑物对信号的影响
在建筑物内，发射和接收间的信号传播主要受多径反射的影响，信号场强是多种波的总和，因此决定反射／吸收特性的建筑材料和内部结构对于辐射范围是决定性的。图4表示某建筑物内的信号衰减情况；距离越远，场强越弱，在建筑物内部，约与1/r5成正比，即距离增加一倍，衰减约增加17dB，在空旷地带仅为 6dB。几种障碍物对无线信号的衰减情况如表1所示。
为了保证系统在５－６年时间里能够可靠通信，并考虑到各种可能的结构环境，对衰减预算量，即发射功率与最小接收功率之差，一般为115dBm。而衰减预留量为25dBm，所以实际有效的衰减预算值约为95 dBm。
2、网络的完整性验证
为了可靠地探测报警，每一个探测器节点必须保证正常工作，维护网络的完整性。当任意节点受到干扰或出现故障时或链路断裂时，临近节点会自动救援，将需要传输的数据发送。其自组织连接过程如图5所示。
3、火灾特定算法的嵌入
目前国内总线型火灾探测报警系统已经由开关型逐步过渡到模拟量系统，但要真正达到智能系统，仍有一定距离，在设计新型系统时最好融入最新的火灾智能算法如概率估计、神经网络、人工智能等最新研究成果，使得系统得可靠性和智能化大大提高。
四、系统工作原理
对于一个完整的火灾传感器节点，需要具有小尺寸、低功耗、适应性强的特点，Zigbee设备为低功耗设备，其发射输出0dbm～3.6dbm，通信距离为 30米～70米，具有能量检测和链路质量指示，根据这些检测结果，设备可自动调整设备的发射功率，在保证通信链路质量的条件下，最小地消耗设备能量，SD 节点在睡眠状态时，功耗电流约为30uA。在网络数据通信时，Zigbee建立一次连接的时间约为20-30ms，这样短的连接时间可以大大减少传感器节点上报给FLCH节点数据碰撞的概率；在网络安全方面，无线传感器网络在Zigbee技术上，采用了密钥长度为128位的加密算法，对所传输的数据信息进行加密处理。
SN节点由Zigbee模块（CC2420和Atmegal-128L两部分所组成）、硬件检测电路。硬件检测电路检测火灾传感器节点所在的环境，当火灾发生变化时，触发Zigbee模块的I/O中断将信息传送给Zigbee模块，模块从睡眠状态唤醒，模块利用自身的控制芯片对信息进行处理后，再以无线的方式传送给FLCH节点。
1、Zigbee模块初始化过程
Zigbee模块进行通信之前需要进行有效的初始化，初始化也是网络的完整性和有效性验证。在初始化通信过程中，FLCH节点主动广播连接信令，在SN节点成功地接收和验证一个数据帧和MAC命令帧后，向FLCH节点返回确认帧，SN节点的Zigbee模块被置于Sleep工作模式，接下来FLCH节点与 SN节点进行主从角色转换，FLCH节点模块处于从模式工作状态，等候响应连接请求信令；此时SN节点中的Zigbee模块工作在主模式下，等待着有需求时唤醒发起连接请求。在初始化结束后，SN节点Zigbee模块工作于Sleep模式，拒绝任何的连接请求。这种设计大大降低了传感器节点的功耗；并且传感器节点只是在有需求时唤醒并主动与FLCH节点建立连接，保证了FLCH节点和传感器节点间通信的安全可靠。
2、Zigbee模块信息处理过程
信息处理过程是在传感器节点的硬件检测电路检测到其所在的环境发生变化时，由传感器节点中的Zigbee模块对信息简单处理后，主动发起连接将处理后的信息传送给FLCH节点，由于在工程中测试结论已表明，该无线传感器网络的SN节点99％以上的时间处于Sleep状态，只需要周期性地监听其无线信道，判断是否有需要自己处理的数据消息，功耗的数学期望值可低至30μA。[4][5]
3、Zigbee基站节点和GSM数据模块
分布在传感器网络中的基站（BS）节点主要用于接收SN节点的数据上报，并将其进行融合处理，传给TC35数据模块,通过GSM网络传递给中央信息控制中心。BS节点由Zigbee模块、MCUAtmegal-128L、GSM数据模块TC35组成。Zigbee模块和微控制器之间的连接是通过异步串行口实现的，它们之间的通信速度为38.4kBaud，由于传感器网络中分布着多个SLCH节点，因此基站节点的MCU要利用软件中断实现对不同ID 的SLCH节点上传数据轮询扫描，使SLCH节点的数据可以有序、完整地通过微控制器处理后传出。基站（BS）节点在此传感器网络中充当的是传感器节点和 GSM网络之间的网关。利用Atmegal-128L控制TC35模块完成BS节点和控制中心的通信。Atmegal-128L与TC35通过异步串行口相连，通过AT指令对GSM控制器进行写操作，模块支持标准AT指令，可采用SIMENS增强AT指令控制进行数据传输，在工程应用时，只需要给模块配备 SIM即可[6]。
4、中央信息控制中心
中央信息控制中心由监控模块、配置模块、数据库三个部分组成。它通过GSM网络与多个汇节点间接连接在一起，监控模块通过对通信串口的实时监控，实现对分布式汇节点上报信息的及时接收、解析、处理以及发送控制信令给不同ID的SLCH节点实现对传感器节点的间接、实时性的监控和数据采集。
五、实验结果
选用GAINZ节点模块和事件驱动接口板，选取部分火灾探测智能算法，取得初步的实验结果。结果表明采用标准的网络协议，结合火灾探测系统特点，和智能算法在无线传感器网络WSN构架下，开发火灾智能无线报警系统是可行的。火灾无线传感器硬件和软件平台的设计对于整个系统的开发与应用至关重要，作为整个系统的底层支持，其必然向微型化、高度集成化、网络化、节能化、智能化的方向发展，近几年，随着计算机成本下降和微处理器体积缩小，开发和构造火灾智能无线报警系统将有广阔的应用前景。工程试验结果充分显示了技术的可行性和实现的有效性。
参考文献：
[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数据传输技术及其在野外实时数据采集系统中的应用.通信学报.2004,vol.25 page:94-97
随着智能楼宇技术应用的迅速发展，商业市场对火灾报警器的需求不断增长，目前主要使用的是智能型总线制分布式计算机系统的火灾报警系统，虽然在系统安装方面比过去大大方便，但仍然不能满足现代需要，其安装成本约占设备成本的33％～70％。实际应用对系统的要求如图1所示。而无线火灾报警系统能够满足目前要求，它具有安装容易、快捷、便宜、无需布线、对建筑物表面的最小破坏性、对功能变化的易适应性等特点。
虽然WSN（Wireless Sensor Networks）正处于完善的迅速发展时期，但并没有妨碍它在各领域的应用。德国、日本、美国等发达国家对无线火灾自动报警系统的研究投入大量人力、财力。无线火灾自动报警系统是典型的多传感器的事件驱动型无线传感器网络WSN，但又具有其特殊要求：①系统的可靠性、可信度、必须考虑室内多路径散射、回波、干扰、中断、碰撞探测等处理；②系统的最小工作生命周期为5年；③总机和探测器间必须双向通信；④报警信号的传输时间必须在10秒内；⑤系统干扰、故障探测反映时间要小于100秒。[1]
无线传感器网络（WSN）综合了微电子技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等先进技术，能够协同地实时监测、感知和采集网络覆盖区域中各种环境或监测对象的信息，并对其进行处理，处理后的信息通过无线方式发送，并以自组多跳（Self Organizing Hop）的网络方式传送给数据处理中心。WSN的应用前景十分广阔，在军事、工农业、环境监测，医疗护理、危险区域远程控制等领域都有潜在的应用价值，已经引起了许多国家学术界和工业界的高度重视。[2]
二、火灾探测WSN网络体系结构
要设计出具有可靠性高、抗干扰能力强的火灾自动报警系统，其要求是：①当有火情发生时，能以最快的速度检测报警，并能检测火情发生的具体地点（特定的地址编码）；②经查实确认后，能及时的通报消防部门灭火；③系统本身应有自身故障检测的功能，如系统欠电压报警和自检功能等，保证自动报警系统功能完好；④较高的系统抗干扰能力，防止系统发生误报警。⑤相对较长的系统工作生命周期。
针对火灾探测应用的实际情况，采用基于簇的分层结构网络较为合理，在稳定运行阶段，簇中的所有节点按照时分复用的方式向相应的簇头发送数据。如图2所示。
基于簇（Cluster）的分层结构具有天然的分布式处理能力[3]，簇头FLCH（First Level Cluster Heads）就是分布式区域处理中心，每个簇成员SN（Simple Node）都把数据传给簇头，数据融合后再传给SLCH（Second Level Cluster Heads）节点。 FLCH节点和SN节点之间通过Zigbee技术实现无线的信息交换；带有射频收发器的SN节点负责对火灾数据的感知和处理并传送给FLCH节点；FLCH节点处理的数据直接传给SLCH节点, SLCH节点的数据经中继器或直接传至楼宇管理中心，然后再经GSM网络上传于消防控制中心，控制中心通过GSM网络获取采集到的相关信息，实现对现场的有效控制和管理。系统结构如图3所示。
为了达到传感器的实用数量、减少网络的复杂性、降低网络整体的功耗，基于每个火灾传感器节点和FLCH节点之间通信量较小的特点，提出一种基于需求时唤醒（Wake up On-demand ）的工作模式，即传感器节点（SN）火灾发生时，能自动醒来和FLCH节点进行通信；否则工作于睡眠状态并采用低功率监测信道，以节约传感器节点功耗并拒绝接受非法的连接访问请求，大大降低了接入FLCH节点时消息碰撞的概率，极大地增加了传感器网络容量。
三、火灾探测的特殊性
1、建筑物对信号的影响
在建筑物内，发射和接收间的信号传播主要受多径反射的影响，信号场强是多种波的总和，因此决定反射／吸收特性的建筑材料和内部结构对于辐射范围是决定性的。图4表示某建筑物内的信号衰减情况；距离越远，场强越弱，在建筑物内部，约与1/r5成正比，即距离增加一倍，衰减约增加17dB，在空旷地带仅为 6dB。几种障碍物对无线信号的衰减情况如表1所示。
为了保证系统在５－６年时间里能够可靠通信，并考虑到各种可能的结构环境，对衰减预算量，即发射功率与最小接收功率之差，一般为115dBm。而衰减预留量为25dBm，所以实际有效的衰减预算值约为95 dBm。
2、网络的完整性验证
为了可靠地探测报警，每一个探测器节点必须保证正常工作，维护网络的完整性。当任意节点受到干扰或出现故障时或链路断裂时，临近节点会自动救援，将需要传输的数据发送。其自组织连接过程如图5所示。
3、火灾特定算法的嵌入
目前国内总线型火灾探测报警系统已经由开关型逐步过渡到模拟量系统，但要真正达到智能系统，仍有一定距离，在设计新型系统时最好融入最新的火灾智能算法如概率估计、神经网络、人工智能等最新研究成果，使得系统得可靠性和智能化大大提高。
四、系统工作原理
对于一个完整的火灾传感器节点，需要具有小尺寸、低功耗、适应性强的特点，Zigbee设备为低功耗设备，其发射输出0dbm～3.6dbm，通信距离为 30米～70米，具有能量检测和链路质量指示，根据这些检测结果，设备可自动调整设备的发射功率，在保证通信链路质量的条件下，最小地消耗设备能量，SD 节点在睡眠状态时，功耗电流约为30uA。在网络数据通信时，Zigbee建立一次连接的时间约为20-30ms，这样短的连接时间可以大大减少传感器节点上报给FLCH节点数据碰撞的概率；在网络安全方面，无线传感器网络在Zigbee技术上，采用了密钥长度为128位的加密算法，对所传输的数据信息进行加密处理。
SN节点由Zigbee模块（CC2420和Atmegal-128L两部分所组成）、硬件检测电路。硬件检测电路检测火灾传感器节点所在的环境，当火灾发生变化时，触发Zigbee模块的I/O中断将信息传送给Zigbee模块，模块从睡眠状态唤醒，模块利用自身的控制芯片对信息进行处理后，再以无线的方式传送给FLCH节点。
1、Zigbee模块初始化过程
Zigbee模块进行通信之前需要进行有效的初始化，初始化也是网络的完整性和有效性验证。在初始化通信过程中，FLCH节点主动广播连接信令，在SN节点成功地接收和验证一个数据帧和MAC命令帧后，向FLCH节点返回确认帧，SN节点的Zigbee模块被置于Sleep工作模式，接下来FLCH节点与 SN节点进行主从角色转换，FLCH节点模块处于从模式工作状态，等候响应连接请求信令；此时SN节点中的Zigbee模块工作在主模式下，等待着有需求时唤醒发起连接请求。在初始化结束后，SN节点Zigbee模块工作于Sleep模式，拒绝任何的连接请求。这种设计大大降低了传感器节点的功耗；并且传感器节点只是在有需求时唤醒并主动与FLCH节点建立连接，保证了FLCH节点和传感器节点间通信的安全可靠。
2、Zigbee模块信息处理过程
信息处理过程是在传感器节点的硬件检测电路检测到其所在的环境发生变化时，由传感器节点中的Zigbee模块对信息简单处理后，主动发起连接将处理后的信息传送给FLCH节点，由于在工程中测试结论已表明，该无线传感器网络的SN节点99％以上的时间处于Sleep状态，只需要周期性地监听其无线信道，判断是否有需要自己处理的数据消息，功耗的数学期望值可低至30μA。[4][5]
3、Zigbee基站节点和GSM数据模块
分布在传感器网络中的基站（BS）节点主要用于接收SN节点的数据上报，并将其进行融合处理，传给TC35数据模块,通过GSM网络传递给中央信息控制中心。BS节点由Zigbee模块、MCUAtmegal-128L、GSM数据模块TC35组成。Zigbee模块和微控制器之间的连接是通过异步串行口实现的，它们之间的通信速度为38.4kBaud，由于传感器网络中分布着多个SLCH节点，因此基站节点的MCU要利用软件中断实现对不同ID 的SLCH节点上传数据轮询扫描，使SLCH节点的数据可以有序、完整地通过微控制器处理后传出。基站（BS）节点在此传感器网络中充当的是传感器节点和 GSM网络之间的网关。利用Atmegal-128L控制TC35模块完成BS节点和控制中心的通信。Atmegal-128L与TC35通过异步串行口相连，通过AT指令对GSM控制器进行写操作，模块支持标准AT指令，可采用SIMENS增强AT指令控制进行数据传输，在工程应用时，只需要给模块配备 SIM即可[6]。
4、中央信息控制中心
中央信息控制中心由监控模块、配置模块、数据库三个部分组成。它通过GSM网络与多个汇节点间接连接在一起，监控模块通过对通信串口的实时监控，实现对分布式汇节点上报信息的及时接收、解析、处理以及发送控制信令给不同ID的SLCH节点实现对传感器节点的间接、实时性的监控和数据采集。
五、实验结果
选用GAINZ节点模块和事件驱动接口板，选取部分火灾探测智能算法，取得初步的实验结果。结果表明采用标准的网络协议，结合火灾探测系统特点，和智能算法在无线传感器网络WSN构架下，开发火灾智能无线报警系统是可行的。火灾无线传感器硬件和软件平台的设计对于整个系统的开发与应用至关重要，作为整个系统的底层支持，其必然向微型化、高度集成化、网络化、节能化、智能化的方向发展，近几年，随着计算机成本下降和微处理器体积缩小，开发和构造火灾智能无线报警系统将有广阔的应用前景。工程试验结果充分显示了技术的可行性和实现的有效性。
参考文献：
[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数据传输技术及其在野外实时数据采集系统中的应用.通信学报.2004,vol.25 page:94-97
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