基于WSN的大型建筑火灾监控系统的设计

论文总字数：15996字

摘 要

随着经济发展，城市建筑物不断向大型化发展，大型建筑的安全性越来越引起人们的关注。尤其面对大型建筑的火灾监控问题，如何保证建筑内火灾信息快速，高效，精确的收集，从而使人员伤亡最小、楼宇设施和财产损失最小，已成为世界各国人们密切关注的重点。本文通过建立无线传感网络监控系统将各个房间信息进行采集、分析、处理、发送给中心计算机，从而时刻对各个火灾源头进行监控。本文介绍通过Zigbee使用多跳自组织网络，通过路由器、协调器、通信协议线将各个节点探测器所检测到的能充分反映现场火灾因素的数据传送到中心计算机，由火灾监控系统根据设定好的数据进行比对处理判断、实现对火灾早期的准确报警。结果表明无线传感网络系统在火灾监控获得巨大优势，可以被广泛运用到各种大型建筑火灾监控系统中。

关键词：火灾, WSN，监控，Zigbee

Abstract：With the development of economy, city building is becoming larger,and the safetyt is paied more attention by people. Especially in the face of fire control problem of large-scale construction, the problem that we can ensure the building fire information fast, efficient, accurate collection, the casualties minimum, building facilities and property loss minimum has become more attention all over the world. In this paper, we can collect each room information , analyse and processing the information based on wireless sensor network monitoring system. So we can get constantly monitor all potential fire source. This paper introduces the use of multi hop self- organization network by the Zigbee. Aach node detector detects the data of reflecting the fire site to a central computer by the router, the coordinator and communication protocol. the fire monitoring system realize the fire early alarm according to the setting data for comparison and judgment. The results show that the wireless sensor network system has great advantages in fire control. It can be widely applied to various large building fire monitoring system.

Keywords: Fire, WSN, Monitoring, Zigbee

目 录

1 绪论...................................................................................................................1

1.2 火灾报警系统的发展............................................................................... . . 2

1.3 无线传感网络技术...................... ....................... ................................ . ......2

1.3 课题研究背景及意义 ...................................... .. . . ....................................3

2 WSN的概述……………………………………………….... ............…………5

2.1无线传感器网络的简介…………………………………………………......6

2.2zigbee无线通信技术……………………………………………………....…7

3 大型建筑火灾监控系统的总体设计..................................................... .. .......9

3.1监控系统的需求 ................................................................................. ..........10

3.2系统的总体设计............................................................................... .. …. .…11

3.3系统工作的流程................................................................. …………. . ……12

4 系统的硬件设计……………………………………………………. .………13

4.1无线传感器节点设计……..............................................................................14

4.2网络协调器......................................................................................................15

4.3串口通信模块及电源电路设计……………………………………………..16

4.4zigbee通信设计...............................................................................................16

5 系统软件设计…...............................................................................................17

5.1传感器节点软件设计…..................................................................................19

5.2通信软件设计..................................................................................................20

5.3中心计算机软件设计............................................. ........................................21

6 总结 ................................................................................................................ 22

1 绪论

无线传感器网络WSN(Wireless Sensor Network)是信息时代的产物。无线传感器网络WSN是由大量传感器节点通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织网络系统，它能够实现数据的采集量化、处理融合和传输，作出动作。随着无线传感器网络的快速发展，以及人们对住环境的要求越来越高，将无线传感器网络技术应用到火灾预警系统将是一种必然的选择。基于WSN的火灾预警系统，通过将温度、烟雾、火焰等传感器集成在一个无线传感器节点上来监测火灾信息，通过采用加权支持向量回归(WSVR)算法来预测火灾的发生，从而减小了火灾的漏报率和误报率。当预测有火灾发生时，火灾报警监控中心和火灾现场立即发出报警信号，同时将火灾信息通过网络的形式传递给用户，并通过互联网、火警电话将火灾信息传送到消防主管部门，便于进行灭火救援。该系统的试制，具有较高的经济效益、社会效益和推广应用价值。

1.2 火灾报警系统的发展

目前有线通信技术已趋于成熟，但是，有线通信网络只能按照预先搭建好的线路传输数据，可扩展性能差、布局不易移动，后期的维修工作相当复杂，而由于采用线路连接，线路发生故障比较容易，造成有线火灾自动报警系统故障发率和误报警率较高。在没有办法进行布线的地方，有线通信网络根本无法使用。无线火灾报警网络采用无线传输方式就不会产生这些问题。而且，无线网络可以向三维空间传送数据，中间无需传输介质^[1]。

近几年来，随着无线传感器网络在国内外的迅速发展无线报警系统发展起来。与有线通信方式相比，无线通信的组网方式灵活，且不需要布线，设备简单，此外网络资源的扩展非常方便，不需要重新布局与规划。无线火灾自动报警系统由于其具有安装、维护简单、值班方式灵活、组网方便等诸多优点，可广泛应用于不便布线、建筑物分散、规模较大、干扰较小的建筑场所。分布式无线火灾自动报警系统因为其控制器和探测节点均为智能型，是未来无线火灾自动报警系统的发展方向。无线火灾自动报警系统采用无线火灾探测器节点传输火灾信息，每个探测器节点均需完成发射与接收信号的任务，各个探测器节点之间以及探测器与接收装置之间需遵循无线通信协议。无线移动通信、无线局域网和蓝牙等无线通信技术都应用到了很多领域，相对于其他无线通信网络技术，具有低成本、低功耗、灵活组网、延时短、覆盖范围广等优点的ZigBee 技术更适合于无线火灾自动报警系统^[2]。

1.3 无线传感网络技术

无线传感器网络是由大量无处不在的，具有通信与计算能力的微小传感器节点密集布设在无人职守的监控区域而构成的能够根据环境自主完成指定任务的“智能”自知测控网络。智能型无线网络化火灾探测系统具有以下优点：1、安装方便、可以最大限度地减少对建筑物的破坏，这一特点对于古建筑的保护尤为重要；2、无线传感器网络的自组织性使得探测系统可以在极短的时间内完成自动组网，在突发性危险化学品泄漏场所抛撒一些内置气体传感器的节点，可以在人力不介入的情况下实现对危险场所检测；3、单个传感器节点的探测精度有限，大量传感器节点通过网络数据融合及算法实现更精确的判断。

研究基于无线传感器网络的多参数智能探测系统，实现其微型化、网络化，

特别是实现传感网络特有的超低功耗系统设计，是解决危险气体泄漏监测、实

现火灾早期预警的有效手段。与传统的监测系统相比，在古建筑保护、危险源

监测方面有其独特的优势，具有广阔的应用前景，有着十分重要的意义。

1.3 课题研究背景及意义

21世纪开始至今，随着WSN第三阶段的快速发展，无线传感器网络具有独特的技术优势，相对于传统报警系统：无线传感器网络不依赖基础设施，能多径路由、自修复和自维护；具有分布式的数据结构，在部分节点损坏时可通过重组继续工作，拥有大量分布节点和信息融合机制，能有效降低系统的误报警概率。为火灾报警系统的研究提供了全新的研究思路和解决方案．本文研究了基于无线传感器网络火灾报警系统，完成了火灾报警系统的节点设计和火灾报警系统节点传输的数据进行数据融合。从而使大型建筑火灾监控更加趋近安全，稳定^[3]。

2 WSN的概述

2.1无线传感器网络的简介　
　　无线传感器网络就是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中被感知对象的信息，并发送给观察者。传感器、感知对象和观察者构成了无线传感器网络的三个要素。

WSN具有以下特点

(1)大规模性。为了获取精确信息，在监测区域通常部署大量传感器节点。传感器节点部署很密集，在面积较小的空间内，密集部署了大量的传感器节点。传感器网络的大规模性具有如下优点：通过不同空间视角获得的信息具有更大的对比性，通过大量的信息比对，使得对单个节点的要求有所降低，从而降低成本。并且大量冗余节点的存在，可以根据用户的需求，选择性的关闭调整休眠一些传感器节点，增强系统的寿命，并使得系统具有很强的容错性能。

(2)自组织

自组织传感方式是取决于无线传感器自身的特点。在传感器网络应用中，通常情况下传感器节点被放置在没有基础结构的地方，传感器节点的位置不能预先精确设定，并且根据特定的工作环境下，节点可能存在休眠，损坏等其他原因，因此节点之间的相互邻居关系预先也不知道。这样就要求传感器节点具有自组织的能力，能够自动进行配置和管理，通过拓扑控制机制和网络协议自动形成转发监测数据的多跳无线网络系统。这种自组织工作方式主要包括：自组织通信，自调度网络功能以及自管理网络等。

(3)动态性

传感器网络使用拓扑结构可能因为下列因素而改变：①传感器自身因素或电能耗尽造成的传感器节点故障或失效；②外在环境条件变化可能造成无线通信发射接收链路带宽变化，甚至时断时通；③传感器网络的传感器、感知对象和观察者这三要素都可能具有移动性，不在局域距离范围；④新节点的加入。这就要求传感器网络系统要能够适应这种变化，具有动态的系统可重构性。

(4)以数据为中心

传感器网络是根据不同用户设计的任务型的网络，没有传感器网络，无线传感器节点将没有任何意义。传感器网络中的各个节点都有自己独特号码编号，节点编号是否需要全网惟一取决于网络通信协议的设计。由于传感器节点随机性，构成的传感器网络与节点编号之间的关系是完全动态的，表现为节点编号与节点位置没有必然联系。用户使用传感器网络查询事件时，直接将所关心的事件通告给网络，而不是通告给某个确定编号的节点。网络在获得指定事件的信息后汇报给用户。这种以数据本身作为查询或传输线索的思想更接近于自然语言交流的习惯。所以通常说传感器网络是一个以数据为中心的网络。

(5)集成化

传感器节点的功耗低，体积小，价格便宜，实现了集成化。其中，微机电系统技术的快速发展为无线传感器网络接点实现上述功能提供了相应的技术条件，在未来，类似“灰尘”的传感器节点也将会被研发出来。

2.2zigbee无线通信技术

随着科技的飞速发展，ZigBee技术以近距离、低成本、低功耗、低复杂度和低数据速率等方面的优点凸显成为主流，被广泛的用于工业自动控制和远程监控领域无线通信，它摆脱了物理连接上限制，以自由的、随时随地接入网络的优势， 在我们的生活中越来越受到欢迎。

ZigBee 是基于IEEE 802.15.4 标准开发的一种短距离、低速率无线网络技术，主要用于近距离无线传输。ZigBee 可工作在2.4GHz(全球流行)、868MHz(欧洲流行)和915 MHz(美国流行)3 个频段上，分别具有250kbit/s、20kbit/s 和40kbit/s 的传输速率，它的传输距离在10-75m 的范围内，但可以继续增加。作为一种无线通信技术，ZigBee 具有如下特点：

（1）低功耗

处于工作状态时，ZigBee 的传输功耗低，在2.4GHz 频段，有16 个250kbps 的信道；在915MHz 频段，有10 个40kbps 的信道；在868MHz 频段，有1 个20kbps 的信道。发射功率仅为1mW，且数据量不大，数据流通时间短。处于非工作状态时，处于休眠状态。因此ZigBee 设备非常省电。据估算，ZigBee 设备仅靠两节5 号电池就可以维持长达6个月到2 年左右的使用时间，这是其它无线设备望尘莫及的。

（2）低成本

因为ZigBee 协议栈设计简练，所以研发和生产的成本相对较低。通常的网络节点在硬件方面只需8 位微处理器，在软件实现方面也较容易，并且ZigBee 的协议是免费的，设备协议不复杂，不收专利费。ZigBee 模块的初始成本也比较低，估计价格也会进一步降低。低成本是ZigBee 的一个关键因素。

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