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基于433 MHz無線自組網的火災監控報警系統
2015年微型機與應用第23期
葛 嵐,陳俊愷
(煙臺金盾電氣防火檢測中心,山東 煙臺 264005)
摘要: 針對復雜建筑結構、受地理條件限制的場所布設通信線有困難的問題,研制了一種基于433 MHz無線自組網GPRS的火災監控報警系統。以射頻芯片CC1110為無線自組網核心,搭載SimpliciTI網絡協議,實現各節點設備無線連接。數據中心節點接入GPRS向消防中心傳輸信息。系統已應用于實際,實現了本地報警和遠程監控。
Abstract:
Key words :

  摘  要: 針對復雜建筑結構、受地理條件限制的場所布設通信線有困難的問題,研制了一種基于433 MHz無線自組網GPRS的火災監控報警系統。以射頻芯片CC1110為無線自組網核心,搭載SimpliciTI網絡協議,實現各節點設備無線連接。數據中心節點接入GPRS向消防中心傳輸信息。系統已應用于實際,實現了本地報警和遠程監控。

  關鍵詞: 無線自組網;火災與可燃氣體監控;433 MHz;SimpliciTI協議

0 引言

  越來越多的大型復雜建筑、人員密集型場所、地下建筑、危險品存放地點等的涌現,使傳統有線報警系統[1]不能滿足要求。無線自組網[2]無需基站和鋪設通信線,覆蓋面廣,探測器可安放在任意位置,分布節點多,不受建筑條件限制,布設簡單,維護方便,成本較低,適合各種復雜建筑結構,是火災有線監控系統的一種有效補充。

  在工業上無線自組網用得較多的有ZigBee協議[3]和SimpliciTI協議[4]。在火災監控領域,對ZigBee技術也有所研究[5],但是ZigBee使用2.4 GHz頻段,穿透能力差,在建筑物內特別在復雜結構中遠不如433 MHz穿透能力強、抗干擾性好、傳輸距離遠。

  鑒于上述背景,本文研制了基于433 MHz、采用SimpliciTI協議構建無線自組網的火災報警系統。

  同時依據國家標準《火災自動報警系統設計規范2013》[6],在研制探測控制器的基礎上,將可燃氣體報警系統納入火災報警系統中,實現對火災與可燃氣體泄漏的同時監測。

1 433 MHz無線自組網與通信協議

  433 MHz無線自組網是由分布在監測區域內的433 MHz微型無線接收/發射節點,通過無線通信協議的自組織網絡系統,來采集和處理網絡覆蓋區域里的計量儀表數據。通過網絡協議,網絡拓撲能自動配置和管理,同時自組網中的無線通信接口設備能作為數據中繼使用,從而形成具有自組功能的多跳無線網絡。

  火災監控系統內的監控設備位置固定,通信協議須具備如下功能:能夠自行組建和管理通信網絡;具有多跳轉發機制,以延長通信距離;有較強的抗干擾、抗安全風險能力。

  SimpliciTI網絡協議是由TI公司開發的針對低射頻網絡的小型低功耗無線自組網絡協議,協議提供三類無線通信接口節點設備:數據中心節點設備、范圍擴展節點設備和終端節點設備。SimpliciTI網絡協議定義的網絡拓撲有點對點和星形網絡,通過范圍擴展設備,可以實現網絡拓撲擴展,以多跳形式形成樹形網絡拓撲。SimpliciTI網絡拓撲如圖1。

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  SimpliciTI協議有較遠的傳輸距離和較高的傳輸速率,適合用于火災監控系統。同時該協議源代碼開放,有利于系統開發。根據火災監控的實際布局,選用SimpliciTI協議樹形網絡拓撲。

2 系統硬件設計

  本文研制的SimpliciTI樹形網絡由終端探測器節點、中繼器節點和數據中心節點組成。以中心節點為核心,組成RF 433 MHz通信網絡進行節點間無線通信。同時中心節點接入GPRS連接消防中心PC機。

  2.1 433 MHz無線通信單元

  433 MHz無線通信單元是本設計的核心,由微處理器模塊、無線通信模塊、天線模塊和電源模塊組成。

  無線通信模塊選用TI公司開發的應用SimpliciTI協議的CC1110芯片,該芯片內含一個增強型8051MCU內核和高性能CC1101RF無線收發模塊的芯片,包含數字轉換器、定時器、32 KB Flash和4 KB RAM。同時集成了一個高度可配置的調制解調器,支持不同的調制格式,為數據包處理、突發數據傳輸等提供硬件支持。只需少量外圍元件即可完成系統射頻電路設計。由于其內含8051MCU,在終端節點設計中無需外加微處理器。

  CC1110工作于315 MHz、433 MHz、868 MHz和915 MHz的ISM(工業、科學和醫學)免費頻段,具有高靈敏度和強抗干擾性??山档烷_發運行成本并減少誤報漏報。本設計采用433 MHz頻段,主要是考慮433 MHz的強穿透性和抗干擾性,適于復雜結構建筑和電磁波干擾的區域。

  2.2 智能監控終端

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  智能終端設備包括傳感器模塊、微處理器模塊和433 MHz無線通信模塊,硬件功能如圖2所示。

  由于終端探測器中嵌入了微處理器和無線通信模塊,使其由單一信號采集功能擴展為集信號采集、數據處理和無線數據傳輸為一體的探測控制器。依據國家標準《火災自動報警系統設計規范2013》,將可燃氣體報警系統納入到火災監控系統中,實現火災煙霧與可燃氣體泄漏同時監控。

  此外,探測控制器在不宜組網建立自動報警系統的區域,可獨立使用,在煙霧或可燃氣體泄漏超過閾值時,探測器會發出聲光報警。

  智能終端設備的無線通信功能為:廣播入網請求;加入數據中心節點設定好的無線通信網絡;將采集到的火災煙霧和可燃氣體報警信息上發至數據中心。

  2.3 數據中心設備

  數據中心設備是系統的核心,擔負整個系統433 MHz組網、接收各節點數據、報警、數據存儲顯示及連接外網GPRS向遠程消防中心傳輸警報。硬件由微處理器模塊、遠程數據傳輸模塊和433 MHz無線通信模塊組成。主控制器采用MO516微處理器,實現監控與無線通信的協調功能。無線通信模塊選用CC1110芯片,GPRS單元選用SIM900A。結構如圖3。

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  數據中心設備的無線通信模塊的功能為:完成無線自組網;等待終端和中繼設備入網并為入網設備分配端口PORT號;將終端采集到的警報信息上傳到消防中心。

  2.4 中繼器

  中繼器為數據轉發單元,以微處理器MO516加無線通信模塊CC1110構成。

3 系統軟件設計

  軟件設計包括終端探測器程序設計、中繼器程序設計、數據中心程序設計。

  系統初始化之前,使用TI公司的SmartRF Studio應用程序,對系統工作的載波頻率、傳輸速率、信道寬度、數據調制方式等系統參數進行設置。

  軟件開發環境采用CCS V4.2。Code Composer Studio是TI公司開發的專門用于TI的DSP、微處理器和應用處理器的集成開發環境。

  SimpliciTI協議規定兩個設備之間進行通信時,需要有一個連接過程。連接信息中要包含一個4 B的連接標志,接受連接的設備才能允許該設備加入網絡。網絡連接是協議的關鍵步驟,主要通過偵聽、連接和加入實現設備的網絡加入。

  在SimpliciTI協議中,一個網絡地址由兩部分構成:物理地址(由程序設置)和應用層地址(PORT)。物理地址是程序編制過程設定的,網絡中的每一個設備在網絡中有唯一的硬件物理地址。應用層地址(PORT)是在設備加入過程中分配的。

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  數據中心節點程序流程如圖4。當系統上電復位后,首先進行系統的初始化,分別是BSP初始化、協議棧初始化以及定時器/串口的初始化。然后等待網絡設備的加入,如果有節點設備,建立連接分配PORT編號;如果沒有,則監測是否收到數據幀。如果有報警數據,則通過GPRS上報到遠程消防中心。

  中繼設備節點的作用是延長數據的通信距離,起到擴展設備通信距離的作用。中繼設備節點上電復位后,首先進行BSP、協議棧、定時器/串口初始化,然后向數據中心節點發送加入網絡請求,等待加入。成功加入網絡后,等待接收網絡數據幀,當收到網絡設備發送來的網絡數據幀,并判定為合法,則轉發數據信息。中繼設備程序框圖如圖5。

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  終端節點負責數據的采集。終端節點上電復位后,首先進行BSP、協議棧、定時器/串口初始化,然后打開串口中斷,發送加入網絡請求,等待加入。終端節點加入網絡后,在事先設置好的頻率或信道上發送信息序列,并使用事先設置的密鑰對數據幀進行加密和解密。對采集的數據進行處理,如果超過閾值,則將報警信息發送至數據中心。收到數據中心巡檢命令后,采集終端工作狀態信息,并發送至數據中心。終端節點程序框圖如圖6。

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4 結論

  以上介紹的終端探測控制器,將可燃氣體監控接入火災報警系統,實現了火災煙霧與可燃氣體泄漏同時監控。系統采用無線自組網數據傳輸方式,無需基站,無需布線,維護方便,可作為有線方式的有效補充。本系統已在山東、遼寧等地區應用,取得了良好效果,并取得了專利權[7]。

  參考文獻

  [1] 王軍,馬青波,隋虎林,等.火災自動報警監控聯網技術的應用與發展[J].消防技術與產品信息,2003(12):8-10.

  [2] 曹薊光.自組織網絡技術的發展趨勢[J].電信網技術,2007(7):39-42.

  [3] 丁雪蓮.ZigBee協議棧淺析[J].電腦與信息技術,2013,21(5):18-21.

  [4] 張穎,李俊莆,楊臻.基于SimpliciTI協議的無線自組織網絡系統設計[J].自動化儀表,2012,33(9):53-56.

  [5] 胡祝格,趙敏華.基于信息融合技術的無線火災探測報警系統[J].電子科技,2012,25(10):36-39.

  [6] GB50116-2013.火災自動報警系統設計規范2013[S].北京,2013.

  [7] 張瞳,陳俊愷.一種無線火災感煙報警遠程監控系統:中國,ZL 2011 2 0358796.X[P].2012-05-30.


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