摘 要： 傳統的古建筑火災監測體系采用有線網絡的方式，存在許多弊端。為了解決這個問題，結合無線傳感器網絡技術，基于CC2530芯片，針對古建筑的建筑特點和環境參數需求，設計實現了適合古建筑的火災監測系統。硬件部分設計了傳感節點，軟件部分設計了系統的路由策略。系統中傳感節點通過無線模塊將自身的溫度、光強和氣體信息送到協調器節點，協調器節點將收集到的數據通過串口送到監控主機，在監控主機軟件上顯示出來。監控主機可以通過通信網絡將這些數據送到安卓系統的手機以便于監控人員隨時了解情況。
關鍵詞： CC2530；古建筑；無線火災監測
0 引言
目前，在古建筑物早期火災探測和報警上，還是一直沿用有線網絡的方式，其線路遍布在建筑內，造成了對古建筑的破壞，同時線路本身也是很大的火災隱患。現在迫切需要一種新型的適合古建筑的火災監測系統，即用無線網絡的方式代替傳統的有線網絡，同時，無線報警系統應用型式更加靈活，系統安裝更加方便、快捷，且其安裝成本更為低廉。本文在與傳統古建筑火災監測方法比較的基礎上，參考無線傳感器網絡在農業、環境監控等領域的成功應用所體現出來的技術優勢，確定采用無線傳感器網絡來實時、精確地實現古建筑火災監測[1]。
1 無線傳感器網絡系統架構
古建筑無線火災監測網絡采用數據聚合的層次組網方式，由一個匯聚節點、多個路由節點和多個傳感節點構成。傳感節點將采集的溫度、光強和氣體信息發送給傳感節點所在簇的路由節點，路由節點把數據匯聚之后發送給匯聚節點，再通過串口傳送給監控主機，由監控主機上的軟件對數據進行記錄、反饋或傳輸到（手機）顯示終端[2]。古建筑無線火災監測系統如圖1所示。
2 基于CC2530的傳感節點硬件設計
2.1 傳感節點的硬件系統框圖
傳感節點硬件系統框圖如圖2所示，其中射頻模塊和微處理器集成在一起，采用CC2530芯片，多參數火災探測單元包括溫度傳感器模塊和煙霧傳感器模塊，同時基于節能的考慮，加入了光強感知模塊。當出現異常情況時，蜂鳴器發出警報。
2.2 處理器及射頻模塊
本文采用CC2530作為處理器和射頻模塊，如圖3所示。CC2530結合了一個完全集成了精簡指令集的8051微處理器和高性能2.4 GHz的RF收發器，是真正的片上系統解決方案。它接收靈敏度高，發送距離遠；相比于CC2430，CC2530提供了101 dB的鏈路質量以及10 dBm的發送功率，優秀的接收器靈敏度和健壯的抗干擾性，使得通信距離達350 m以上。
2.3 傳感器設計
傳感器是數據采集的核心模塊，種類繁多，用于測量各種物理量，是連接物理世界與數字網絡的接口。本文面向古建筑火災監測這一應用環境，主要使用的傳感器模塊包含溫度、煙霧濃度傳感器模塊。
2.3.1 溫度傳感器模塊
DS18B20數字溫度計是DALLAS公司生產的單總線器件，具有線路簡單、體積小的特點。只要求一個端口即可實現通信，實際應用中不需要外部任何元器件即可實現測溫，測量溫度范圍在－55℃~+125℃之間，數字溫度計的分辨率用戶可以從9位到12位選擇[3]。
2.3.2 ZYMQ-2煙霧傳感器模塊
ZYMQ-2氣敏元件的核心是AL2O3陶瓷管、SnO2敏感層、測量電極和加熱器，固定在塑料或不銹鋼制成的腔體內。封裝好的氣敏元件有6只針狀管腳，其中4個用于信號取出，外部能源通過另外2個管腳為氣敏元件的加熱器提供電流。
3 古建筑無線火災監測系統的路由策略
路由協議的主要任務是在傳感器節點和協調節點間建立路由，可靠地傳遞數據。其首要設計原則是節省能量，延長網絡系統的生存期。針對火災發生的突發性特點，為了降低整個網絡的功耗，可以借鑒典型的事件觸發路由協議TEEN協議。TEEN（Threshold sensitive Energy Efficient sensor Network protocol）協議[4]是一種基于層次結構的無線傳感器網絡路由協議，其目標是能夠對網絡中監測數據的變化做出快速反應，對于傳感屬性值高于給定閾值的數據，及時監測突發事件的反應網絡。本文在TEEN路由協議的基礎上，結合古建筑火災監測的特點，提出了一種適合古建筑火災監測的層次路由協議。下面探討具體的路由組網過程。
3.1 系統初始階段
系統初始階段，協調器首先向全網廣播一個起始消息，當所有的節點收到這個消息后，它們分別向協調器返回一個帶有節點自身ID號和節點自身剩余能量的消息[5]。
3.2 簇的建立階段
在這個階段，本文采取周期性等概率隨機選取簇首的方式，同時綜合考慮節點的剩余能量，以平衡網絡各節點的能量消耗。每輪中，每個傳感節點選擇[0，1]之間的一個隨機數，如果選定的值小于T（n），則該節點向周圍節點廣播自己成為簇頭的消息，網絡中的非簇頭節點根據接收信號的強度決定加入哪個簇，并通知相關簇頭。T（n）的計算公式為：
其中，p是簇頭占所有節點的百分比，r是目前循環進行的輪數，G是最近1/p輪中還未當選過簇頭的節點集合。Ej_cure是傳感節點J的當前剩余能量，Ej_init是傳感節點J的初始能量。
成簇完成后，協調器節點通過簇頭節點向全網節點通告兩個閾值：硬閾值和軟閾值。其中硬閾值用來監測溫度和煙霧濃度參數，當參數超過硬閾值時，表明可能有火災情況發生。軟閾值用來衡量火災參數的變化，以便對是否發生火災進行初步判斷。
3.3 簇的穩定階段
在簇的穩定階段，節點通過傳感器不斷地感知周圍環境的溫度和煙霧濃度，當節點第一次監測到數據超過硬閾值時，節點打開收發器向簇頭上報數據，并將當前監測數據保存為監測值（Sensed Value，SV）。節點繼續感知數據，只有當數據大于硬閾值，同時新數據與SV之差大于等于軟閾值時，節點才再次向簇頭發送監測數據，并將該監測數據保存在SV中。對于一些非火災引起的煙霧，傳感數據沒有顯著變化，或者煙霧消失，數據正常，節點也不傳送數據，能夠在一定程度上避免誤報的發生。
3.4 簇的重構
在簇重構過程中，如果新一輪的簇首確定，該簇首可重新設定和發布以上兩個參數。簇首通過TDMA方法實現數據調度，避免沖突碰撞。
針對古建筑的特點，在節省能量的同時實現對火災進行更好的監測。白天，古建筑有人員來往，故不必頻繁地發送采集數據，傳感器采集數據，不超過閾值時，不發送數據，有效地減少通信流量。晚上，古建筑內人員減少，巡視的時間間隔也較長，監控人員在主機上對古建筑進行整體監控。為了防止某些傳感節點出現問題，而監控人員不知情，在傳感節點上加入光敏電阻，當天黑之后，光線變暗，無論感知數據是否達到閾值要求，均要求感知節點每隔1個小時發送一次感知數據。
路由協議流程圖如圖4所示。
感知節點負責感知數據，并進行初步的判斷。感知節點把需要傳送的數據發送給路由節點，路由節點再把需要傳送的數據發送給協調器節點，之后協調器節點通過串口把數據傳送到監控主機。由于監控人員可能出現外出等情況，如果這時出現火情，監控人員將不能及時接到警報。為了解決這個問題，在本系統中，監控主機可以通過3G網絡將這些數據送到安卓系統的手機上，如圖5所示，這樣，當出現異常情況時，監控人員就能隨時隨地了解情況，及時應對。
4 結論
本文完成了傳感節點的設計和實現，通過測試，能夠實現基本的采集數據、傳送數據的功能，同時給出了適合古建筑火災監測的路由協議。接下來的工作是火災監測中，溫度、煙霧濃度的各個閾值的確定，需要通過實驗總結，在探測精度和能耗之間達到一個平衡。目前，對于建筑物內部的消防報警系統而言，沒有獨立構成的無線消防報警系統，也沒有無線消防報警系統的國家及行業驗收標準，均采用有線火災報警系統。對于古建筑，無線網絡火災監測系統可以解決傳統的有線監測系統布線復雜、造成建筑物的破壞等弊端，是古建筑火災監測的理想解決方案。同時，本文的研究也為推進我國火災監測工作的信息化、自動化與智能化奠定了理論基礎。
參考文獻
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[2] 黃鋒，劉士興，顧勤東.無線傳感器網絡節點概述[J].合肥工業大學學報（自然科學版），2008，31（8）：1208-1212.
[3] 王春雷，黃玉，柴喬林，等.基于無線傳感器網絡的火災監控系統設計與實現[J].計算機工程與設計，2007，28（10）：2320-2322.
[4] MANJESHWAR A， AGRAWAL D P. TEEN： a routing protocol for enhanced efficiency in wireless sensor networks[C]. In the Proceedings of the 1st International Workshop on Parallel and Distributed Computing Issues in Wireless Networks and Mobile Computing， 2001：2009-2015.
[5] 何莉媛，李永明，汪泉弟.無線傳感器網絡簇類路由協議的分析[J].重慶大學學報（自然科學版），2007，30（1）：50-53.