摘 要： 針對復(fù)雜建筑結(jié)構(gòu)、受地理條件限制的場所布設(shè)通信線有困難的問題，研制了一種基于433 MHz無線自組網(wǎng)GPRS的火災(zāi)監(jiān)控報警系統(tǒng)。以射頻芯片CC1110為無線自組網(wǎng)核心，搭載SimpliciTI網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，實現(xiàn)各節(jié)點設(shè)備無線連接。數(shù)據(jù)中心節(jié)點接入GPRS向消防中心傳輸信息。系統(tǒng)已應(yīng)用于實際，實現(xiàn)了本地報警和遠程監(jiān)控。
關(guān)鍵詞： 無線自組網(wǎng)；火災(zāi)與可燃氣體監(jiān)控；433 MHz；SimpliciTI協(xié)議
0 引言
越來越多的大型復(fù)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(xiàn)，使傳統(tǒng)有線報警系統(tǒng)[1]不能滿足要求。無線自組網(wǎng)[2]無需基站和鋪設(shè)通信線，覆蓋面廣，探測器可安放在任意位置，分布節(jié)點多，不受建筑條件限制，布設(shè)簡單，維護方便，成本較低，適合各種復(fù)雜建筑結(jié)構(gòu)，是火災(zāi)有線監(jiān)控系統(tǒng)的一種有效補充。
在工業(yè)上無線自組網(wǎng)用得較多的有ZigBee協(xié)議[3]和SimpliciTI協(xié)議[4]。在火災(zāi)監(jiān)控領(lǐng)域，對ZigBee技術(shù)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(nèi)特別在復(fù)雜結(jié)構(gòu)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(xié)議構(gòu)建無線自組網(wǎng)的火災(zāi)報警系統(tǒng)。
同時依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《火災(zāi)自動報警系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范2013》[6]，在研制探測控制器的基礎(chǔ)上，將可燃氣體報警系統(tǒng)納入火災(zāi)報警系統(tǒng)中，實現(xiàn)對火災(zāi)與可燃氣體泄漏的同時監(jiān)測。
1 433 MHz無線自組網(wǎng)與通信協(xié)議
433 MHz無線自組網(wǎng)是由分布在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的433 MHz微型無線接收/發(fā)射節(jié)點，通過無線通信協(xié)議的自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，來采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域里的計量儀表數(shù)據(jù)。通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)拓撲能自動配置和管理，同時自組網(wǎng)中的無線通信接口設(shè)備能作為數(shù)據(jù)中繼使用，從而形成具有自組功能的多跳無線網(wǎng)絡(luò)。
火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)的監(jiān)控設(shè)備位置固定，通信協(xié)議須具備如下功能：能夠自行組建和管理通信網(wǎng)絡(luò)；具有多跳轉(zhuǎn)發(fā)機制，以延長通信距離；有較強的抗干擾、抗安全風(fēng)險能力。
SimpliciTI網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是由TI公司開發(fā)的針對低射頻網(wǎng)絡(luò)的小型低功耗無線自組網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，協(xié)議提供三類無線通信接口節(jié)點設(shè)備：數(shù)據(jù)中心節(jié)點設(shè)備、范圍擴展節(jié)點設(shè)備和終端節(jié)點設(shè)備。SimpliciTI網(wǎng)絡(luò)協(xié)議定義的網(wǎng)絡(luò)拓撲有點對點和星形網(wǎng)絡(luò)，通過范圍擴展設(shè)備，可以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)拓撲擴展，以多跳形式形成樹形網(wǎng)絡(luò)拓撲。SimpliciTI網(wǎng)絡(luò)拓撲如圖1。
SimpliciTI協(xié)議有較遠的傳輸距離和較高的傳輸速率，適合用于火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)。同時該協(xié)議源代碼開放，有利于系統(tǒng)開發(fā)。根據(jù)火災(zāi)監(jiān)控的實際布局，選用SimpliciTI協(xié)議樹形網(wǎng)絡(luò)拓撲。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
本文研制的SimpliciTI樹形網(wǎng)絡(luò)由終端探測器節(jié)點、中繼器節(jié)點和數(shù)據(jù)中心節(jié)點組成。以中心節(jié)點為核心，組成RF 433 MHz通信網(wǎng)絡(luò)進行節(jié)點間無線通信。同時中心節(jié)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(shè)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(fā)的應(yīng)用SimpliciTI協(xié)議的CC1110芯片，該芯片內(nèi)含一個增強型8051MCU內(nèi)核和高性能CC1101RF無線收發(fā)模塊的芯片，包含數(shù)字轉(zhuǎn)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(diào)制解調(diào)器，支持不同的調(diào)制格式，為數(shù)據(jù)包處理、突發(fā)數(shù)據(jù)傳輸?shù)忍峁┯布С帧Ｖ恍枭倭客鈬纯赏瓿上到y(tǒng)射頻電路設(shè)計。由于其內(nèi)含8051MCU，在終端節(jié)點設(shè)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(yè)、科學(xué)和醫(yī)學(xué)）免費頻段，具有高靈敏度和強抗干擾性?？山档烷_發(fā)運行成本并減少誤報漏報。本設(shè)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(fù)雜結(jié)構(gòu)建筑和電磁波干擾的區(qū)域。
2.2 智能監(jiān)控終端
智能終端設(shè)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(shù)據(jù)處理和無線數(shù)據(jù)傳輸為一體的探測控制器。依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《火災(zāi)自動報警系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范2013》，將可燃氣體報警系統(tǒng)納入到火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)中，實現(xiàn)火災(zāi)煙霧與可燃氣體泄漏同時監(jiān)控。
此外，探測控制器在不宜組網(wǎng)建立自動報警系統(tǒng)的區(qū)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(fā)出聲光報警。
智能終端設(shè)備的無線通信功能為：廣播入網(wǎng)請求；加入數(shù)據(jù)中心節(jié)點設(shè)定好的無線通信網(wǎng)絡(luò)；將采集到的火災(zāi)煙霧和可燃氣體報警信息上發(fā)至數(shù)據(jù)中心。
2.3 數(shù)據(jù)中心設(shè)備
數(shù)據(jù)中心設(shè)備是系統(tǒng)的核心，擔(dān)負整個系統(tǒng)433 MHz組網(wǎng)、接收各節(jié)點數(shù)據(jù)、報警、數(shù)據(jù)存儲顯示及連接外網(wǎng)GPRS向遠程消防中心傳輸警報。硬件由微處理器模塊、遠程數(shù)據(jù)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(xiàn)監(jiān)控與無線通信的協(xié)調(diào)功能。無線通信模塊選用CC1110芯片，GPRS單元選用SIM900A。結(jié)構(gòu)如圖3。
數(shù)據(jù)中心設(shè)備的無線通信模塊的功能為：完成無線自組網(wǎng)；等待終端和中繼設(shè)備入網(wǎng)并為入網(wǎng)設(shè)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(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)單元，以微處理器MO516加無線通信模塊CC1110構(gòu)成。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
軟件設(shè)計包括終端探測器程序設(shè)計、中繼器程序設(shè)計、數(shù)據(jù)中心程序設(shè)計。
系統(tǒng)初始化之前，使用TI公司的SmartRF Studio應(yīng)用程序，對系統(tǒng)工作的載波頻率、傳輸速率、信道寬度、數(shù)據(jù)調(diào)制方式等系統(tǒng)參數(shù)進行設(shè)置。
軟件開發(fā)環(huán)境采用CCS V4.2。Code Composer Studio是TI公司開發(fā)的專門用于TI的DSP、微處理器和應(yīng)用處理器的集成開發(fā)環(huán)境。
SimpliciTI協(xié)議規(guī)定兩個設(shè)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(biāo)志，接受連接的設(shè)備才能允許該設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)連接是協(xié)議的關(guān)鍵步驟，主要通過偵聽、連接和加入實現(xiàn)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)加入。
在SimpliciTI協(xié)議中，一個網(wǎng)絡(luò)地址由兩部分構(gòu)成：物理地址（由程序設(shè)置）和應(yīng)用層地址（PORT）。物理地址是程序編制過程設(shè)定的，網(wǎng)絡(luò)中的每一個設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中有唯一的硬件物理地址。應(yīng)用層地址（PORT）是在設(shè)備加入過程中分配的。
數(shù)據(jù)中心節(jié)點程序流程如圖4。當(dāng)系統(tǒng)上電復(fù)位后，首先進行系統(tǒng)的初始化，分別是BSP初始化、協(xié)議棧初始化以及定時器/串口的初始化。然后等待網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的加入，如果有節(jié)點設(shè)備，建立連接分配PORT編號；如果沒有，則監(jiān)測是否收到數(shù)據(jù)幀。如果有報警數(shù)據(jù)，則通過GPRS上報到遠程消防中心。
中繼設(shè)備節(jié)點的作用是延長數(shù)據(jù)的通信距離，起到擴展設(shè)備通信距離的作用。中繼設(shè)備節(jié)點上電復(fù)位后，首先進行BSP、協(xié)議棧、定時器/串口初始化，然后向數(shù)據(jù)中心節(jié)點發(fā)送加入網(wǎng)絡(luò)請求，等待加入。成功加入網(wǎng)絡(luò)后，等待接收網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)幀，當(dāng)收到網(wǎng)絡(luò)設(shè)備發(fā)送來的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)幀，并判定為合法，則轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)信息。中繼設(shè)備程序框圖如圖5。
終端節(jié)點負責(zé)數(shù)據(jù)的采集。終端節(jié)點上電復(fù)位后，首先進行BSP、協(xié)議棧、定時器/串口初始化，然后打開串口中斷，發(fā)送加入網(wǎng)絡(luò)請求，等待加入。終端節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)后，在事先設(shè)置好的頻率或信道上發(fā)送信息序列，并使用事先設(shè)置的密鑰對數(shù)據(jù)幀進行加密和解密。對采集的數(shù)據(jù)進行處理，如果超過閾值，則將報警信息發(fā)送至數(shù)據(jù)中心。收到數(shù)據(jù)中心巡檢命令后，采集終端工作狀態(tài)信息，并發(fā)送至數(shù)據(jù)中心。終端節(jié)點程序框圖如圖6。
4 結(jié)論
以上介紹的終端探測控制器，將可燃氣體監(jiān)控接入火災(zāi)報警系統(tǒng)，實現(xiàn)了火災(zāi)煙霧與可燃氣體泄漏同時監(jiān)控。系統(tǒng)采用無線自組網(wǎng)數(shù)據(jù)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(tǒng)已在山東、遼寧等地區(qū)應(yīng)用，取得了良好效果，并取得了專利權(quán)[7]。
參考文獻
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