施志榮

(漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子工程學(xué)院，福建漳州 363000)

隨著城市化的快速發(fā)展，高層建筑火災(zāi)的發(fā)生率越來(lái)越高，火災(zāi)造成的損失也越來(lái)越嚴(yán)重。傳統(tǒng)的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)耗材多、布線復(fù)雜、線路易老化、維護(hù)及改造困難，已不能滿足現(xiàn)代消防的要求[1]。

本文用MQ-2傳感器、DS18B20傳感器作為火災(zāi)探測(cè)器，并結(jié)合RSSI測(cè)距技術(shù)設(shè)計(jì)了一種基于CC2530的分布式火災(zāi)報(bào)警與定位系統(tǒng)，使控制中心或消防部門能夠及時(shí)獲知火災(zāi)發(fā)生的精確位置，從而高效地指導(dǎo)火災(zāi)救援工作。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

無(wú)線火災(zāi)定位報(bào)警系統(tǒng)主要由上位機(jī)和下位機(jī)兩部分組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。上位機(jī)是由LabView平臺(tái)開(kāi)發(fā)的監(jiān)控軟件的用戶電腦。通過(guò)對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)采集到的火警信號(hào)進(jìn)行處理、記錄和顯示，根據(jù)相應(yīng)的理論模型進(jìn)行定位計(jì)算，上位機(jī)能讓用戶實(shí)時(shí)了解監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況和火災(zāi)發(fā)生的具體位置并作出快速反應(yīng)；下位機(jī)由ZigBee協(xié)調(diào)器、路由器和終端節(jié)點(diǎn)組成。協(xié)調(diào)器是分布式處理的中心。ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，只有協(xié)調(diào)器才能建立一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)建成以后，協(xié)調(diào)器就相當(dāng)于路由器[2]。路由器主要負(fù)責(zé)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的互連，實(shí)現(xiàn)不同終端節(jié)點(diǎn)之間的無(wú)線通信。終端節(jié)點(diǎn)裝有MQ-2傳感器、DS18B20傳感器作為火災(zāi)探測(cè)器，并放置于敏感的探測(cè)位置。每個(gè)探測(cè)器把檢測(cè)到的火警信號(hào)傳給協(xié)調(diào)器，最后由協(xié)調(diào)器通過(guò)串口上傳給上位機(jī)進(jìn)行定位計(jì)算和報(bào)警處理。

2 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建

2.1 系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是指網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中各個(gè)主要計(jì)算機(jī)節(jié)點(diǎn)的連接形式，反映了計(jì)算機(jī)節(jié)點(diǎn)連接的幾何形狀。無(wú)線通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要分為三種：網(wǎng)狀型、星型、樹(shù)狀型。不同的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)擁有不同的特點(diǎn)。網(wǎng)狀型可靠性高，容易擴(kuò)展，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜；星型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，但節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)路由只有唯一的一個(gè)路徑，只適合距離相對(duì)較近的應(yīng)用；樹(shù)狀型傳輸高效、維護(hù)方便，適合一些遠(yuǎn)距離的應(yīng)用。根據(jù)實(shí)際情況，火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)采用樹(shù)狀型結(jié)構(gòu)組建整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的地址分配機(jī)制

在無(wú)線火災(zāi)定位報(bào)警系統(tǒng)中，ZigBee協(xié)調(diào)器組網(wǎng)以后使用的地址是0x0000。終端節(jié)點(diǎn)通過(guò)協(xié)調(diào)器加入網(wǎng)絡(luò)時(shí)，路由器會(huì)為其分配16位的網(wǎng)絡(luò)地址。路由器子設(shè)備之間的地址間隔可以根據(jù)公式(1)求得。

(1)

其中，Lm表示網(wǎng)絡(luò)的最大深度，e表示父節(jié)點(diǎn)的深度，Cm表示父節(jié)點(diǎn)擁有的子節(jié)點(diǎn)最大數(shù)目，Rm表示父節(jié)點(diǎn)擁有的子節(jié)點(diǎn)的路由器的最大數(shù)目，Cskip(e)表示父節(jié)點(diǎn)所分配的路由器子設(shè)備之間的地址間隔。

根據(jù)公式(2)可以很容易地計(jì)算出網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)設(shè)備的節(jié)點(diǎn)地址[2]。

(2)

其中，Aparent表示父節(jié)點(diǎn)的地址，Ar表示父節(jié)點(diǎn)分配的第r個(gè)路由器地址，Az表示第z個(gè)終端設(shè)備的地址。

2.3 火災(zāi)探測(cè)器的選擇

在設(shè)計(jì)消防報(bào)警系統(tǒng)時(shí)，合理選用火災(zāi)探測(cè)器非常重要。探測(cè)器的選擇是否正確，決定系統(tǒng)能否長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。應(yīng)根據(jù)火災(zāi)監(jiān)控區(qū)域的實(shí)際情況綜合考慮后選擇適合的火災(zāi)探測(cè)器。

2.3.1 MQ-2煙霧探測(cè)器

大部分的火災(zāi)在其形成的早期會(huì)產(chǎn)生大量的煙霧。通過(guò)感煙探測(cè)器，消防報(bào)警系統(tǒng)能夠在火災(zāi)形成的早期及時(shí)報(bào)警，這對(duì)消防部門進(jìn)行火災(zāi)救援工作意義重大。MQ-2煙霧探測(cè)器是一款靈敏度高、成本低、適用于多種場(chǎng)合的煙霧探測(cè)器。為了使火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)火情，系統(tǒng)選用MQ-2作為火災(zāi)報(bào)警的感煙探測(cè)器。

2.3.2 DS18B20感溫探測(cè)器

在火災(zāi)形成的早、中期，使用感溫傳感器作為探測(cè)器進(jìn)行報(bào)警非常有效。DS18B20是美國(guó)DALLAS公司生產(chǎn)的一款數(shù)字式溫度傳感器，適合測(cè)量惡劣環(huán)境中的溫度。由于使用了CMOS技術(shù)，DS18B20體積小、使用方便、消耗電能小，并且在待機(jī)狀態(tài)時(shí)功耗基本為零，較大地提高了系統(tǒng)的抗干擾性?；谌绱硕鄡?yōu)點(diǎn)，本系統(tǒng)采用DS18B20作為火災(zāi)報(bào)警的感溫探測(cè)器。

3 基于RSSI測(cè)距的火源定位

3.1 RSSI的測(cè)距原理

ZigBee無(wú)線通信過(guò)程中，隨著傳輸距離的增大，無(wú)線信號(hào)的強(qiáng)度呈指數(shù)規(guī)律衰減。根據(jù)接收方接收到的信號(hào)強(qiáng)度，結(jié)合已知的固定節(jié)點(diǎn)發(fā)射信號(hào)的強(qiáng)度進(jìn)行傳播損耗計(jì)算，最后求得未知節(jié)點(diǎn)和固定節(jié)點(diǎn)之間的距離，這就是RSSI技術(shù)的基本原理[3-7]。

固定節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率與未知節(jié)點(diǎn)的接收功率之間的函數(shù)關(guān)系可以用公式(3)表示。

(3)

其中，PR表示接收功率，PT表示發(fā)射功率，n表示信號(hào)衰減常數(shù)，其值與環(huán)境有關(guān)；d表示接收端與發(fā)送端的距離。兩邊取對(duì)數(shù)，可得：

(4)

如果PT已知，則RSSI與被測(cè)距離d的數(shù)學(xué)關(guān)系為：

RSSI=10lgPR=A-10n×lgd.

(5)

其中，A表示信號(hào)傳播單位距離時(shí)接收到的信號(hào)強(qiáng)度。

由公式(5)可知，接收信號(hào)的強(qiáng)度指示RSSI與節(jié)點(diǎn)間的距離d的關(guān)系由常數(shù)A和n共同決定。根據(jù)實(shí)際測(cè)量可知，當(dāng)被測(cè)節(jié)點(diǎn)離地高度大于2 m時(shí)，RSSI與被測(cè)距離d的關(guān)系受天線角度的影響最小。因此，將被測(cè)節(jié)點(diǎn)都放在距離地面大約2.5 m的地方，測(cè)得RSSI值與對(duì)應(yīng)距離d數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 距離-RSSI值測(cè)量數(shù)據(jù)

運(yùn)用最小二乘法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合后得到RSSI值與距離d的關(guān)系：

RSSI=A-10n×lgd=-28.0061-10×1.98004×lgd.

(6)

擬合多項(xiàng)式誤差平方和為4.3638，擬合曲線如圖2所示。

圖2 RSSI值與距離d的擬合曲線

由圖2可知，得到的擬合曲線和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)點(diǎn)基本一致，因此可以用公式(6)去近似RSSI與距離的實(shí)際函數(shù)關(guān)系。

3.2 基于固定節(jié)點(diǎn)的距離修正

RSSI測(cè)距精度依賴于信號(hào)的強(qiáng)度和信道的傳播特性。在實(shí)際應(yīng)用中，往往會(huì)因多徑效應(yīng)、繞射、障礙物等不確定因素而產(chǎn)生較大的測(cè)距誤差。為了減小測(cè)距誤差，本文利用固定節(jié)點(diǎn)間距離的校正模型對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。

假設(shè)Pα為被測(cè)節(jié)點(diǎn)α接收到已知節(jié)點(diǎn)β信號(hào)強(qiáng)度值，Pγ為已知節(jié)點(diǎn)γ接收到已知節(jié)點(diǎn)β信號(hào)強(qiáng)度值。根據(jù)公式(3)可以得到：

(7)

求解可得基于固定節(jié)點(diǎn)的測(cè)距修正公式：

(8)

其中，dα表示α和β間的距離，dγ表示γ和β間的距離，Pβ表示節(jié)點(diǎn)β的發(fā)射功率。

3.3 未知節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)計(jì)算

選擇三個(gè)信號(hào)強(qiáng)度最強(qiáng)的已知節(jié)點(diǎn)，采用三邊測(cè)量法計(jì)算出未知節(jié)點(diǎn)位置的坐標(biāo)值[8-11]。假設(shè)A、B、C的位置已知，坐標(biāo)值分別為(xa,ya)、(xb,yb)、(xc,yc)；節(jié)點(diǎn)D的位置未知，坐標(biāo)值設(shè)為(x,y)，與點(diǎn)A、B、C的距離分別為da、db、dc。根據(jù)兩點(diǎn)的距離公式，式(9)成立。

(9)

一般情況下，可以求解出：

(10)

4 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

在7 m×4 m的房間內(nèi)，通過(guò)參考節(jié)點(diǎn)對(duì)未知節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位實(shí)驗(yàn)。根據(jù)式(6)(8)可以得到修正前、后的測(cè)距值，如表2所示。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，實(shí)際的RSSI測(cè)距往往會(huì)產(chǎn)生很大的誤差。選擇合適的固定節(jié)點(diǎn)進(jìn)行距離修正，求解得出的修正距離接近于被測(cè)距離，誤差小，能夠比較精確地計(jì)算出被測(cè)節(jié)點(diǎn)的位置。從表2可知，在7 m的被測(cè)范圍內(nèi)，由修正后的測(cè)距值計(jì)算得到的未知節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)更加接近于實(shí)際坐標(biāo)，誤差基本上可以控制在1.5 m范圍內(nèi)，效果理想。

表2 修正前、后的測(cè)量距離

5 結(jié)語(yǔ)

火災(zāi)定位報(bào)警系統(tǒng)采用多傳感器對(duì)火災(zāi)信息進(jìn)行探測(cè)，解決了傳統(tǒng)消防報(bào)警系統(tǒng)布線復(fù)雜、靈活性差、靈敏度不夠、可靠性不高的難題。同時(shí)，系統(tǒng)還利用RSSI測(cè)距技術(shù)增加了火源點(diǎn)的定位功能。當(dāng)監(jiān)控區(qū)域發(fā)生火災(zāi)時(shí)，計(jì)算機(jī)能夠及時(shí)報(bào)警，并顯示火源點(diǎn)的位置，從而指導(dǎo)相關(guān)部門高效地進(jìn)行火災(zāi)救援工作?？傊?，無(wú)線火災(zāi)定位報(bào)警系統(tǒng)成本低、安裝方便、靈敏度高、可靠性高，是應(yīng)用前景廣闊的消防報(bào)警系統(tǒng)。