CN103049976A

CN103049976A - 基于无线传感器网络的多参数火灾探测节点

Info

Publication number: CN103049976A
Application number: CN2012105162728A
Authority: CN
Inventors: 陈庭贵; 许翀寰; 王杰
Original assignee: Zhejiang Gongshang University
Current assignee: Zhejiang Gongshang University
Priority date: 2012-11-30
Filing date: 2012-11-30
Publication date: 2013-04-17

Abstract

一种基于无线传感器网络的多参数火灾探测节点，所述多参数火灾探测节点包括无线传感器网络通信节点和多参数火灾探测单元，所述多参数火灾探测单元包括温湿度探测器、烟雾探测器和用以检测是否发生火灾的智能探测控制器，所述智能探测控制器包括：火灾检测参数设定模块和火灾发生判断模块，所述火灾发生判断模块与所述无线传感器网络通信节点连接。本发明提供一种实时性良好、精确性良好的基于无线传感器网络的多参数火灾探测节点。

Description

基于无线传感器网络的多参数火灾探测节点

技术领域

本发明涉及无线传感网络领域，尤其是一种基于无线传感器网络的火灾探测节点。

背景技术

火灾探测是通过检查火灾发生时的火灾特征参数信号，判断火灾是否发生，是实现火灾预警的重要手段。传统的火灾探测报警采用的是有线的方式，以这种方式布置的火灾探测系统在名胜古迹等特殊场景中往往会对建筑物的功能性和艺术性造成一定程度的破坏。无线火灾报警系统有着无线、安装方便的好处，可以最大程度地减少对古建筑艺术性的破坏。无线传感器网络的自组织性，使得探测系统可以在很短的时间内完成自动结网。设计基于无线传感器网络的多参数火灾探测节点，开发高可靠性的早期火灾探测系统，是实现无线火灾探测的有效手段。

无线传感器网络是通过无线网络通讯的方式，实现感知和获取客观物理世界的参数信息。无线传感网络不同与传统网络的显著特征是针对具体应用来研究无线传感器网络技术。传感器节点能够敏感地感应环境参数的快速变化，具有检测精度高和具备实时性的优点，在无人值守的环境检测、灾害扑救等特殊领域，无线传感器网络具有传统技术无可比拟的优势。

发明内容

为了克服已有火灾探测节点的实时性较差、精确性较差的不足，本发明提供一种实时性良好、精确性良好的基于无线传感器网络的多参数火灾探测节点。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于无线传感器网络的多参数火灾探测节点，所述多参数火灾探测节点包括无线传感器网络通信节点和多参数火灾探测单元，所述多参数火灾探测单元包括温湿度探测器、烟雾探测器和用以检测是否发生火灾的智能探测控制器，所述智能探测控制器包括：

火灾检测参数设定模块，用以设定火灾检测参数，参数包括温度t、温度变化量dt、烟雾测量值s、烟雾量增加量ds，其中t和s是探测器采集的数据值, dt为两次温度采样的差值, 当本次温度比上次高时dt+1，否则dt- 1；烟雾量增加值DS = 当前ds值+(本次s值- 上次s值) /8，如果ds< 0则DS = 0；

火灾发生判断模块，用以在相对湿度值小于阈值的条件下, 满足以下4个判据之一，即判断有火灾发生；判据1：DS > 5且dt> 3；判据2：DS >12；判据3：t≥温度阈值；判据4： s≥烟雾浓度阈值。

所述火灾发生判断模块与所述无线传感器网络通信节点连接。

进一步，所述智能探测控制器还包括：最短路径路由模块，用以将多参数火灾探测节点在加入网络过程中在本地维护一个邻居节点列表，列表中存放的是距离基站跳数最少的邻居节点；传送数据时, 节点将从列表中随机选择一个邻居节点作为下一跳路由节点, 该邻居节点再以同样方式转发数据, 直到数据传到基站；目的节点收到数据包后,向源节点回复一个确认信息，源节点发送完一个数据包后, 需等待目的节点发回一个确认帧，如果在预定时间内没收到确认帧，则向目的节点重发该数据包。

本发明的技术构思为：基于无线传感器网络的火灾实时监控，是通过把大量的廉价的微型低功耗传感器节点自动组成无线网络，实时采集湿度、温度、烟雾浓度和光亮度等环境参数，实现对监控区域异常情况的迅速反映。结合高效的传感器网络节点和火点定位算法，可以迅速、准确地查明火源发生地；在火灾预测预报和蔓延模型支持下，利用实时获取的数据不断对模型进行修正，实现对敏感域火险的精确预测。

本发明的有益效果主要表现在：有效地解决了城市景区古建筑火灾的识别问题。使用基于无线网络的火灾探测报警系统，可以在较大程度上减小安装火灾探测系统对城市景区古建筑功能性和艺术性的损坏。

附图说明

图1是本发明火灾探测节点的硬件结构图。

图2是本发明方法火灾探测节点工作流程图。

图3是本发明方法多跳网络拓扑结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1～图3，一种基于无线传感器网络的多参数火灾探测节点，火灾探测节点的硬件结构如图1所示, 由无线传感器网络通信节点和多参数火灾探测单元组成。基站在硬件结构上没有火灾参数探测单元,专门负责传感器网络的数据传输与收集。

火灾探测单元由温湿度探测和光电型烟雾探测两个模块组成, 分别实现温湿度和烟雾浓度的探测; 探测模块采用低功耗设计, 温湿度传感器平均工作电流28 uA, 烟雾探测放大器平均工作电流约为0.7mA。光电感烟机理是烟颗粒和光相互作用时, 粒子以同样波长再辐射己经接收的能量, 通常在不同方向上其再辐射强度不同, 这个过程称为散射。火灾烟雾的监测采用前向光散射探测方式, 主要由光学探测室及相关电路组成。火灾发生时, 有烟颗粒进入光学探测室,红外光经烟颗粒散射到达光敏二极管, 产生电流信号,且散射光信号随烟雾浓度增加而加大, 信号经微处理器内嵌ADC 做模数转换作为烟雾探测数据。

温湿度监测采用智能型温湿度传感芯片SHT11, 提供全量程标定的数字输出。传感器包括一个电容性聚合体湿度敏感元件和一个用能隙材料制成的温度敏感元件, 两只传感器分别产生相对湿度或温度的信号, 信号放大后分别送至14 位的ADC进行模数转换, 经校准和纠错,最后通过二线串行接口将相对湿温度数据送至微处理器。

无线火灾探测节点控制软件可分为四层, 依次为: 底层硬件驱动、通信协议层(MAC 协议和路由协议)、操作系统和应用任务。底层硬件驱动包括射频芯片CC2420 的驱动、探测器模块驱动以及微处理器驱动。微处理器通过SPI总线与CC2420通信, 可方便地实现对射频芯片配置和数据收发, 读写F IFO 等。探测器模块驱动实现对传感器探测数据的获取, 首先进行温湿度测量和获取数据; 再启动光电烟雾探测, 微处理器内嵌ADC实现对烟雾探测信号的模数转换, 获得烟浓度数字量。微处理器进行火灾判断和数据打包的工作, 应用任务层通过接口调用完成从火灾参数的探测到数据处理的一系列操作。

早期火灾信号具有随机性、非结构性和趋势特征等特点，基于以上特点，

本发明采用的火灾探测算法的主要步骤如下。

1. 火灾检测参数的描述：本发明设计了以下火灾检测参数，参数包括单节点火灾判据包括温度t、温度变化量dt、烟雾测量值s、烟雾量增加量ds。其中t和s是探测器采集的数据值, dt为两次温度采样的差值, 当本次温度比上次高时dt+ 1, 否则dt- 1; 烟雾量增加值ds= 当前ds值+(本次s值- 上次s值) /8, 如果ds< 0则ds = 0。

2. 火灾发生的判断的依据：在相对湿度值小于阈值的条件下, 满足以下4个判据之一，即判断有火灾发生, 判据1, ds> 5且dt> 3;判据2, ds>12; 判据3, t≥温度阈值; 判据4, s≥烟雾浓度阈值。判据1是对明火的, 由于明火烟雾较少, 但温度明显上升, 所以当温度上升, 且有少量烟雾时则可认为是有火灾发生。判据2是针对早期阴燃火, 当探测到烟雾有明显的上升时, 认为发生早期火灾;判据3、4是采用阈值判断算法, 在实验中温度阈值设为40℃ , 烟雾阈值设为45%。引入湿度条件旨在防止水蒸汽引起的误报, 通过湿度的补偿, 可以弥补光电烟雾探测对水汽敏感引起的误报。

节点MAC 层数据传输的信道接入机制的算法设计：节点MAC 层数据传输的信道接入机制采用CSMA /CA 算法。

1.节点CSMA/CA算法的参数描述：算法中有三个重要的参数由每个要传送数据的设备去维护: NB(后退次数, 初始值为0)、CW (碰撞窗口, 初始值为2) , BE (后退指数, 初始值为2)。

2. 最短路径的路由算法描述：本发明设计了一种最短路径的路由算法实现数据的多跳传送。节点在加入网络过程中在本地维护一个邻居节点列表, 列表中存放的是距离基站跳数最少的邻居节点。传送数据时, 节点将从列表中随机选择一个邻居节点作为下一跳路由节点,该邻居节点再以同样方式转发数据, 直到数据传到基站。例如图2中, h表示跳数节点, 节点D 不在基站的通信范围内, 数据需要通过邻居节点转发, 图中节点A、B、C 都是邻居节点, 但是由于节点C到基站要经过2跳( h= 2), 若以节点C 为下一跳节点则从节点D 到基站为3跳, 而A、B 只需1跳, 所以节点D 会将A、B 存放在邻居节点列表中, 作为下一跳路由选择节点, 使其到基站的跳数为2。这样不仅降低了节点能耗, 也减轻了网络负荷。参考IEEE802.15. 4 标准, 建立了包序号检查机制以保证数据包在传输过程中不发生重复传送,避免不必要的网络数据传送负荷。并采用数据传输确认机制和包序号检查机制保证数据传输的可靠性, 目的节点收到数据包后, 向源节点回复一个确认信息( ACK 帧)。源节点发送完一个数据包后, 需等待目的节点发回一个确认帧, 如果在预定时间内没收到ACK帧, 则向目的节点重发该数据包。

3.应用任务描述：应用任务主要包括: 组网请求、火灾特征参数探测、数据发送以及数据接收和处理。为了提高系统运行的实时性和稳定性, 满足探测节点的低功耗要求, 应用任务的执行通过中断方式实现的。

4. 探测节点的软件工作流程描述：探测节点的软件工作流程如图3所示, 在联网工作状态, 控制器将执行火灾监测任务, 采集温湿度和烟雾浓度数据进行分析处理, 通过火灾判据算法确定是否有火灾发生, 并发送判据结果。

6）后台监控软件和数据处理描述

利用图形化编程工具LabV IEW 设计了运行在PC 机上的后台软件,处理分析传感信息和路由信息, 显示相应节点的温湿度、烟雾浓度值以及节点的路由信息, 并将多个节点火灾特征参数进行融合处理。后台软件功能通过5个并行线程实现, 线程1和线程2实现报警功能,当接收到的节点数据中判断发生火灾时, 便发出声光报警; 线程3读取串口数据并进行分处理, 线程4、5实现节点间通信模拟和显示数据曲线。为进一步提高报警的准确度, 减少误报和漏报, 在探测节点首先进行初步判断, 将数据传送到计算机上后再采用基于神经网络算法的数据融合技术, 将节点送来的温湿度测量值和烟雾量及报警值三者融合处理。

Claims

1.一种基于无线传感器网络的多参数火灾探测节点，其特征在于：所述多参数火灾探测节点包括无线传感器网络通信节点和多参数火灾探测单元，所述多参数火灾探测单元包括温湿度探测器、烟雾探测器和用以检测是否发生火灾的智能探测控制器，所述智能探测控制器包括：

火灾发生判断模块，用以在相对湿度值小于阈值的条件下, 满足以下4个判据之一，即判断有火灾发生；判据1：DS > 5且dt> 3；判据2：DS >12；判据3：t≥温度阈值；判据4： s≥烟雾浓度阈值；

2.如权利要求1所述的基于无线传感器网络的多参数火灾探测节点，其特征在于：所述智能探测控制器还包括：

最短路径路由模块，用以将多参数火灾探测节点在加入网络过程中在本地维护一个邻居节点列表，列表中存放的是距离基站跳数最少的邻居节点；传送数据时, 节点将从列表中随机选择一个邻居节点作为下一跳路由节点, 该邻居节点再以同样方式转发数据, 直到数据传到基站；目的节点收到数据包后, 向源节点回复一个确认信息，源节点发送完一个数据包后, 需等待目的节点发回一个确认帧，如果在预定时间内没收到确认帧，则向目的节点重发该数据包。