CN114040354A - 基于无线传感器网络的多传感器火灾定位监测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于无线传感器网络的火灾定位报警系统，包括火灾数据及节点电量采集子系统，数据传输子系统和数据监控处理中心。火灾数据及节点电量采集子系统负责火场内的火灾参数采集和传输；数据传输子系统负责将多个火情参数采集节点收集到的数据信息进行一次打包处理，并发送到协调器节点，再由协调器节点负责接收监测区域内各个路由节点发送的火情监测数据，并通过wifi将其转发至物联网云平台；数据监控处理中心负责处理通过云平台传来的火情监测数据，通过模糊神经网络输出报警结果，通过改进DV‑Hop算法确定火源位置，并且具有实时显示监测区域内火灾参数、查询历史火情数据和火灾报警功能。
Description
技术领域
本发明涉及火灾定位报警技术领域，尤其涉及一种基于无线传感器网络的多传感器火灾定位监测系统。
背景技术
在日常生活中火灾是经常发生的，它既会威胁人们的生命安全也会造成严重的经济损。一旦在人流密集的地区发生火灾，火势会迅速蔓延，危及到周边地区，造成重大的人员伤亡和经济损失。所以，智能火灾探测系统的建立就显得至关重要，火灾的有效预防和救治也越来越受到国家和人民的高度重视和广泛关注。
传统的火灾报警系统采用的都是有线连接方式，随着使用时间变长，设备可靠性较差，故障频率高，误报多。基于无线传感器网络的无线消防系统利用无线传输，很好地避免了布线复杂等问题。传感器将采集到的数据收集到上位机进行数据处理，进行数据处理的上位机根据接收到的数据进行分析和判断后执行防灾动作，并将结果上报给管理员。管理员根据系统检测出的数据即可判断火灾是否发生或者即将发生，并可以直接操作系统来针对不同的情况采取措施，尽可能的在火情发生前进行处理来阻止火灾造成的损失。其中，无线传感器网络在消防检测系统中提高了布网的灵活性，将检测效率和成本控制在很低的程度。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种可靠性高、适用性强、性价比高的基于无线传感器网络的智能化火灾监测定位系统。
为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：
提供一种基于无线传感器网络的多传感器火灾定位监测系统，它包括：
火灾数据及节点电量采集子系统：火灾参数采集节点负责火场内的火灾参数采集和传输；
数据传输子系统：由路由节点和协调器节点构成，路由节点负责将多个火情参数采集节点收集到的数据信息进行一次打包处理，并发送到协调器节点；协调器节点负责接收监测区域内各个路由节点发送的火情监测数据，并通过wifi将其转发至物联网云平台；
数据监控处理中心：数据监控处理中心负责处理通过云平台传来的火情监测数据，通过DV-Hop算法确定火源位置，并且具有实时显示监测区域内火灾参数、查询历史火情数据和火灾报警功能。
进一步的，所述的火灾数据及节点电量采集子系统包括传感器模块、ZigBee模块和电量检测模块，所述的传感器模块包括温度传感器、烟雾传感器和一氧化碳传感器，所述的传感器模块将收集到的火情参数传送给ZigBee模块，再由ZigBee模块传输至路由节点。
更进一步的，所述的ZigBee模块选用型号CC2530F256芯片，CC2530F256芯片集成单片机、ADC、无线通信模块于一体，能够以非常低的总的材料成本建立强大的网络节点，提供一个完整的ZigBee解决方案。
可选的，所述的温度传感器可以采用型号DHT11温度传感器。
可选的，所述的烟雾浓度检测传感器可以选用型号MQ-2烟雾浓度检测传感器。
可选的，所述的一氧化碳传感器可以选用型号MQ-7的CO传感器。
可选的，所述的电量检测模块可以选用型号DS2786G芯片。
与现有技术相比，本发明有益效果在于：
(1)使用无线传感器网络作为火灾数据采集节点，避免了传统火灾监测布线困难，维护困难，误报率高等问题。
(2)将数据采集系统和传输系统安装于小体积的壳体内，方便安装和维修，可使用于不同的火灾场景，泛用性强。
(3)每个火灾探测节点上都设有报警提示的功能单元，当探测节点检测到其所处的地方发生火灾时，多个传感器监测到的火灾参数传送至数据监控处理中心，经过模糊神经网络处理后，做出是否报警的最终决策，大大减少了误报率，并将通过改进的无线传感器网络定位算将火灾发生具体位置发送至上位机进行显示。
(4)火灾监测节点可实时将火灾数据传输至云平台，上位机可随时从云平台读取历史火灾数据。
(5)每个火灾探测节点都设置了电源检测模块，便于及时发现电量不足的节点并更换，以免影响到整个网络的数据传输。
(6)该系统结构轻巧简单，智能化程度高，可靠性高，误报率低，实用性强，能够实现火源定位，查询历史环境数据，实时监测报警的功能。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种基于无线传感网络的多传感器火灾定位监测系统结构示意图；
图2为ZigBee模块电路原理图；
图3为温湿度传感器DHT11原理图；
图4为烟雾浓度检测传感器MQ-2原理图；
图5为电池电量检测电路DS2786G原理图
图6为火灾监测节点程序流程图；
图7为路由节点程序流程图；
图8为协调器节点程序流程图；
图9为报警模块数据分析流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参照图1，本发明提供了基于无线传感器网络的多传感器火灾定位监测系统，包括：
火灾数据及节点电量采集子系统：火灾参数采集节点负责火场内的火灾参数采集和传输；
数据传输子系统：由路由节点和协调器节点构成，路由节点负责将多个火情参数采集节点收集到的数据信息进行一次打包处理，并发送到协调器节点；协调器节点负责接收监测区域内各个路由节点发送的火情监测数据，并通过wifi将其转发至物联网云平台；
数据监控处理中心：远程火情监控中心负责处理通过云平台传来的火情监测数据，通过DV-Hop算法确定火源位置，并且具有实时显示监测区域内火灾参数数据和节点电量信息、查询历史火情数据和火灾报警功能。
所述的火灾参数采集节点包括传感器模块、ZigBee模块和电量检测模块，所述的传感器模块包括温度传感器、烟雾传感器和一氧化碳传感器，所述的传感器模块将收集到的火情参数传送给ZigBee模块，再由ZigBee模块传输至路由节点。
所述的ZigBee模块选用型号CC2530F256芯片，CC2530F256芯片集成单片机、RF收发器、Flash存储器等于一体，能够以极低成本建立强大的网络节点，具有低功耗、高接收灵敏度和抗干扰能力等特点，可以提供一个完整的ZigBee解决方案。为了能够准确发现异常的火灾监测节点，每一个节点都有自己对应的编号，可以通过改进后的DV-Hop算法，定位出具体节点的位置。Zigbee模块的主要电路如图2所示。
所述的温湿度传感器采用型号DHT11温湿度传感器。DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、计量精确度高、速度快、耗电量小、性价比极高等优点。超小的体积、极低的功耗，信号传输距离可达20米以上，原理如图3所示。
所述的烟雾浓度检测传感器选用型号MQ-2烟雾浓度检测传感器。MQ-2芯片广泛适用于家庭用气体泄漏报警器、工业用可燃气体报警器以及便携式气体检测仪器。可以在较宽的浓度范围内对丙烷、烟雾等有良好的灵敏度，具有长寿命、低成本、驱动电路简单等优点，其电路图如图4所示。
所述的电池电量检测模块选用DS2786G芯片是基于开路电压的独立式电量计，电池的剩余电量会以百分比的方式输出，电池的电压、电流、温度以及计算电量所需的电池特性参数及其他数据都存储在芯片的EEPROM里。该芯片通过开路电压和库仑计相结合的方式计算电池电量，且不需要芯片对电池特性进行学习，具有性能好、兼容性强、易实现等优点。其电路图如图5所示。
参照图6，火灾监测节点在开启电源后，CC2530芯片首先进行初始化并尝试进入无线传感网络，当进行若干次尝试并最终进入网络后，节点将定期采集监测区域内的温湿度和烟雾浓度信息并将其传送至上层节点。
参照图7，当路由节点开启电源后，CC2530芯片进行初始化并建立一个网络，在获得火灾监测节点请求加入的信息后，路由节点根据实际需要决定是否允许该火情参数采集节点加入。
参照图8，当协调器节点开启电源后，CC2530芯片进行初始化并建立一个网络，再根据优先级响应不同的请求。该节点可以给新加入的节点分配地址，将从路由节点和终端节点接收来的数据发送至物联网云平台，实现数据共享的功能，还可以按照上位机发送的命令完成相应数据的读取。
对基于无线传感网络森林火灾定位监测系统测试：在基于无线传感网络火灾定位监测系统测试实验中采用CC2530芯片，采用TI公司开发的Z-Sensor Monitor软件进行火情参数信息的显示。
基于无线传感网络森林火灾定位监测系统的远程火情监控中心的界面是基于QT开发平台，运用C++语言开发完成的一套简单、适用、便于操作的界面，主要由火情数据监测模块、数据分析、火灾预警模块以及历史火情数据查询等模块组成。火情数据监测模块主要负责实时监测温湿度和烟雾浓度等火情数据。
当火灾数据出现异常或超出阈值时，发生火灾区域所对应的监测节点会发生报警，能够进行实时火灾预警以便于及时发现火灾发生的区域。终端探测节点会将监测到的火灾数据打包发送至远程火情监控中心，如图9所示，为了减少误报率，火灾报警模块会将火灾数据通过模糊神经网络，智能化分析当前发生火灾的概率并决定是否报警，以便于相关部门采取具有针对性措施阻止火情发展，从而避免火灾的蔓延。
当出现火灾报警时，数据分析模块采用的一种改进DV-Hop的定位算法，根据采集数据进行火灾发生位置的定位分析。算法步骤如下：
S1、所有信标节点以广播的模式将自身位置信息和初始跳数值0发送给通信区域内的所有节点，未知节点接收到该数据后，保留该数据，并将接收到的跳数值加1，继续转发至网络中的所有未知节点均能获得到每个信标节点的最小跳数。
S2、通过以下公式计算信标节点每跳的平均距离：
其中(xi，yi)和(xj，yj)为信标节点的坐标，Hopij为信标节点i与信标节点j的最小跳数(其中i≠j)。
在改进的算法中，使用网络中所有信标节点的平均跳距来计算未知节点的平均跳距。假设信标节点有m个，它们的坐标为(xi，yi)，i＝1，2，…m，那么未知节点O的平均跳距为：
其中，Hopsizeo是末知节点O的平均跳距，Hopoi是末知节点O与信标节点(xi，yi)之间的跳距，Hopsizei是信标节点(xi，yi)的平均跳距。将未知节点的平均跳距与未知节点到信标节点的最小跳数相乘来计算该节点与信标节点间的距离。具体计算如式所示：
doi＝Hopsizeo×Hopoi
S3、从三个或者更多的信标节点得到信息后，可以通过最小二乘法来计算未知节点的坐标。假设未知节点的坐标为(x，y)，信标节点的坐标(xk，yk)，k＝1，2，…N。根据公式计算出信标节点到未知节点的距离后，未知节点的坐标可以用如下公式计算：
(x-xk)2+(y-yk)2＝dk 2
可以将上式转变成如下：
AX＝b
其中，
X＝(x，y)T
上式可以用最小二乘法来计算：
X＝(ATA)-1ATb
其中T代表矩阵的转置。
历史火情数据查询模块主要是根据时间段的选择来查找该时间内具体某个节点的温湿度和烟雾浓度等火情数据，以表格和折线图的形式呈现，以便于研究该区域内的火灾预警趋势。
需要说明的是，在本文中，诸如术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (8)
1.一种基于无线传感器网络的多传感器火灾定位监测系统，其特征在于，所述监测系统包括：
火灾数据及节点电量采集子系统：火灾参数采集节点负责火场内的火灾参数采集和传输；
数据传输子系统：由路由节点和协调器节点构成，路由节点负责将多个火情参数采集节点收集到的数据信息进行一次打包处理，并发送到协调器节点；协调器节点负责接收监测区域内各个路由节点发送的火情监测数据，并通过wifi将其转发至物联网云平台；
数据监控处理中心：远程火情监控中心负责处理通过云平台传来的火情监测数据，通过DV-Hop算法确定火源位置，并且具有实时显示监测区域内火灾参数数据和节点电量信息、查询历史火情数据和火灾报警功能。
2.根据权利要求1所述的一种基于无线传感器网络的多传感器火灾定位监测系统，其特征在于，所述火灾数据及节点电量采集子系统包括传感器模块、ZigBee模块和电量检测模块，所述的传感器模块包括温度传感器、烟雾传感器和一氧化碳传感器，所述的传感器模块将收集到的火情参数传送给ZigBee模块，再由ZigBee模块传输至路由节点。
3.根据权利要求2所述的基于无线传感网络的多传感器火灾定位监测系统，其特征在于，所述的ZigBee模块选用型号CC2530F256芯片，CC2530F256芯片集成单片机、ADC、无线通信模块于一体。
4.根据权利要求2所述的一种基于无线传感器网络的多传感器火灾定位监测系统，其特征在于，所述的温湿度传感器采用型号DHT11温湿度传感器。
5.根据权利要求2所述的一种基于无线传感器网络的多传感器火灾定位监测系统，其特征在于，所述的烟雾浓度检测传感器选用型号MQ-2烟雾浓度检测传感器。
6.根据权利要求2所述的一种基于无线传感器网络的多传感器火灾定位监测系统，其特征在于，所述的一氧化碳传感器选用型号MQ-7的CO传感器。
7.根据权利要求2所述的一种基于无线传感器网络的多传感器火灾定位监测系统，其特征在于，所述的电量检测模块选用型号DS2786芯片。
8.根据权利要求1所述的一种基于无线传感器网络的多传感器火灾定位监测系统，其特征在于，所述的实时显示功能是基于Qt开发的。
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