楊洪艷

【摘要】 傳統(tǒng)的古建筑火災(zāi)監(jiān)測(cè)體系存在許多弊端，結(jié)合無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，本文提出了一種基于MSP430內(nèi)核的古建筑無(wú)線火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。針對(duì)古建筑的建筑特點(diǎn)和環(huán)境參數(shù)需求，設(shè)計(jì)了適合古建筑火災(zāi)監(jiān)測(cè)的傳感節(jié)點(diǎn)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)古建筑的溫度，濕度，煙霧濃度等參數(shù)。同時(shí)給出了適合古建筑火災(zāi)監(jiān)測(cè)的路由策略。

【關(guān)鍵詞】 古建筑 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò) 火災(zāi)監(jiān)測(cè)

一、基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的古建筑火災(zāi)監(jiān)測(cè)傳感節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)由傳感器模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、無(wú)線通信模塊和電源管理模塊四部分組成。

1.1處理器設(shè)計(jì)

處理器選擇了TI公司的MCU-MSP430，它是一種超低功耗的PSOC（Programmable System On Chip）微控制器。電壓可以在1.8～3.6V，最低耗電電流可達(dá)0.1μA，多種頻率時(shí)鐘源可以使系統(tǒng)靈活的實(shí)現(xiàn)最低的功率消耗。MSP430具有強(qiáng)大的處理能力，為16位RISC結(jié)構(gòu)，具有豐富的尋址方式和大量的模擬接口，眾多的寄存器和片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器可提高處理速度，編制出高效率的源程序，降低了功耗。

1.2射頻模塊設(shè)計(jì)

本文射頻模塊選用nRF905單片無(wú)線芯片，它工作在433/868/915MHz的ISM頻段。具有多通道工作，通道切換時(shí)間<650μs。功耗較低，且輸出功率可調(diào)至10dBm。具有“傳輸前監(jiān)測(cè)”的載波檢測(cè)協(xié)議，可有效預(yù)防碰撞。其最大數(shù)據(jù)傳輸率為100（曼徹斯特編碼）kbps，典型靈敏度-100dBm。POWERDOWN模式時(shí)，工作電流僅2.5 mA。

1.3傳感器設(shè)計(jì)

本文主要面向古建筑火災(zāi)監(jiān)測(cè)這一應(yīng)用環(huán)境，主要使用的傳感器模塊包含溫濕度和煙霧濃度傳感器。

1.3.1溫濕度傳感器模塊

溫濕度傳感器選用SHT10實(shí)現(xiàn)室內(nèi)溫濕度采集，分別產(chǎn)生相對(duì)濕度或溫度的信號(hào)，經(jīng)放大后分別送至14位A/D進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并經(jīng)校準(zhǔn)和糾錯(cuò)，最后通過(guò)二線串行接口將相對(duì)濕度或溫度的數(shù)據(jù)送至微控器。SHT10的溫度精度為±0. 5℃，濕度精度為±4.5%RH，可以滿足室內(nèi)溫濕度采集的需求[3]。

1.3.2煙霧濃度傳感器模塊

光電型煙霧探測(cè)模塊是通過(guò)一對(duì)紅外線發(fā)射和接收二極管實(shí)現(xiàn)的?；馂?zāi)發(fā)生時(shí)，有煙霧顆粒進(jìn)入光學(xué)探測(cè)室，使紅外光線發(fā)生散射，接收二極管收到散射光線，產(chǎn)生電流信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大后送給MSP430經(jīng)過(guò)AD轉(zhuǎn)換后進(jìn)行相關(guān)處理。

二、古建筑無(wú)線火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的路由策略

路由協(xié)議的主要任務(wù)是在傳感器節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)間建立路由，可靠地傳遞數(shù)據(jù)。針對(duì)火災(zāi)發(fā)生的突發(fā)性的特點(diǎn)，可以借鑒典型的事件觸發(fā)路由協(xié)議TEEN協(xié)議。

具體組網(wǎng)過(guò)程如下：

每個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)選擇[0 ， 1]之間的一個(gè)隨機(jī)數(shù)，如果選定的值小于T（n），則該節(jié)點(diǎn)向周圍節(jié)點(diǎn)廣播自己成為簇頭的消息，網(wǎng)絡(luò)中的非簇頭節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收信號(hào)的強(qiáng)度決定加入哪個(gè)簇，并通知相關(guān)簇頭。T（n）的計(jì)算公式為：

其中，p是簇頭占所有節(jié)點(diǎn)的百分比，r是目前循環(huán)進(jìn)行的輪數(shù)，G是最近1/p輪中還未當(dāng)選過(guò)簇頭的節(jié)點(diǎn)集合。

成簇完成后，Sink節(jié)點(diǎn)通過(guò)簇頭向全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)通告兩個(gè)閾值：硬閾值和軟閾值。其中硬閾值用來(lái)監(jiān)測(cè)溫濕度和煙霧濃度參數(shù)，當(dāng)其中參數(shù)超過(guò)一定值時(shí)，表明可能有火災(zāi)情況發(fā)生。軟閾值用來(lái)衡量火災(zāi)參數(shù)的變化，以便對(duì)是否發(fā)生火災(zāi)進(jìn)行初步判斷。在簇的穩(wěn)定階段，節(jié)點(diǎn)通過(guò)傳感器不斷地感知周圍環(huán)境的溫濕度和煙霧濃度，當(dāng)節(jié)點(diǎn)第一次監(jiān)測(cè)到數(shù)據(jù)超過(guò)硬閾值時(shí)，節(jié)點(diǎn)打開(kāi)收發(fā)器向簇頭上報(bào)數(shù)據(jù)，并將當(dāng)前監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)保存為監(jiān)測(cè)值（Sensed Value SV）。此后節(jié)點(diǎn)再次進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送時(shí)要滿足兩個(gè)條件：①當(dāng)前節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)比硬閾值大；②當(dāng)前的監(jiān)測(cè)值與SV之差的絕對(duì)值不小于軟閾值，節(jié)點(diǎn)才向簇首上報(bào)數(shù)據(jù)，并將當(dāng)前監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)保存為SV。在簇重構(gòu)過(guò)程中，如果新一輪的簇首確定，該簇首可重新設(shè)定和發(fā)布以上兩個(gè)參數(shù)。且簇首通過(guò)TDMA方法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)調(diào)度，避免沖突碰撞。

三、結(jié)論

本文完成了傳感節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，通過(guò)測(cè)試，能夠?qū)崿F(xiàn)基本的采集數(shù)據(jù)，傳送數(shù)據(jù)的功能，同時(shí)給出了適合火災(zāi)監(jiān)測(cè)的典型路由協(xié)議。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 張永平. 古建筑火災(zāi)隱患及預(yù)防措施探討[J]. 山西建筑， 2009，35（11）：191-193

[2]黃鋒，劉士興，顧勤東.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)概述[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2008， 31（8）： 1208-1212.

[3]孫利民，李建中，陳渝等.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)「M].清華大學(xué)出版社.2005.