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基于433 MHz無線自組網的火災監控報警系統

2015年微型機與應用第23期

葛嵐，陳俊愷

（煙臺金盾電氣防火檢測中心，山東煙臺 264005）

摘要： 針對復雜建筑結構、受地理條件限制的場所布設通信線有困難的問題，研制了一種基于433 MHz無線自組網GPRS的火災監控報警系統。以射頻芯片CC1110為無線自組網核心，搭載SimpliciTI網絡協議，實現各節點設備無線連接。數據中心節點接入GPRS向消防中心傳輸信息。系統已應用于實際，實現了本地報警和遠程監控。

關鍵詞： 無線自組網火災與可燃氣體監控 433MHz SimpliciTI協議

Abstract：

Key words :

　　摘要：針對復雜建筑結構、受地理條件限制的場所布設通信線有困難的問題，研制了一種基于433 MHz 無線自組網GPRS的火災監控報警系統。以射頻芯片CC1110為無線自組網核心，搭載SimpliciTI網絡協議，實現各節點設備無線連接。數據中心節點接入GPRS向消防中心傳輸信息。系統已應用于實際，實現了本地報警和遠程監控。

　　關鍵詞：無線自組網；火災與可燃氣體監控；433 MHz；SimpliciTI協議

0 引言

　　越來越多的大型復雜建筑、人員密集型場所、地下建筑、危險品存放地點等的涌現，使傳統有線報警系統[1]不能滿足要求。無線自組網[2]無需基站和鋪設通信線，覆蓋面廣，探測器可安放在任意位置，分布節點多，不受建筑條件限制，布設簡單，維護方便，成本較低，適合各種復雜建筑結構，是火災有線監控系統的一種有效補充。

　　在工業上無線自組網用得較多的有ZigBee協議[3]和SimpliciTI協議[4]。在火災監控領域，對ZigBee技術也有所研究[5]，但是ZigBee使用2.4 GHz頻段，穿透能力差，在建筑物內特別在復雜結構中遠不如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協議構建無線自組網的火災報警系統。

　　同時依據國家標準《火災自動報警系統設計規范2013》[6]，在研制探測控制器的基礎上，將可燃氣體報警系統納入火災報警系統中，實現對火災與可燃氣體泄漏的同時監測。

1 433 MHz無線自組網與通信協議

　　433 MHz無線自組網是由分布在監測區域內的433 MHz微型無線接收/發射節點，通過無線通信協議的自組織網絡系統，來采集和處理網絡覆蓋區域里的計量儀表數據。通過網絡協議，網絡拓撲能自動配置和管理，同時自組網中的無線通信接口設備能作為數據中繼使用，從而形成具有自組功能的多跳無線網絡。

　　火災監控系統內的監控設備位置固定，通信協議須具備如下功能：能夠自行組建和管理通信網絡；具有多跳轉發機制，以延長通信距離；有較強的抗干擾、抗安全風險能力。

　　SimpliciTI網絡協議是由TI公司開發的針對低射頻網絡的小型低功耗無線自組網絡協議，協議提供三類無線通信接口節點設備：數據中心節點設備、范圍擴展節點設備和終端節點設備。SimpliciTI網絡協議定義的網絡拓撲有點對點和星形網絡，通過范圍擴展設備，可以實現網絡拓撲擴展，以多跳形式形成樹形網絡拓撲。SimpliciTI網絡拓撲如圖1。

　　SimpliciTI協議有較遠的傳輸距離和較高的傳輸速率，適合用于火災監控系統。同時該協議源代碼開放，有利于系統開發。根據火災監控的實際布局，選用SimpliciTI協議樹形網絡拓撲。

2 系統硬件設計

　　本文研制的SimpliciTI樹形網絡由終端探測器節點、中繼器節點和數據中心節點組成。以中心節點為核心，組成RF 433 MHz通信網絡進行節點間無線通信。同時中心節點接入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公司開發的應用SimpliciTI協議的CC1110芯片，該芯片內含一個增強型8051MCU內核和高性能CC1101RF無線收發模塊的芯片，包含數字轉換器、定時器、32 KB Flash和4 KB RAM。同時集成了一個高度可配置的調制解調器，支持不同的調制格式，為數據包處理、突發數據傳輸等提供硬件支持。只需少量外圍元件即可完成系統射頻電路設計。由于其內含8051MCU，在終端節點設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、科學和醫學）免費頻段，具有高靈敏度和強抗干擾性。可降低開發運行成本并減少誤報漏報。本設計采用433 MHz頻段，主要是考慮433 MHz的強穿透性和抗干擾性，適于復雜結構建筑和電磁波干擾的區域。

　　2.2 智能監控終端

　　智能終端設備包括傳感器模塊、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、數據處理和無線數據傳輸為一體的探測控制器。依據國家標準《火災自動報警系統設計規范2013》，將可燃氣體報警系統納入到火災監控系統中，實現火災煙霧與可燃氣體泄漏同時監控。

　　此外，探測控制器在不宜組網建立自動報警系統的區域，可獨立使用，在煙霧或可燃氣體泄漏超過閾值時，探測器會發出聲光報警。

　　智能終端設備的無線通信功能為：廣播入網請求；加入數據中心節點設定好的無線通信網絡；將采集到的火災煙霧和可燃氣體報警信息上發至數據中心。

　　2.3 數據中心設備

　　數據中心設備是系統的核心，擔負整個系統433 MHz組網、接收各節點數據、報警、數據存儲顯示及連接外網GPRS向遠程消防中心傳輸警報。硬件由微處理器模塊、遠程數據傳輸模塊和433 MHz無線通信模塊組成。主控制器采用MO516微處理器，實現監控與無線通信的協調功能。無線通信模塊選用CC1110芯片，GPRS單元選用SIM900A。結構如圖3。

　　數據中心設備的無線通信模塊的功能為：完成無線自組網；等待終端和中繼設備入網并為入網設備分配端口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

　　中繼器為數據轉發單元，以微處理器MO516加無線通信模塊CC1110構成。

3 系統軟件設計

　　軟件設計包括終端探測器程序設計、中繼器程序設計、數據中心程序設計。

　　系統初始化之前，使用TI公司的SmartRF Studio應用程序，對系統工作的載波頻率、傳輸速率、信道寬度、數據調制方式等系統參數進行設置。

　　軟件開發環境采用CCS V4.2。Code Composer Studio是TI公司開發的專門用于TI的DSP、微處理器和應用處理器的集成開發環境。

　　SimpliciTI協議規定兩個設備之間進行通信時，需要有一個連接過程。連接信息中要包含一個4 B的連接標志，接受連接的設備才能允許該設備加入網絡。網絡連接是協議的關鍵步驟，主要通過偵聽、連接和加入實現設備的網絡加入。

　　在SimpliciTI協議中，一個網絡地址由兩部分構成：物理地址（由程序設置）和應用層地址（PORT）。物理地址是程序編制過程設定的，網絡中的每一個設備在網絡中有唯一的硬件物理地址。應用層地址（PORT）是在設備加入過程中分配的。

　　數據中心節點程序流程如圖4。當系統上電復位后，首先進行系統的初始化，分別是BSP初始化、協議棧初始化以及定時器/串口的初始化。然后等待網絡設備的加入，如果有節點設備，建立連接分配PORT編號；如果沒有，則監測是否收到數據幀。如果有報警數據，則通過GPRS上報到遠程消防中心。

　　中繼設備節點的作用是延長數據的通信距離，起到擴展設備通信距離的作用。中繼設備節點上電復位后，首先進行BSP、協議棧、定時器/串口初始化，然后向數據中心節點發送加入網絡請求，等待加入。成功加入網絡后，等待接收網絡數據幀，當收到網絡設備發送來的網絡數據幀，并判定為合法，則轉發數據信息。中繼設備程序框圖如圖5。

　　終端節點負責數據的采集。終端節點上電復位后，首先進行BSP、協議棧、定時器/串口初始化，然后打開串口中斷，發送加入網絡請求，等待加入。終端節點加入網絡后，在事先設置好的頻率或信道上發送信息序列，并使用事先設置的密鑰對數據幀進行加密和解密。對采集的數據進行處理，如果超過閾值，則將報警信息發送至數據中心。收到數據中心巡檢命令后，采集終端工作狀態信息，并發送至數據中心。終端節點程序框圖如圖6。