一种基于多传感器的防火网络设计_刘国雄.pdf

-91-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Feb.2023中国科技信息 2023 年第 3 期三星推荐近年来，随着城市规模的日趋增大、人口密度的持续增加、高层建筑的大量出现，火灾的预防和救援工作受到了日益严峻的挑战。在高层大型建筑的火灾防控过程中，传统模式下的少量监测节点无法满足要求，必须增加火灾防控的覆盖范围。因此，利用现代通信技术、传感器技术构建防火网络，成为城市火灾防控的发展趋势。传感器有线接入方式，对布线、线路材料要求、走线要求都有很多限制，制约了防火网络构筑的灵活性和便捷性。为此，采用无线通信技术构建多传感器的防火网络成为一种重要的技术手段。本文根据防火区域的总体面积、总体带宽等技术指标，对传感器的数量、无线通信的体系结构进行总体设计，进而进行软件设计和性能测试，构建基于多传感器的防火网络，以期给城市防火工作提供借鉴。多传感器防火网络的总体设计从总体设计思路上看，大型建筑的防火网络应该是一个分层次的多节点的监控网络。在底层，每一个监测点位上，火灾预警指标应该通过特殊气体（如 CO）传感器捕获，并通过本节点上的无线通信模块向中间层节点传递。在中间层，每一个中继节点应该具有上传下达的能力，接受底层节点的信息反馈到上层节点，并可以根据上层节点的控制完成防火网络的局部自组网。在上层，主要配置一个总控的计算机，负责对全部监测节点状态的监控，并根据总体情况的变化给出最合适的调度策略。这里，每个节点携带的传感器主要包括两种，一种是温度传感器，一种是 CO 浓度传感器。通过温度传感器可以监测所在点位周围的温度，如果温度值异常，可能出现火情。通过 CO 浓度传感器可以监测所在点位周围空气中 CO 的浓度，如果CO的浓度异常，可能出现火情。两个传感器的配置，会增加防火预警的准确性和可信度。各个节点之间的、底层节点和中间层节点之间的无线通信，选择了 ZigBee 技术。考虑到防火网络所需的节点数量较多，ZigBee 无线通信是比较合适的选择，其功率低、价格低，性价比最高。防火网络中总体设计的一个关键步骤，就是底层节点和中间层节点的数量，这里主要根据监控总面积和每个节点可覆盖面积、无线网络总带宽和每个节点的通信带宽来确定。根据监控总面积和每个节点的可覆盖面积，可以计算出无线通信节点的数量如下：行业曲线开放度创新度生态度互交度持续度可替代度影响力可实现度行业关联度真实度一种基于多传感器的防火网络设计刘国雄刘国雄（1984），湖南娄底，上海市松江区消防救援支队防火监督一科，本科，助理工程师，防火监督。中国科技信息 2023 年第 3 期CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Feb.2023-92-三星推荐 （1）这里，NodeB表示根据监控面积算出的底层节点数目，AreaW表示监控总面积，AreaNB表示单个底层节点的可覆盖面积，NodeM表示根据监控面积算出的中间层节点树木，AreaNM表示单个中间层节点的可覆盖面积。根据无线网络总带宽和每个节点的通信带宽，可以计算出无线通信节点的数量如下：（2）这里，NodeB表示根据网络带宽需求算出的底层节点数目，BWDW表示无线网络总带宽，BWDNB表示单个底层节点的通信带宽，NodeM表示根据网络带宽需求算出的中间层节点数目，BWDNW表示单个中间层节点的通信带宽。通过上述两种方式计算出底层节点和中间层节点的数目之后，从两种结果中选择最大的作为防火网络中底层节点和中间层节点的设计值，如下：=,MMMBBBeNodNodeMaxNeNodNodeMaxN （3）这里，NB表示防火网络中底层节点的最终设计值，NM表示防火网络中中间层节点的最终设计值。按照上述方法，对一个带有 10 个房间的楼层进行无线防火网络的体系结构设计，结果如图 1 所示。从图 1 中可以看出，这个无线防火网络要担负起 10 个房间的火情监控任务。从这个平面图来看，上方有 5 个房间，下方有 5 个房间，中间是楼道，10 个房间沿着楼道均匀分布。10 个房间是 10 个具体的监控点位，因此每个房间配置了一个底层无线节点。楼道内配置了两个中间层节点，左侧的中间节点负责上方 3 个底层节点和下方 3 个底层节点，右侧的中间节点负责上方 2 个底层节点和下方 2 个底层节点。两个中间节点，通过无线通信协议和顶层节点的总控机连接。多传感器防火网络的硬件设计在防火网络总体设计的基础上，进一步进行防火网络的硬件设计。为了实现总体设计的有关要求，这里根据顶层节点、中间层节点、底层节点的体系结构配置，在底层和中间层分别采取不同的硬件设计思路。其中，底层节点采用 RFD射频收发技术，中间节点采用 FFD 网络协调技术。对于底层节点，它主要负责携带传感器，采集与火灾信息相关的各种数据，如监测节点周围的温度、CO 的气体浓度等。在通信层面上看，它主要需要将采集到的信息反馈给中间层节点。因此，其相对的任务处理能力较低、数据通信带宽要求也不高，所以这里采用 RFD 射频收发技术即可。对于中间层节点，它一方面要负责和底层的 RFD 节点相连，接收来自底层节点的传感器信息，另一方面要具备将底层传感器采集来的信息回传给上位机的能力。所以，中间层节点首先要具有双向数据传输和相应的通信能力。在复杂的防火条件下，RFD 节点还应该具有自组网的能力和局部控制能力。因此，相对于底层节点而言，中间层节点不仅具备一定的数据处理能力和控制能力，其数据通信带宽要求也更高。根据上述分析，本文给出防火网络底层节点和中间层节点的硬件设计，结果如图 2 所示。图 2 左侧部分给出的是底层节点的硬件设计，中间部分给出的是中间层节点的硬件设计，右侧部分给出的是顶层节点的硬件设计。顶层节点选择产品化的计算机即可，底层节点和中间层节点则需要根据本文的防火任务要求进行设计。其中，底层节点的设计中包括：数据采集模块即传感器，这里主要是温度传感器和 CO 浓度传感器，供电电源模块、数据处理模块、应用程序模块、无线通信模块。中间层节点的设计中包括：供电电源模块、应用程序模块、无线通信模块、实时多任务管理模块。多传感器防火网络的性能测试为了验证本文构建的防火网络的性能，接下来展开验证性测试实验。首先来测试网络的组网性能。组网测试主要是验证本文设计的中间层节点、底层节点能否有效地完成组网，这里采用的测试软件是无线传感器网络组网测试平台Sensor Monitor。在这个平台下，包括了一些关键的模块，协调器模块、路由器模块、传感器模块。本文中，利用协调数据采集模块供电电源模块数据处理模块无线通信模块应用程序模块无线通信模块实时多任务管理模块供电电源模块应用程序模块顶层节点底层节点中间层节点图 2 防火网络底层节点和中间层节点的硬件设计图 1 无线防火网络的体系结构-93-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Feb.2023中国科技信息 2023 年第 3 期三星推荐器模块配置中间层节点，利用传感器模块配置底层节点，然后依次启动配置好的各个节点，无线防火网络的组建情况如图 3 所示。从图 3 中可以看出，在 Sensor Monitor 平台，无线防火网络组建成功，底层传感器节点都有了数据显示，表明顺利进行了数据采集工作，中间层节点也全部高亮，表明底层传感器数据有效接入。接下来，进一步进行数据采集和防火预警功能的测试。在本文设计的系统中，给每个底层节点都配置了温度传感器和 CO 浓度传感器，这是对房间内火灾是否发生的主要监测数据。测试过程中，对图 1 中给出的 10 个房间，全部配置了底层节点，通过楼道中的中间层节点进行数据向上层节点的传递。实验过程中，10 个房间底层节点的两类传感器数据变化如表 1 所示。表 1 10 个房间底层节点的两类传感器数据房间号温度CO温度CO温度CO温度CO房间 120 度5 毫升20 度 10 毫升 20 度 15 毫升 20 度 20 毫升房间 220 度0 毫升20 度0 毫升20 度0 毫升20 度0 毫升房间 320 度0 毫升20 度0 毫升20 度0 毫升20 度0 毫升房间 420 度0 毫升20 度0 毫升20 度0 毫升20 度0 毫升房间 520 度0 毫升20 度0 毫升20 度0 毫升20 度0 毫升房间 620 度0 毫升20 度0 毫升20 度0 毫升20 度0 毫升房间 720 度0 毫升20 度0 毫升20 度0 毫升20 度0 毫升房间 820 度0 毫升20 度0 毫升20 度0 毫升20 度0 毫升房间 920 度0 毫升20 度0 毫升20 度0 毫升20 度0 毫升房间 10 20 度0 毫升20 度0 毫升20 度0 毫升20 度0 毫升图 4 防火网络的预警显示结果图 3 SensorMonitor 平台下无线防火网络的组建效果从表 1 给出的实验配置可以看出，10 个房间中只有 1 号房间的 CO 气体浓度超标，其它 9 个房间的温度、CO 浓度都是正常的。而 CO 气体浓度超过 5 毫升，就会引发报警。这也表明，潜在火情出现在 1 号房间。在本文的无线防火网络监控下，顶层上位机上的监控软件界面，给出了显示，结果如图 4 所示。从图 4 中可以看出，防火系统界面的左下部分为数据显示区，以文本的形式显示出了 CO 有警报，左上部分 CO 报警对应的圆形按钮已经显示为红色，也进行了报警。这充分证明本文构建的无线防火网络，可以有效地报警。结语大型商用或民用建筑的防火问题是消防工作的重点，只有进行有效的火情防控才能确保城市的生命安全和财产安全。为此，本文提出了一种三层结构的无线防火网络。在总体设计层面，给出了基于无线通信技术的三层网络框架，底层节点负责火情信息监控，配置了温度传感器和 CO 气体浓度传感器。在中间层节点，主要配置了网络协调器，以便于对底层节点的数据进行收集和向上传输，并可以实现自组网功能。性能测试实验过程中，整个防火网络的自组网性能得到充分验证，在 10 个房间的布空中，1 号房间 CO 浓度超标、存在潜在火情的问题被准确监测到，达到了预期的防火效果、证实了本文设计的无线防火网络的有效性。