專利名稱：基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的多參數(shù)火災(zāi)探測節(jié)點(diǎn)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無線傳感網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域，尤其是一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的火災(zāi)探測節(jié)點(diǎn)。
背景技術(shù)：
火災(zāi)探測是通過檢查火災(zāi)發(fā)生時的火災(zāi)特征參數(shù)信號，判斷火災(zāi)是否發(fā)生，是實現(xiàn)火災(zāi)預(yù)警的重要手段。傳統(tǒng)的火災(zāi)探測報警采用的是有線的方式，以這種方式布置的火災(zāi)探測系統(tǒng)在名勝古跡等特殊場景中往往會對建筑物的功能性和藝術(shù)性造成一定程度的破壞。無線火災(zāi)報警系統(tǒng)有著無線、安裝方便的好處，可以最大程度地減少對古建筑藝術(shù)性的破壞。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的自組織性，使得探測系統(tǒng)可以在很短的時間內(nèi)完成自動結(jié)網(wǎng)。設(shè)計基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的多參數(shù)火災(zāi)探測節(jié)點(diǎn)，開發(fā)高可靠性的早期火災(zāi)探測系統(tǒng)，是實現(xiàn)無線火災(zāi)探測的有效手段。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是通過無線網(wǎng)絡(luò)通訊的方式，實現(xiàn)感知和獲取客觀物理世界的參數(shù)信息。無線傳感網(wǎng)絡(luò)不同與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的顯著特征是針對具體應(yīng)用來研究無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。傳感器節(jié)點(diǎn)能夠敏感地感應(yīng)環(huán)境參數(shù)的快速變化，具有檢測精度高和具備實時性的優(yōu)點(diǎn)，在無人值守的環(huán)境檢測、災(zāi)害撲救等特殊領(lǐng)域，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有傳統(tǒng)技術(shù)無可比擬的優(yōu)勢。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服已有火災(zāi)探測節(jié)點(diǎn)的實時性較差、精確性較差的不足，本發(fā)明提供一種實時性良好、精確性良好的基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的多參數(shù)火災(zāi)探測節(jié)點(diǎn)。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是

一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的多參數(shù)火災(zāi)探測節(jié)點(diǎn)，所述多參數(shù)火災(zāi)探測節(jié)點(diǎn)包括無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信節(jié)點(diǎn)和多參數(shù)火災(zāi)探測單元，所述多參數(shù)火災(zāi)探測單元包括溫濕度探測器、煙霧探測器和用以檢測是否發(fā)生火災(zāi)的智能探測控制器，所述智能探測控制器包括火災(zāi)檢測參數(shù)設(shè)定模塊，用以設(shè)定火災(zāi)檢測參數(shù)，參數(shù)包括溫度t、溫度變化量dt、煙霧測量值S、煙霧量增加量ds，其中t和s是探測器采集的數(shù)據(jù)值，dt為兩次溫度采樣的差值，當(dāng)本次溫度比上次高時dt+ 1，否則dt-1 ；煙霧量增加值DS =當(dāng)前ds值+ (本次s值-上次s值)/8，如果ds〈 0則DS = 0 ;火災(zāi)發(fā)生判斷模塊，用以在相對濕度值小于閾值的條件下，滿足以下4個判據(jù)之一，即判斷有火災(zāi)發(fā)生；判據(jù)1:DS > 5且dt> 3 ;判據(jù)2 DS >12 ；判據(jù)3 t彡溫度閾值；判據(jù)4 s彡煙霧濃度閾值。所述火災(zāi)發(fā)生判斷模塊與所述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信節(jié)點(diǎn)連接。進(jìn)一步，所述智能探測控制器還包括最短路徑路由模塊，用以將多參數(shù)火災(zāi)探測節(jié)點(diǎn)在加入網(wǎng)絡(luò)過程中在本地維護(hù)一個鄰居節(jié)點(diǎn)列表，列表中存放的是距離基站跳數(shù)最少的鄰居節(jié)點(diǎn)；傳送數(shù)據(jù)時，節(jié)點(diǎn)將從列表中隨機(jī)選擇一個鄰居節(jié)點(diǎn)作為下一跳路由節(jié)點(diǎn)，該鄰居節(jié)點(diǎn)再以同樣方式轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，直到數(shù)據(jù)傳到基站；目的節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)包后，向源節(jié)點(diǎn)回復(fù)一個確認(rèn)信息，源節(jié)點(diǎn)發(fā)送完一個數(shù)據(jù)包后，需等待目的節(jié)點(diǎn)發(fā)回一個確認(rèn)幀，如果在預(yù)定時間內(nèi)沒收到確認(rèn)幀，則向目的節(jié)點(diǎn)重發(fā)該數(shù)據(jù)包。本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思為基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的火災(zāi)實時監(jiān)控，是通過把大量的廉價的微型低功耗傳感器節(jié)點(diǎn)自動組成無線網(wǎng)絡(luò)，實時采集濕度、溫度、煙霧濃度和光亮度等環(huán)境參數(shù)，實現(xiàn)對監(jiān)控區(qū)域異常情況的迅速反映。結(jié)合高效的傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和火點(diǎn)定位算法，可以迅速、準(zhǔn)確地查明火源發(fā)生地；在火災(zāi)預(yù)測預(yù)報和蔓延模型支持下，利用實時獲取的數(shù)據(jù)不斷對模型進(jìn)行修正，實現(xiàn)對敏感域火險的精確預(yù)測。本發(fā)明的有益效果主要表現(xiàn)在有效地解決了城市景區(qū)古建筑火災(zāi)的識別問題。使用基于無線網(wǎng)絡(luò)的火災(zāi)探測報警系統(tǒng)，可以在較大程度上減小安裝火災(zāi)探測系統(tǒng)對城市景區(qū)古建筑功能性和藝術(shù)性的損壞。


圖1是本發(fā)明火災(zāi)探測節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)圖。圖2是本發(fā)明方法火災(zāi)探測節(jié)點(diǎn)工作流程圖。圖3是本發(fā)明方法多跳網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步描述。參照圖1 圖3，一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的多參數(shù)火災(zāi)探測節(jié)點(diǎn)，火災(zāi)探測節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示，由無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信節(jié)點(diǎn)和多參數(shù)火災(zāi)探測單元組成。基站在硬件結(jié)構(gòu)上沒有火災(zāi)參數(shù)探測單元，專門負(fù)責(zé)傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸與收集?；馂?zāi)探測單元由溫濕度探測和光電型煙霧探測兩個模塊組成，分別實現(xiàn)溫濕度和煙霧濃度的探測；探測模塊采用低功耗設(shè)計，溫濕度傳感器平均工作電流28 uA,煙霧探測放大器平均工作電流約為0. 7mA。光電感煙機(jī)理是煙顆粒和光相互作用時，粒子以同樣波長再輻射己經(jīng)接收的能量，通常在不同方向上其再輻射強(qiáng)度不同，這個過程稱為散射。火災(zāi)煙霧的監(jiān)測采用前向光散射探測方式，主要由光學(xué)探測室及相關(guān)電路組成。火災(zāi)發(fā)生時，有煙顆粒進(jìn)入光學(xué)探測室，紅外光經(jīng)煙顆粒散射到達(dá)光敏二極管，產(chǎn)生電流信號，且散射光信號隨煙霧濃度增加而加大，信號經(jīng)微處理器內(nèi)嵌ADC做模數(shù)轉(zhuǎn)換作為煙霧探測數(shù)據(jù)。溫濕度監(jiān)測采用智能型溫濕度傳感芯片SHT11，提供全量程標(biāo)定的數(shù)字輸出。傳感器包括一個電容性聚合體濕度敏感元件和一個用能隙材料制成的溫度敏感元件，兩只傳感器分別產(chǎn)生相對濕度或溫度的信號，信號放大后分別送至14位的ADC進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，經(jīng)校準(zhǔn)和糾錯，最后通過二線串行接口將相對濕溫度數(shù)據(jù)送至微處理器。無線火災(zāi)探測節(jié)點(diǎn)控制軟件可分為四層，依次為底層硬件驅(qū)動、通信協(xié)議層(MAC協(xié)議和路由協(xié)議)、操作系統(tǒng)和應(yīng)用任務(wù)。底層硬件驅(qū)動包括射頻芯片CC2420的驅(qū)動、探測器模塊驅(qū)動以及微處理器驅(qū)動。微處理器通過SPI總線與CC2420通信，可方便地實現(xiàn)對射頻芯片配置和數(shù)據(jù)收發(fā)，讀寫F IFO等。探測器模塊驅(qū)動實現(xiàn)對傳感器探測數(shù)據(jù)的獲取，首先進(jìn)行溫濕度測量和獲取數(shù)據(jù)；再啟動光電煙霧探測，微處理器內(nèi)嵌ADC實現(xiàn)對煙霧探測信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換，獲得煙濃度數(shù)字量。微處理器進(jìn)行火災(zāi)判斷和數(shù)據(jù)打包的工作，應(yīng)用任務(wù)層通過接口調(diào)用完成從火災(zāi)參數(shù)的探測到數(shù)據(jù)處理的一系列操作。早期火災(zāi)信號具有隨機(jī)性、非結(jié)構(gòu)性和趨勢特征等特點(diǎn)，基于以上特點(diǎn)，本發(fā)明采用的火災(zāi)探測算法的主要步驟如下。1.火災(zāi)檢測參數(shù)的描述本發(fā)明設(shè)計了以下火災(zāi)檢測參數(shù)，參數(shù)包括單節(jié)點(diǎn)火災(zāi)判據(jù)包括溫度t、溫度變化量dt、煙霧測量值S、煙霧量增加量ds。其中t和S是探測器采集的數(shù)據(jù)值，dt為兩次溫度采樣的差值，當(dāng)本次溫度比上次高時dt+ I,否則dt-1;煙霧量增加值ds=當(dāng)前ds值+ (本次s值-上次s值)/8，如果ds〈 0則ds = O。2.火災(zāi)發(fā)生的判斷的依據(jù)在相對濕度值小于閾值的條件下，滿足以下4個判據(jù)之一，即判斷有火災(zāi)發(fā)生，判據(jù)1，ds> 5且dt> 3;判據(jù)2，ds>12;判據(jù)3，t彡溫度閾值；判據(jù)4，s >煙霧濃度閾值。判據(jù)I是對明火的，由于明火煙霧較少，但溫度明顯上升，所以當(dāng)溫度上升，且有少量煙霧時則可認(rèn)為是有火災(zāi)發(fā)生。判據(jù)2是針對早期陰燃火，當(dāng)探測到煙霧有明顯的上升時，認(rèn)為發(fā)生早期火災(zāi)；判據(jù)3、4是采用閾值判斷算法，在實驗中溫度閾值設(shè)為40°C，煙霧閾值設(shè)為45%。引入濕度條件旨在防止水蒸汽引起的誤報，通過濕度的補(bǔ)償，可以彌補(bǔ)光電煙霧探測對水汽敏感引起的誤報。節(jié)點(diǎn)MAC層數(shù)據(jù)傳輸?shù)男诺澜尤霗C(jī)制的算法設(shè)計節(jié)點(diǎn)MAC層數(shù)據(jù)傳輸?shù)男诺澜尤霗C(jī)制采用CSMA /CA算法。1.節(jié)點(diǎn)CSMA/CA算法的參數(shù)描述算法中有三個重要的參數(shù)由每個要傳送數(shù)據(jù)的設(shè)備去維護(hù)NB (后退次數(shù)，初始值為O)、CW (碰撞窗口，初始值為2)，BE (后退指數(shù)，初始值為2)。2.最短路徑的路由算法描述本發(fā)明設(shè)計了一種最短路徑的路由算法實現(xiàn)數(shù)據(jù)的多跳傳送。節(jié)點(diǎn)在加入網(wǎng)絡(luò)過程中在本地維護(hù)一個鄰居節(jié)點(diǎn)列表，列表中存放的是距離基站跳數(shù)最少的鄰居節(jié)點(diǎn)。傳送數(shù)據(jù)時，節(jié)點(diǎn)將從列表中隨機(jī)選擇一個鄰居節(jié)點(diǎn)作為下一跳路由節(jié)點(diǎn)，該鄰居節(jié)點(diǎn)再以同樣方式轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，直到數(shù)據(jù)傳到基站。例如圖2中，h表示跳數(shù)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)D不在基站的通信范圍內(nèi)，數(shù)據(jù)需要通過鄰居節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)，圖中節(jié)點(diǎn)A、B、C都是鄰居節(jié)點(diǎn)，但是由于節(jié)點(diǎn)C到基站要經(jīng)過2跳(h= 2)，若以節(jié)點(diǎn)C為下一跳節(jié)點(diǎn)則從節(jié)點(diǎn)D到基站為3跳，而A、B只需I跳，所以節(jié)點(diǎn)D會將A、B存放在鄰居節(jié)點(diǎn)列表中，作為下一跳路由選擇節(jié)點(diǎn)，使其到基站的跳數(shù)為2。這樣不僅降低了節(jié)點(diǎn)能耗，也減輕了網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷。參考IEEE802. 15. 4標(biāo)準(zhǔn)，建立了包序號檢查機(jī)制以保證數(shù)據(jù)包在傳輸過程中不發(fā)生重復(fù)傳送，避免不必要的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳送負(fù)荷。并采用數(shù)據(jù)傳輸確認(rèn)機(jī)制和包序號檢查機(jī)制保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，目的?jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)包后，向源節(jié)點(diǎn)回復(fù)一個確認(rèn)信息(ACK幀)。源節(jié)點(diǎn)發(fā)送完一個數(shù)據(jù)包后，需等待目的節(jié)點(diǎn)發(fā)回一個確認(rèn)幀，如果在預(yù)定時間內(nèi)沒 收到ACK幀，則向目的節(jié)點(diǎn)重發(fā)該數(shù)據(jù)包。3.應(yīng)用任務(wù)描述應(yīng)用任務(wù)主要包括組網(wǎng)請求、火災(zāi)特征參數(shù)探測、數(shù)據(jù)發(fā)送以及數(shù)據(jù)接收和處理。為了提高系統(tǒng)運(yùn)行的實時性和穩(wěn)定性，滿足探測節(jié)點(diǎn)的低功耗要求，應(yīng)用任務(wù)的執(zhí)行通過中斷方式實現(xiàn)的。4.探測節(jié)點(diǎn)的軟件工作流程描述探測節(jié)點(diǎn)的軟件工作流程如圖3所示，在聯(lián)網(wǎng)工作狀態(tài)，控制器將執(zhí)行火災(zāi)監(jiān)測任務(wù)，采集溫濕度和煙霧濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，通過火災(zāi)判據(jù)算法確定是否有火災(zāi)發(fā)生，并發(fā)送判據(jù)結(jié)果。6)后臺監(jiān)控軟件和數(shù)據(jù)處理描述利用圖形化編程工具LabV IEff設(shè)計了運(yùn)行在PC機(jī)上的后臺軟件，處理分析傳感信息和路由信息，顯示相應(yīng)節(jié)點(diǎn)的溫濕度、煙霧濃度值以及節(jié)點(diǎn)的路由信息，并將多個節(jié)點(diǎn)火災(zāi)特征參數(shù)進(jìn)行融合處理。后臺軟件功能通過5個并行線程實現(xiàn)，線程I和線程2實現(xiàn)報警功能，當(dāng)接收到的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)中判斷發(fā)生火災(zāi)時，便發(fā)出聲光報警；線程3讀取串口數(shù)據(jù)并進(jìn)行分處理，線程4、5實現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間通信模擬和顯示數(shù)據(jù)曲線。為進(jìn)一步提高報警的準(zhǔn)確度，減少誤報和漏報，在探測節(jié)點(diǎn)首先進(jìn)行初步判斷，將數(shù)據(jù)傳送到計算機(jī)上后再采用基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的數(shù)據(jù)融合技術(shù)，將節(jié)點(diǎn)送來的溫濕度測量值和煙霧量及報警值三者融合處理。
權(quán)利要求
1.ー種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的多參數(shù)火災(zāi)探測節(jié)點(diǎn)，其特征在于所述多參數(shù)火災(zāi)探測節(jié)點(diǎn)包括無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信節(jié)點(diǎn)和多參數(shù)火災(zāi)探測単元，所述多參數(shù)火災(zāi)探測単元包括溫濕度探測器、煙霧探測器和用以檢測是否發(fā)生火災(zāi)的智能探測控制器，所述智能探測控制器包括 火災(zāi)檢測參數(shù)設(shè)定模塊，用以設(shè)定火災(zāi)檢測參數(shù)，參數(shù)包括溫度t、溫度變化量dt、煙霧測量值S、煙霧量増加量ds，其中t和S是探測器采集的數(shù)據(jù)值，dt為兩次溫度采樣的差值，當(dāng)本次溫度比上次高時dt+ 1，否則dt-1 ；煙霧量增加值DS =當(dāng)前ds值+ (本次s值-上次s值)/8，如果ds〈 O則DS = O ; 火災(zāi)發(fā)生判斷模塊，用以在相対濕度值小于閾值的條件下，滿足以下4個判據(jù)之一，即判斷有火災(zāi)發(fā)生；判據(jù)1:DS > 5且dt> 3 ;判據(jù)2 DS >12 ；判據(jù)3 t彡溫度閾值；判據(jù)4 : s彡煙霧濃度閾值； 所述火災(zāi)發(fā)生判斷模塊與所述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信節(jié)點(diǎn)連接。
2.如權(quán)利要求1所述的基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的多參數(shù)火災(zāi)探測節(jié)點(diǎn)，其特征在于所述智能探測控制器還包括 最短路徑路由模塊，用以將多參數(shù)火災(zāi)探測節(jié)點(diǎn)在加入網(wǎng)絡(luò)過程中在本地維護(hù)ー個鄰居節(jié)點(diǎn)列表，列表中存放的是距離基站跳數(shù)最少的鄰居節(jié)點(diǎn)；傳送數(shù)據(jù)時，節(jié)點(diǎn)將從列表中隨機(jī)選擇ー個鄰居節(jié)點(diǎn)作為下ー跳路由節(jié)點(diǎn)，該鄰居節(jié)點(diǎn)再以同樣方式轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，直到數(shù)據(jù)傳到基站；目的節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)包后，向源節(jié)點(diǎn)回復(fù)ー個確認(rèn)信息，源節(jié)點(diǎn)發(fā)送完ー個數(shù)據(jù)包后，需等待目的節(jié)點(diǎn)發(fā)回ー個確認(rèn)幀，如果在預(yù)定時間內(nèi)沒收到確認(rèn)幀，則向目的節(jié)點(diǎn)重發(fā)該數(shù)據(jù)包。
全文摘要
一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的多參數(shù)火災(zāi)探測節(jié)點(diǎn)，所述多參數(shù)火災(zāi)探測節(jié)點(diǎn)包括無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信節(jié)點(diǎn)和多參數(shù)火災(zāi)探測單元，所述多參數(shù)火災(zāi)探測單元包括溫濕度探測器、煙霧探測器和用以檢測是否發(fā)生火災(zāi)的智能探測控制器，所述智能探測控制器包括火災(zāi)檢測參數(shù)設(shè)定模塊和火災(zāi)發(fā)生判斷模塊，所述火災(zāi)發(fā)生判斷模塊與所述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信節(jié)點(diǎn)連接。本發(fā)明提供一種實時性良好、精確性良好的基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的多參數(shù)火災(zāi)探測節(jié)點(diǎn)。
文檔編號G08B17/00GK103049976SQ20121051627
公開日2013年4月17日 申請日期2012年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月30日
發(fā)明者陳庭貴, 許翀寰, 王杰 申請人:浙江工商大學(xué)