基于SimpliciTI無線鏈式火災報警系統設計

摘 要:介紹一種SimpliciTI技術，并實現了基于SimpliciTI的無線鏈式火災報警系統。該系統在居住樓內或辦公樓內組成無線傳感器網絡，報警點通過無線鏈式通知周圍報警系統，警戒可能涉及到的人群逃離。采用CC2430芯片和軟件相結合，實現了火災信息的及時最大范圍內通知，有效避免了火災等安全事故帶來的損失。

關鍵詞:SimpliciTI技術;鏈式報警系統;無線傳感器網絡;CC2430

中圖分類號:TP274文獻標識碼:B

文章編號:1004-373X(2010)04-117-02

Design of Wireless Chained-alarm System Based on SimpliciTI

LI Lili1，ZHAO Heming1，2，YANG Guoping1，QIN Jianbin3

(1.Mech.Engi.College，North University of China Taiyuan，030051，China;2.Shanxi Beifang Huifeng Electromechanial Co.Ltd.，Changzhi，046012，China;

3.Shanxi Fenxi Heavy Industry Co.Ltd.，Taiyuan，030027，China )

Abstract:A design which is wireless chained-alarm system based on SimpliciTI is introduced.The system composes the wireless sensor network in a storied building，aralm informs others nearby it ，protects people from calamity.The design schemes of alarm system combination of hardware and software in living buildings and office buildings have been construct.It can timely and widely provide accident information，and effectively avoid the safety accident loss of fire.

Keywords:SimpliciTI;chained-alarm system;wireless sensor network;CC2430

0 引 言

近年來，火災、煤氣引起的安全事故頻發，準確而又及時地通知樓內人員撤離或者采取援助和自救非常重要。當前正在使用的火災報警主要是消防系統聯控，大多沒有與本棟樓內的其他住戶有關聯，這就出現了樓內人員對火災不敏感，不能及時離開易發區，導致人員傷亡。如果基于CAN 總線的局域網來構建這種鏈式報警系統，以有線方式傳送數據，而有線方式帶來許多制約系統性能提高的問題:例如耗材多，施工與維護復雜，功耗大，系統建設及運行成本高，抗干擾能力低，線路容易老化或遭到腐蝕、鼠咬、磨損， 故障發生率、誤報率和漏報率都高。而SimpliciTI技術能有效地解決有線方式傳送帶來的諸多問題。

無線傳感器網絡能夠用無線通信鏈路取代傳統網絡中錯綜復雜的電纜，非常方便地實現快速、靈活、安全、低成本、低功耗的數據通信和話音通信。因此，火災報警系統的有線方式被無線方式取代已是必然趨勢。國內將無線傳感器網絡用于火災報警的研究正處于起步階段[1]。

1 鏈式報警系統的功能及關鍵技術

1.1 功能

系統采用最新的SimpliciTI無線通信技術，實現了樓內火災信息的及時通報。系統的主要功能是:報告樓內有火災發生的情況及火災發生的樓層，本樓內住戶可以通過聆聽報警聲和觀察報警系統點亮的燈來判斷哪個樓層發生火災，現在是否處于安全的樓層，實現及時逃離，及時報警，及時獲救，把傷亡減小降到最小。

1.2 無線傳感器網絡

典型的無線傳感器網絡結構[2，3]由傳感器節點、網關、互連網絡和監控中心組成，如圖1所示。傳感器節點具有傳感、信號處理和無線通信功能，它們既是信息包的發起者，也是信息包的轉發者。通過網絡自組織和多跳路由，將數據向網關發送。網關可以使用多種方式與外部網絡通信，如Internet、衛星或移動通信網絡等，大規模的應用可能使用多個網關，監控中心對網絡進行配置和管理，發布監測任務以及收集監測數據。無線傳感器網絡的特點[4]是:

(1) 傳感器節點體積小，計算能力有限;

(2) 傳感器節點數量大，易失效，具有自適應性;

(3) 通信半徑小，傳感器空間傳輸容量非常重要;

(4) 電源能量是網絡壽命的關鍵;

(5) 數據管理與處理是傳感器網絡的核心技術。

近十幾年來，無線與移動通信蓬勃發展。人們在享受數字蜂窩移動通信系統帶來便利的同時，對短距離的無線移動通信[5]又提出了新的要求。短距離無線通信包括無線高保真、超寬帶、藍芽技術以及SimpliciTI技術等各種熱點技術，均展現出各自巨大的應用潛力。其中，以低速率、低功耗、低成本、簡便易用性的SimpliciTI技術作為無線傳感器網大型網絡技術Zigbee技術的補充更加適用于這種小型網絡。它采用跳頻技術，能較好地應用于小型工業監控、樓宇監測等領域。

圖1 無線傳感器網絡結構圖

1.3 基于SimpliciTI的無線傳感器網絡的主要優勢

SimpliciTI是支持低于 100 個節點的簡單小型RF網絡的專有低功耗 RF 協議，完全可以覆蓋整棟樓的所有住戶。 利用 SimpliciTI 網絡協議可實現 MCU 資源占用的最小化，從而降低了低功耗 RF 網絡的系統成本。低功耗、低成本、簡便易用性是SimpliciTI的主要特點。 SimpliciTI 網絡協議支持點對點通信和星型通信，選擇這種方案不僅可使用接入點設備來存儲并發送消息，還能通過距離擴展器來擴大網絡覆蓋范圍，以支持四次跳頻。在SimpliciTI-1.0.6中還添加了頻率捷變功能，節點可以在頻率列表中移動，以避免某頻段忙率之間的沖突，也可以減小因頻段出問題帶來數據傳輸的丟失[6]。

1.4 SimpliciTI網絡拓撲結構

SimpliciTI協議支持兩種網絡拓撲結構:星型拓撲和點對點拓撲[7]。網絡拓撲結構中涉及到三種邏輯類型的節點:訪問節點(Access Point)、擴展節點(Range Extender RE)、終端節點(End Device)，實際網絡中存在的節點不只可以擔當一種邏輯節點類型，有時可以身兼數職。

點對點拓撲的節點之間可以直接通信或者通過擴展節點從源節點接收到信息[8]。如果接收節點一直處于幀聽狀態的話，會直接從源節點接收幀，或者通過擴展節點接收信息。當拓撲結構中不存在AP，一個節點即使通過廣播方式發送信息到好幾個節點，從應用信息的角度看，還是屬于來自一個節點，也屬于點對點的網絡拓撲。

2 基于SimpliciTI的“鏈式”報警系統

該系統的硬件部分采用的是Chipcon AS 公司推出的首款符合2.4 GHz IEEE 802.15.4 標準的射頻收發器CC2430芯片[9，10]，利用此芯片開發的無線通信設備支持數據傳輸率高達250 Kb/s，可以實現點對點的數據傳輸。

程序中傳感器周期性地檢查周圍的環境(查詢時間沒有在流程圖里給出)，如果其中有一個傳感器開始工作或者是接收到有危險的信息時，將會通過發送消息幀，通知其他節點這一信息。如果傳感器處于喚醒狀態或者是亞喚醒狀態時，收到一個有危險信息時，將會被喚醒;如果沒有接收到信息時，將會回到睡眠狀態;如果接收到危險信息時，將會傳播該信息到其他節點;如果傳感器處于活動狀態時，將會廣播信息，這個信息將會間隔很短時間不斷地被發送，這是為了確保信息，在很短時間內被喚醒。每個終端節點都可用于所有所在范圍內的所有終端節點進行通信，只要樓內某一個終端節點發現有問題時，不僅警戒人們，而且會傳播信息到其他的煙警，并發出警報來警戒人們。程序流程圖如圖2所示。

圖2 程序流程圖

3 結 語

根據以上的硬件設計和軟件設計方法，做出了該系統的原型機，包括五個ED，只要有一個節點傳感器采集數據超過閾值，就會發出警報，其他節點就會被通知。根據兩個節點間的距離，可以增加擴展節點(RE)，使得距離較遠的兩個節點間也可以通信。

通過試驗，由于該無線警報系統的靈活配置方式，使其具有很強的通用性和開放性，同時也具有較高的可靠性。通用和開放的設計理念讓該系統能夠適應大多數測控環境，如自動讀表(氣表、水表)、報警與安全(煙霧探測器、玻璃破碎檢測器、一氧化碳探測器、光傳感器)、家庭自動化(家電設備、 車庫開門器、環境設備)以及有源RFID等方面。同時，該系統還可以應用到室內幾個房間的報警系統，給安全又加了一個保險。在SimpliciTI-1.0.6中還添加頻率捷變 (Frequency Agility)功能，節點可以在頻率列表中移動，以避免某頻段忙率之間的沖突，也可以減小因頻段出問題帶來數據傳輸的丟失[8]。SimpliciTI技術的發展前景廣闊，相信在不久的將來會得到更加廣泛的應用。

參考文獻

[1]顏學義.基于ZigBee技術的火災報警傳感器節點設計[J].岳陽職業技術學院學報，2007，2(6):69-72.

[2]施承，宋鐵成，葉芝慧，等.基于ZigBee協議的無線傳感器網絡節點的研制[J].廣東通信技術，2006(1):9-12，24.

[3]夏恒星.基于無線傳感器網絡的礦井安全監測系統的研究與實現[D].南京:南京航空航天大學，2007.

[4]李志坤.基于無線傳感器網絡技術的家庭智能化系統[D].濟南:山東大學，2005.

[5]劉勝榮.基于超寬帶技術的無線傳感器網絡[J].信號與系統，2006(5):32-33.

[6]Texas Instruments.SimpliciTI:Simple Modular RF Network Specification (Rev.C)[EB/OL].http://focus.ti.com/docs/toolsw/folders/print/simpliciti.html.

[7]SimpliciTIOverview(Rev.B) swrd130b.pdf[EB/OL].2008.

[8]SimpliciTI Change Log [EB/OL].http://focus.ti.com/docs/toolsw/folders/print/simpliciti.html.

[9]殷建光.基于ZigBee技術的無線網關的設計[D].呼和浩特:內蒙古工業大學，2007.

[10]Chipcon semiconductor.CC2430 Data Sheet 1.02[EB/OL].http://www.chipcon.com，2007.