基于433MHz無線自組網的火災監控報警系統

葛 嵐，陳俊愷

（煙臺金盾電氣防火檢測中心，山東 煙臺 264005）

基于433MHz無線自組網的火災監控報警系統

葛 嵐，陳俊愷

（煙臺金盾電氣防火檢測中心，山東 煙臺 264005）

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433MHz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。

無線自組網；火災與可燃氣體監控；433MHz；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 2.4GHz頻段，穿透能力差，在建筑物內特別在復雜結構中遠不如 433MHz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 433MHz、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 433MHz無線自組網與通信協議

433MHz無線自組網是由分布在監測區域內的433MHz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。

圖1 SimpliciTI網絡拓撲

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 433MHz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 433MHz無線通信單元

433MHz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、433MHz、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?？山档烷_發運行成本并減少誤報漏報。本設計采用433MHz頻段，主要是考慮433MHz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433MHz無線通信模塊，硬件功能如圖2所示。

圖2 智能終端設備框圖

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433MHz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433MHz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。

圖3 數據中心設備框圖

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。

圖4 數據中心程序框圖

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。

圖5 中繼節點程序框圖

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。

圖6 終端節點程序框圖

4 結論

以上介紹的終端探測控制器，將可燃氣體監控接入火災報警系統，實現了火災煙霧與可燃氣體泄漏同時監控。系統采用無線自組網數據傳輸方式，無需基站，無需布線，維護方便，可作為有線方式的有效補充。本系統已在山東、遼寧等地區應用，取得了良好效果，并取得了專利權［7］。

［1］王軍，馬青波，隋虎林，等.火災自動報警監控聯網技術的應用與發展［J］.消防技術與產品信息，2003（12）：8-10.

［2］曹薊光.自組織網絡技術的發展趨勢［J］.電信網技術，2007（7）：39-42.

［3］丁雪蓮.ZigBee協議棧淺析［J］.電腦與信息技術，2013，21（5）：18-21.

［4］張穎，李俊莆，楊臻.基于 SimpliciTI協議的無線自組織網絡系統設計［J］.自動化儀表，2012，33（9）：53-56.

［5］胡祝格，趙敏華.基于信息融合技術的無線火災探測報警系統［J］.電子科技，2012，25（10）：36-39.

［6］GB50116-2013.火災自動報警系統設計規范 2013［S］.北京，2013.

［7］張瞳，陳俊愷.一種無線火災感煙報警遠程監控系統：中國，ZL 2011 2 0358796.X［P］.2012-05-30.

Fire monitoring and alarming system based on 433MHz wireless Ad-hoc network

Ge Lan，Chen Junkai
（Yantai Jindun Electric Fire Detection Center，Yantai 264005，China）

In view of the difficulties of laying communication lines in complex construction and the location restricted by geographical conditions，a fire and combustible gas monitoring system based on 433MHz wireless Ad hoc network is developed. Taking a ridio frequency chip CC1110 as the core of the wireless Ad hoc network， with the SimpliciTI network protocol， the wireless connection of each node is realized.The access point is connected to transfer data to the fire center.The sytem has been applied to the actual and local alarm and remote monitoring are realized.

wireless Ad-hoc network；fire and combustible gas monitoring；433MHz；SimpliciTI protocol

TP23

A

1674-7720（2015）23-0080-03

葛嵐，陳俊愷.基于433MHz無線自組網的火災監控報警系統［J］.微型機與應用，2015，34（23）：80-82.

2015-08-10）

葛嵐（1977-），女，碩士，工程師，主要研究方向：火災監控系統設計。

陳俊愷（1971-），男，高級工程師，主要研究方向：火災監控系統設計與產品研發。