基于RSSI測距的無線火災定位報警系統研究

施志榮

(漳州職業技術學院電子工程學院，福建漳州 363000)

隨著城市化的快速發展，高層建筑火災的發生率越來越高，火災造成的損失也越來越嚴重。傳統的火災報警系統耗材多、布線復雜、線路易老化、維護及改造困難，已不能滿足現代消防的要求[1]。

本文用MQ-2傳感器、DS18B20傳感器作為火災探測器，并結合RSSI測距技術設計了一種基于CC2530的分布式火災報警與定位系統，使控制中心或消防部門能夠及時獲知火災發生的精確位置，從而高效地指導火災救援工作。

1 系統總體結構

無線火災定位報警系統主要由上位機和下位機兩部分組成，系統結構如圖1所示。上位機是由LabView平臺開發的監控軟件的用戶電腦。通過對傳感器節點采集到的火警信號進行處理、記錄和顯示，根據相應的理論模型進行定位計算，上位機能讓用戶實時了解監控現場的實際情況和火災發生的具體位置并作出快速反應；下位機由ZigBee協調器、路由器和終端節點組成。協調器是分布式處理的中心。ZigBee網絡中，只有協調器才能建立一個新的網絡。網絡建成以后，協調器就相當于路由器[2]。路由器主要負責無線網絡的互連，實現不同終端節點之間的無線通信。終端節點裝有MQ-2傳感器、DS18B20傳感器作為火災探測器，并放置于敏感的探測位置。每個探測器把檢測到的火警信號傳給協調器，最后由協調器通過串口上傳給上位機進行定位計算和報警處理。

2 無線傳感器網絡的構建

2.1 系統的網絡結構

計算機網絡結構是指網絡系統中各個主要計算機節點的連接形式，反映了計算機節點連接的幾何形狀。無線通信系統的網絡拓撲結構主要分為三種：網狀型、星型、樹狀型。不同的網絡結構擁有不同的特點。網狀型可靠性高，容易擴展，但結構復雜；星型系統結構簡單，容易實現，但節點之間的數據路由只有唯一的一個路徑，只適合距離相對較近的應用；樹狀型傳輸高效、維護方便，適合一些遠距離的應用。根據實際情況，火災報警系統采用樹狀型結構組建整個通信網絡。

圖1 系統結構圖

2.2 ZigBee無線網絡的地址分配機制

在無線火災定位報警系統中，ZigBee協調器組網以后使用的地址是0x0000。終端節點通過協調器加入網絡時，路由器會為其分配16位的網絡地址。路由器子設備之間的地址間隔可以根據公式(1)求得。

(1)

其中，Lm表示網絡的最大深度，e表示父節點的深度，Cm表示父節點擁有的子節點最大數目，Rm表示父節點擁有的子節點的路由器的最大數目，Cskip(e)表示父節點所分配的路由器子設備之間的地址間隔。

根據公式(2)可以很容易地計算出網絡中各個設備的節點地址[2]。

(2)

其中，Aparent表示父節點的地址，Ar表示父節點分配的第r個路由器地址，Az表示第z個終端設備的地址。

2.3 火災探測器的選擇

在設計消防報警系統時，合理選用火災探測器非常重要。探測器的選擇是否正確，決定系統能否長期穩定運行。應根據火災監控區域的實際情況綜合考慮后選擇適合的火災探測器。

2.3.1 MQ-2煙霧探測器

大部分的火災在其形成的早期會產生大量的煙霧。通過感煙探測器，消防報警系統能夠在火災形成的早期及時報警，這對消防部門進行火災救援工作意義重大。MQ-2煙霧探測器是一款靈敏度高、成本低、適用于多種場合的煙霧探測器。為了使火災報警系統能夠及時發現火情，系統選用MQ-2作為火災報警的感煙探測器。

2.3.2 DS18B20感溫探測器

在火災形成的早、中期，使用感溫傳感器作為探測器進行報警非常有效。DS18B20是美國DALLAS公司生產的一款數字式溫度傳感器，適合測量惡劣環境中的溫度。由于使用了CMOS技術，DS18B20體積小、使用方便、消耗電能小，并且在待機狀態時功耗基本為零，較大地提高了系統的抗干擾性。基于如此多優點，本系統采用DS18B20作為火災報警的感溫探測器。

3 基于RSSI測距的火源定位

3.1 RSSI的測距原理

ZigBee無線通信過程中，隨著傳輸距離的增大，無線信號的強度呈指數規律衰減。根據接收方接收到的信號強度，結合已知的固定節點發射信號的強度進行傳播損耗計算，最后求得未知節點和固定節點之間的距離，這就是RSSI技術的基本原理[3-7]。

固定節點的發射功率與未知節點的接收功率之間的函數關系可以用公式(3)表示。

(3)

其中，PR表示接收功率，PT表示發射功率，n表示信號衰減常數，其值與環境有關；d表示接收端與發送端的距離。兩邊取對數，可得：

(4)

如果PT已知，則RSSI與被測距離d的數學關系為：

RSSI=10lgPR=A-10n×lgd.

(5)

其中，A表示信號傳播單位距離時接收到的信號強度。

由公式(5)可知，接收信號的強度指示RSSI與節點間的距離d的關系由常數A和n共同決定。根據實際測量可知，當被測節點離地高度大于2 m時，RSSI與被測距離d的關系受天線角度的影響最小。因此，將被測節點都放在距離地面大約2.5 m的地方，測得RSSI值與對應距離d數據如表1所示。

表1 距離-RSSI值測量數據

運用最小二乘法對數據進行擬合后得到RSSI值與距離d的關系：

RSSI=A-10n×lgd=-28.0061-10×1.98004×lgd.

(6)

擬合多項式誤差平方和為4.3638，擬合曲線如圖2所示。

圖2 RSSI值與距離d的擬合曲線

由圖2可知，得到的擬合曲線和實測數據點基本一致，因此可以用公式(6)去近似RSSI與距離的實際函數關系。

3.2 基于固定節點的距離修正

RSSI測距精度依賴于信號的強度和信道的傳播特性。在實際應用中，往往會因多徑效應、繞射、障礙物等不確定因素而產生較大的測距誤差。為了減小測距誤差，本文利用固定節點間距離的校正模型對測量數據進行修正。

假設Pα為被測節點α接收到已知節點β信號強度值，Pγ為已知節點γ接收到已知節點β信號強度值。根據公式(3)可以得到：

(7)

求解可得基于固定節點的測距修正公式：

(8)

其中，dα表示α和β間的距離，dγ表示γ和β間的距離，Pβ表示節點β的發射功率。

3.3 未知節點的坐標計算

選擇三個信號強度最強的已知節點，采用三邊測量法計算出未知節點位置的坐標值[8-11]。假設A、B、C的位置已知，坐標值分別為(xa,ya)、(xb,yb)、(xc,yc)；節點D的位置未知，坐標值設為(x,y)，與點A、B、C的距離分別為da、db、dc。根據兩點的距離公式，式(9)成立。

(9)

一般情況下，可以求解出：

(10)

4 實驗及結果分析

在7 m×4 m的房間內，通過參考節點對未知節點進行定位實驗。根據式(6)(8)可以得到修正前、后的測距值，如表2所示。

實驗結果表明，實際的RSSI測距往往會產生很大的誤差。選擇合適的固定節點進行距離修正，求解得出的修正距離接近于被測距離，誤差小，能夠比較精確地計算出被測節點的位置。從表2可知，在7 m的被測范圍內，由修正后的測距值計算得到的未知節點的坐標更加接近于實際坐標，誤差基本上可以控制在1.5 m范圍內，效果理想。

表2 修正前、后的測量距離

5 結語

火災定位報警系統采用多傳感器對火災信息進行探測，解決了傳統消防報警系統布線復雜、靈活性差、靈敏度不夠、可靠性不高的難題。同時，系統還利用RSSI測距技術增加了火源點的定位功能。當監控區域發生火災時，計算機能夠及時報警，并顯示火源點的位置，從而指導相關部門高效地進行火災救援工作。總之，無線火災定位報警系統成本低、安裝方便、靈敏度高、可靠性高，是應用前景廣闊的消防報警系統。