基于傳感器數據無線傳輸的室內突發火災報警系統設計

摘要：智慧樓宇中的突發火災報警系統存在錯報率高和報警間隔長的問題。為此，文章設計了一種基于傳感器數據無線傳輸的室內火災報警系統。硬件上，文章選用并設計了火災探測器和報警器，利用多種傳感器監測室內溫度、濕度和煙霧。軟件上，文章通過無線傳輸傳感器數據，采用數據融合技術識別火災風險并快速報警。實驗結果顯示，該系統錯報率低于1%，報警間隔約為114 ms，能夠實現精準實時的火災報警。

關鍵詞：傳感器數據；無線傳輸；突發火災；報警系統；報警器；多傳感數據融合

中圖分類號：TP311" 文獻標志碼：A

基金項目：2023年寶雞文理學院國家級大學生創新創業訓練計劃資助項目；項目編號：202310721005。

作者簡介：汪德林（2001— ），男，本科生；研究方向：電子科學與技術。

0" 引言

隨著科技的快速發展和城市化進程的加速，現代社會中人們的生活和工作環境越來越依賴于各種智能化設備與系統。特別是在室內環境中，由于電氣設備的廣泛使用，火災風險也隨之增加。因此，設計一種高效、準確的室內突發火災報警系統，對于保障人們的生命財產安全具有重要意義。

葉利［1］提出基于支持向量機的報警系統，利用傳感器技術、支持向量機算法進行火災監測和報警的智能化系統，利用支持向量機算法對傳感器數據進行處理和分析。徐根祺等［2］提出基于STM32F103ZET6的報警系統，是一種集成了高性能微控制器和先進傳感技術的智能化安全系統。

傳統的室內火災報警系統通常采用有線連接方式，通過布置在室內的煙霧探測器、溫度探測器等傳感器，實時監測環境參數。當環境參數超過預設閾值時，系統會觸發報警并通過有線網絡將報警信息傳輸至監控中心。然而，這種有線連接方式存在諸多局限性。為此，本文提出基于傳感器數據無線傳輸的室內突發火災報警系統設計方案。

1" 室內突發火災報警系統硬件設計

系統硬件構成的核心在于火災探測器和火災報警器，這2大組件之間的通信互聯依賴于ZigBee模塊技術，共同構建了一個高效、靈活的自組織網絡?；馂奶綔y器用于采集室內溫度、煙霧濃度等火災數據信息，火災報警器實現對火災探測器的注冊添加和刪除操作，確保每一個探測器都能被系統識別并納入監控范圍［3］。同時，報警器還負責從探測器接收信號，這些信號反映室內環境中的火災風險情況。在接收到信號后，報警器會立即對信號進行數據處理和轉化，將原始數據轉化為系統能夠識別的信息格式并進行必要的封裝，通過數據處理和分析后，對識別到的火災風險進行報警。

1.1" 火災探測器選型與設計

系統火災探測器由溫度傳感器、濕度傳感器和煙霧傳感器3部分組成，除了常規的煙感、溫濕度感應功能外，還搭載ZigBee模塊，以實現設備之間的互聯和數據的實時發送與接收。在火災探測器選型方面，主要選用了CC2430芯片作為核心組件。CC2430芯片是一款專為ZigBee無線通信設計的低功耗、高性能的片上系統解決方案［4］。通過集成ZigBee無線收發器、增強型8051微控制器和內存等關鍵功能，CC2430芯片為火災探測器提供了強大的通信和控制能力。利用CC2430芯片，火災探測器與火災報警器實現連接。通過ZigBee無線通信技術，火災探測器將檢測到的煙霧、溫度、濕度等關鍵數據實時發送給火災報警器［5］。同時，火災報警器也能夠向火災探測器發送控制指令，如調整檢測靈敏度、設置報警閾值等［6］。

1.2" 報警器選型與設計

在火災報警系統中，火災報警器是核心組件，負責接收來自火災探測器中各個傳感器感知的火災信號，進行信息處理并觸發相應的報警機制。為了實現這些功能，本文選用ARM920TS3C2400作為火災報警器的主控芯片。這款芯片以其強大的處理能力和高效的能耗管理，為火災報警控制器提供了穩定可靠的控制中心［7］。為了存儲火災探測器的控制管理程序內核代碼、啟動代碼以及根文件，配備專門的Flash存儲芯片。這種存儲芯片具有高容量、高可靠性和低能耗的特點，能夠確?；馂膱缶髟趶碗s環境中持續穩定運行。

2" 室內突發火災報警系統軟件設計

2.1" 基于傳感器數據無線傳輸的數據通信

通信與火災報警是系統的2個核心功能，本文在系統設計中分別對2個功能模塊設計。利用傳感器數據無線傳輸技術對系統數據進行通信，傳感器數據無線傳輸的核心在于根據特定的傳輸協議，將多種傳感器數據轉換成一種單向的、標準化的傳輸格式。傳輸協議不僅定義數據的傳輸方式，還明確其覆蓋范圍、數據傳輸頻率、傳輸距離以及數據傳輸次數等關鍵參數［8］。假設傳感器數據無線傳輸次數為n，數據傳輸頻率為v，則無線傳輸協議覆蓋范圍為：

K=1-nv+s2h（1）

其中，K為傳感器數據無線傳輸協議覆蓋范圍，s為傳感器數據無線傳輸網絡可控區域面積，h為傳感器數據傳輸距離［9］。根據傳輸協議的覆蓋范圍，本文將傳感器數據無線傳輸區域劃分為多個單元。每個單元都由一個特定的傳輸協議負責并配備一個定向控制協議，以確保與系統通信網絡的有效連接，從而構建一個靈活、動態的無線傳輸體系。通過無線傳輸節點對傳感器數據變換，如式（2）所示。

x=（b，CK）T（2）

其中，x為無線傳輸節點轉換后的傳感器數據，b為一個隨機數，CK為無線傳輸協議報文［10］。將節點轉換后的數據發送到數據接收端，通過身份認證接收數據，如式（3）所示。

x=Q（x）（3）

其中，x為接收到的傳感器數據，Q為用戶身份認證證書。通過以上實現基于傳感器數據無線傳輸的數據通信。

2.2" 室內火災風險識別及報警

本文對接收到的傳感器數據進行融合處理，提取室內火災特征并通過對火災特征加權計算，量化室內火災風險，如式（4）所示。

P=∑i=1ixi-xi，max（4）

其中，P為室內火災風險指數，i為室內火災特征向量數量，此次系統選定溫度、濕度、煙霧濃度為火災特征向量，i為第i個室內火災特征向量權重系數，xi，max為第i個室內火災特征向量上限［11］。根據實際情況設定一個閾值，若火災風險指數大于閾值，則室內發生突發火災，對其進行報警；若火災風險指數小于閾值，則室內正常，無火災，繼續對室內突發火災監測，按照以上生成突發火災識別報告并發送到報警器上進行報警響應。根據以上設計室內突發火災自動報警機制為：

N=1P≥τ

0P≥τ（5）

其中，N為室內突發火災自動報警機制，取值為1表示自動報警指令，τ為非自動報警指令，τ表示閾值。本文通過以上系統對室內突發火災報警響應，以實現基于傳感器數據無線傳輸的室內突發火災報警系統設計。

3" 實驗論證

3.1" 實驗準備與設計

通過對比實驗，檢驗本文所設計的基于傳感器數據無線傳輸的室內突發火災報警系統的性能，以某小區為實驗對象，該小區共有20棟居民樓，樓層數量為10～15層，根據該小區建筑實際情況，本文實驗準備了20臺火災探測器和報警器，在每個火災探測器節點上安裝溫度、濕度、煙霧傳感器，感知室內火災溫度、濕度以及煙霧信號，對火災探測器和無線傳感器進行注冊并對其IP配置，啟動火災探測器中各個無線傳感器，共采集10000個數據樣本。在啟動系統硬件后，本文實驗啟動系統軟件平臺，對采集的數據進行無線傳輸，通過數據融合和分析，識別室內火災風險，對火災進行報警。本文共選取8個樣本，其處理和分析結果如表1所示。

由表1可知，系統可以根據室內環境采取正確的響應，能夠識別突發火災并進行報警。根據系統對10000個樣本響應結果，本文分析系統的報警精度和響應性能。

3.2" 實驗結果與討論

在文獻［1］系統和文獻［2］系統與本文系統中，對系統火災錯報率和報警間隔進行對比分析，對比結果分別如表2和3所示。

由表1數據可知，設計系統錯報率不超過1%，數值非常小，基本可以忽略不計，這說明所設計的系統能夠根據室內突發火災精準報警。而文獻［1］系統和文獻［2］系統火災錯報率分別在5%和3%以上，遠高于設計系統，這說明在報警精度方面，所設計的系統具有絕對優勢。由表2數據可知，本文設計系統的報警間隔平均在114 ms左右，比文獻［1］系統縮短了將近650 ms，比文獻［2］系統縮短了將近580 ms。這說明在響應性能方面，本文所提設計系統也具有絕對優勢。以上對比結果證明了本文設計系統能夠對室內突發火災進行精準、實時報警，具有良好的可行性與可靠性。

4" 結語

本文詳細探討了基于傳感器數據無線傳輸的室內突發火災報警系統的設計與實現。通過集成先進的傳感器技術、無線通信技術以及高性能微控制器，本文成功構建了一個高效、準確且實時性強的火災報警系統。系統不僅能夠實時監測室內環境參數，如煙霧濃度、溫度和濕度等，還能在檢測到異常時迅速觸發報警機制，通過無線網絡將報警信息傳遞給相關人員，以便及時采取應對措施。此外，系統還具備高度的可擴展性和靈活性，能夠根據實際需求進行定制和優化。在設計和實現過程中，研發人員注重本文設計系統的穩定性和可靠性，通過合理的硬件選型、精確的算法設計和嚴格的測試驗證，確保了系統在實際應用中的高效運行并能夠準確報警。

參考文獻

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（編輯" 王雪芬）

Design of indoor emergency fire alarm system based on wireless transmission of sensor data

WANG" Delin， GE" Xingyu， ZHOU" Xinchun

（Institute of Physics amp; Optoelectronics Technology， Baoji University of Arts and Sciences， Baoji 721016， China）

Abstract： The emergency fire alarm system in smart buildings has the problem of high 1 alarm rate and long alarm interval. For this purpose， an indoor fire alarm system based on wireless transmission of sensor data is designed. On the hardware side，the fire detectors and alarms have been selected and designed， utilizing multiple sensors to monitor indoor temperature， humidity， and smoke. On the software side，the sensor data is transmitted wirelessly， and the data fusion technology is used to identify fire risks and quickly alert. The experimental results show that the 1 alarm rate of the system is less than 1%， and the alarm interval is about 114 ms， which can achieve accurate and real-time fire alarm.

Key words： sensor data; wireless transmission; emergency fire; alarm system; alarm; multi-sensor data fusion