無(wú)線火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)研究

　　四、系統(tǒng)工作原理

　　對(duì)于一個(gè)完整的火災(zāi)傳感器節(jié)點(diǎn)，需要具有小尺寸、低功耗、適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，ZigBee設(shè)備為低功耗設(shè)備，其發(fā)射輸出0dbm～3.6dbm，通信距離為 30米～70米，具有能量檢測(cè)和鏈路質(zhì)量指示，根據(jù)這些檢測(cè)結(jié)果，設(shè)備可自動(dòng)調(diào)整設(shè)備的發(fā)射功率，在保證通信鏈路質(zhì)量的條件下，最小地消耗設(shè)備能量，SD 節(jié)點(diǎn)在睡眠狀態(tài)時(shí)，功耗電流約為30uA。在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信時(shí)，Zigbee建立一次連接的時(shí)間約為20-30ms，這樣短的連接時(shí)間可以大大減少傳感器節(jié)點(diǎn)上報(bào)給FLCH節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)碰撞的概率；在網(wǎng)絡(luò)安全方面，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在Zigbee技術(shù)上，采用了密鑰長(zhǎng)度為128位的加密算法，對(duì)所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息進(jìn)行加密處理。

　　SN節(jié)點(diǎn)由Zigbee模塊（CC2420和Atmegal-128L兩部分所組成）、硬件檢測(cè)電路。硬件檢測(cè)電路檢測(cè)火災(zāi)傳感器節(jié)點(diǎn)所在的環(huán)境，當(dāng)火災(zāi)發(fā)生變化時(shí)，觸發(fā)Zigbee模塊的I/O中斷將信息傳送給Zigbee模塊，模塊從睡眠狀態(tài)喚醒，模塊利用自身的控制芯片對(duì)信息進(jìn)行處理后，再以無(wú)線的方式傳送給FLCH節(jié)點(diǎn)。

　　1、Zigbee模塊初始化過(guò)程

　　Zigbee模塊進(jìn)行通信之前需要進(jìn)行有效的初始化，初始化也是網(wǎng)絡(luò)的完整性和有效性驗(yàn)證。在初始化通信過(guò)程中，F(xiàn)LCH節(jié)點(diǎn)主動(dòng)廣播連接信令，在SN節(jié)點(diǎn)成功地接收和驗(yàn)證一個(gè)數(shù)據(jù)幀和MAC命令幀后，向FLCH節(jié)點(diǎn)返回確認(rèn)幀，SN節(jié)點(diǎn)的Zigbee模塊被置于Sleep工作模式，接下來(lái)FLCH節(jié)點(diǎn)與 SN節(jié)點(diǎn)進(jìn)行主從角色轉(zhuǎn)換，F(xiàn)LCH節(jié)點(diǎn)模塊處于從模式工作狀態(tài)，等候響應(yīng)連接請(qǐng)求信令；此時(shí)SN節(jié)點(diǎn)中的Zigbee模塊工作在主模式下，等待著有需求時(shí)喚醒發(fā)起連接請(qǐng)求。在初始化結(jié)束后，SN節(jié)點(diǎn)Zigbee模塊工作于Sleep模式，拒絕任何的連接請(qǐng)求。這種設(shè)計(jì)大大降低了傳感器節(jié)點(diǎn)的功耗；并且傳感器節(jié)點(diǎn)只是在有需求時(shí)喚醒并主動(dòng)與FLCH節(jié)點(diǎn)建立連接，保證了FLCH節(jié)點(diǎn)和傳感器節(jié)點(diǎn)間通信的安全可靠。

　　2、Zigbee模塊信息處理過(guò)程

　　信息處理過(guò)程是在傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件檢測(cè)電路檢測(cè)到其所在的環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，由傳感器節(jié)點(diǎn)中的Zigbee模塊對(duì)信息簡(jiǎn)單處理后，主動(dòng)發(fā)起連接將處理后的信息傳送給FLCH節(jié)點(diǎn)，由于在工程中測(cè)試結(jié)論已表明，該無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的SN節(jié)點(diǎn)99％以上的時(shí)間處于Sleep狀態(tài)，只需要周期性地監(jiān)聽(tīng)其無(wú)線信道，判斷是否有需要自己處理的數(shù)據(jù)消息，功耗的數(shù)學(xué)期望值可低至30μA。[4][5]

　　3、Zigbee基站節(jié)點(diǎn)和GSM數(shù)據(jù)模塊

　　分布在傳感器網(wǎng)絡(luò)中的基站（BS）節(jié)點(diǎn)主要用于接收SN節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)上報(bào)，并將其進(jìn)行融合處理，傳給TC35數(shù)據(jù)模塊,通過(guò)GSM網(wǎng)絡(luò)傳遞給中央信息控制中心。BS節(jié)點(diǎn)由Zigbee模塊、MCUAtmegal-128L、GSM數(shù)據(jù)模塊TC35組成。Zigbee模塊和微控制器之間的連接是通過(guò)異步串行口實(shí)現(xiàn)的，它們之間的通信速度為38.4kBaud，由于傳感器網(wǎng)絡(luò)中分布著多個(gè)SLCH節(jié)點(diǎn)，因此基站節(jié)點(diǎn)的MCU要利用軟件中斷實(shí)現(xiàn)對(duì)不同ID 的SLCH節(jié)點(diǎn)上傳數(shù)據(jù)輪詢掃描，使SLCH節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)可以有序、完整地通過(guò)微控制器處理后傳出?；荆˙S）節(jié)點(diǎn)在此傳感器網(wǎng)絡(luò)中充當(dāng)?shù)氖莻鞲衅鞴?jié)點(diǎn)和 GSM網(wǎng)絡(luò)之間的網(wǎng)關(guān)。利用Atmegal-128L控制TC35模塊完成BS節(jié)點(diǎn)和控制中心的通信。Atmegal-128L與TC35通過(guò)異步串行口相連，通過(guò)AT指令對(duì)GSM控制器進(jìn)行寫(xiě)操作，模塊支持標(biāo)準(zhǔn)AT指令，可采用SIMENS增強(qiáng)AT指令控制進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，在工程應(yīng)用時(shí)，只需要給模塊配備 SIM即可[6]。

　　4、中央信息控制中心

　　中央信息控制中心由監(jiān)控模塊、配置模塊、數(shù)據(jù)庫(kù)三個(gè)部分組成。它通過(guò)GSM網(wǎng)絡(luò)與多個(gè)匯節(jié)點(diǎn)間接連接在一起，監(jiān)控模塊通過(guò)對(duì)通信串口的實(shí)時(shí)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)對(duì)分布式匯節(jié)點(diǎn)上報(bào)信息的及時(shí)接收、解析、處理以及發(fā)送控制信令給不同ID的SLCH節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)的間接、實(shí)時(shí)性的監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集。

　　五、實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　選用GAINZ節(jié)點(diǎn)模塊和事件驅(qū)動(dòng)接口板，選取部分火災(zāi)探測(cè)智能算法，取得初步的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。結(jié)果表明采用標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，結(jié)合火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)特點(diǎn)，和智能算法在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN構(gòu)架下，開(kāi)發(fā)火災(zāi)智能無(wú)線報(bào)警系統(tǒng)是可行的?；馂?zāi)無(wú)線傳感器硬件和軟件平臺(tái)的設(shè)計(jì)對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用至關(guān)重要，作為整個(gè)系統(tǒng)的底層支持，其必然向微型化、高度集成化、網(wǎng)絡(luò)化、節(jié)能化、智能化的方向發(fā)展，近幾年，隨著計(jì)算機(jī)成本下降和微處理器體積縮小，開(kāi)發(fā)和構(gòu)造火災(zāi)智能無(wú)線報(bào)警系統(tǒng)將有廣闊的應(yīng)用前景。工程試驗(yàn)結(jié)果充分顯示了技術(shù)的可行性和實(shí)現(xiàn)的有效性。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]<> 0-7803-7700-1/03 2003 IEEE。

　　[2] ZigBee technology and applications: Freescale Technology Forum

　　[3]Sinha A,Chandrakasan A.Energy aware software[A].Proc.VLSI Design 2000 [C].-Calcutta,India,2000,1。

　　[4] I. F. Akyildiz, W. Su, Y. Sankarasubramaniam and E. Cayirci. Wirelesssensor networks: a survey

　　[5] Estrin,D. “Wireless sensor networks：application driver for low Power distributed systems”. Low Power Electronics and Design, International Symposium on，2001，page:194．

　　[6] 章步云.GSM數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)及其在野外實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應(yīng)用.通信學(xué)報(bào).2004,vol.25 page:94-97