基于无线传感器网络火情定位方法

摘 要： 现有的火情监控体系无法准确定位燃火点，预测精度低下，人流量较多的场所火情隐患尤其严重。因此，提出基于无线传感器网络火情定位方法，该火情定位方法由火情探测器、监控端和无线通信系统构成，采用火情探测器中的温度传感器和气象传感器获取火情数据，利用ZigBee无线传感网络将火情数据反馈给监控端，完成火情检测。火情探测器包括阵列传感器模块、信息管理模块和ZigBee无线通信模块，实现火情数据的获取、分析和传输。在软件设计过程中，给出温湿度采集程序的代码，并分析了基于无线传感器网络的火情定位方法，准确定位出火源位置。实验结果表明，所提方法能够准确检测到温度、湿度、烟雾信息，实现火情的准确定位。

关键词： 无线传感器； ZigBee； 火情探测器； 火情定位

中图分类号： TN926?34； TN99 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2016）24?0034?05

Fire location method based on wireless sensor network

SI Xiayan， SONG Dan， L? Xiaoling， FU Yanqing

（College of Optical and Electronic Information， Changchun University of Science and Technology， Changchun 130012， China）

Abstract： Since the available fire monitoring system can′t locate the fire position accurately， its prediction accuracy is low， and the fire hidden trouble in places with high visitor flow rate is especially serious， the fire positioning method based on wireless sensor network is put forward. This method is composed of the fire detector， monitoring terminal and wireless communication system. The temperature sensor and meteorological sensor in fire detector are used to acquire the fire data， and then the ZigBee wireless sensor network （WSN） is used to feed the fire data back to the monitoring terminal to accomplish the fire detection. The fire detector includes the array sensor module， information management module and ZigBee wireless communication module， which can realize the acquisition， analysis and transmission of fire data. In the process of software design， the code of temperature and humidity acquisition program is given， and the fire location method based on wireless sensor network is analyzed. The fire source position can be located accurately. The experimental results indicate that the method can detect the temperature， humidity and smoke information accurately， and realize the accurate fire positioning.

Keywords： wireless sensor； ZigBee； fire detector； fire positioning

火情隐患突发性强，由于传统的火情监控体系无法准确定位燃火点，因此消防员并没有完善的灭火方案，常常主观猜测着火点位置[1?4]。据不完全统计：在以往的火情案例中，由于无法有效确定着火点导致扑灭不及时的占80%以上。并且现有的火情监控体系无法准确定位燃火点，预测精度低下，人流量较多的场所火情隐患尤其严重。因此，寻求一种有效的火情定位方法，对于确保人民群众的生命和财产具有重要意义[5?6]。现有的火情定位方法都存在一定缺陷，文献[7]提出了利用总线制的感烟探测器预测火情的方式，将探测到的异常火情信号进行统一报警，但这种方式只能单方面进行烟雾探测，无法对火情中的其他异常因素进行检测，预测效果不理想。文献[8]提出了分散线制的电气火情探测器，通过检测用电器的用电安全对火情隐患进行预警，但这种方法结构单一，实用性低。为了解决上述问题，本文提出了基于无线传感网络的火情定位方法，该火情定位方法由火情探测器、监控端和无线通信系统构成。

1 基于无线传感器网络火情定位系统

1.1 基于无线传感器网络火情定位系统的总体设计

无线传感器网络火情定位系统由火情探测器、监控端和无线通信系统构成，如图1所示。火情探测器是火情定位系统的关键。

首先，系统利用火情探测器中的电子鼻进行火情预报，电子鼻是一种模拟动物嗅觉器官开发出的高科技产品，该产品可以有效防止火情定位误差的发生，能够辨识火情类别，使得系统能够在火情发生前便完成分类并通信；其次，系统配置了火情无线通信系统，其发送系统使用了一种短距离、低功耗的ZigBee无线通信手段，以缩减系统运营成本、完成火情的有效定位。无线通信系统通过ZigBee无线通信手段将火情探测器的输出信号传递到监控端进行分析，实现火情预警。

1.2 火情定位系统硬件设计

火情定位系统硬件构成主要包括监控端和火情探测器。无线传感器网络输出值保存在监控端，监控端呈现出火情探测器的运行状态。火情探测器利用电子鼻进行火情预报与类别检测，再经由无线传感系统将火情信息传递出去。

1.2.1 火情探测器硬件设计

图2描述的是火情探测器模块结构图，其由阵列传感器模块、信息管理模块和ZigBee无线通信模块构成，完成火情数据的获取、分析和传输。

（1） 阵列传感器模块

采用某公司研发的温度传感器并配备一系列气象传感器接口，构成了一个运行平稳的阵列传感器模块，图3为该阵列传感器模块构成图。

图3中的PT100是一种精确的智能温度传感器，其实际工作电压同环境温度呈完全正相关性，在已知环境温度的情况下，即可输出传感器的实际工作电压，设备拥有一键精确校准以及变压器独立运行等优点，符合火情定位的参数要求。

图4为阵列传感器模块电路图，数字1代表电路接地端；数字2代表传感器检测到的气体；数字3代表电源；数字4代表开关输出；SW代表传感器加热信号。图4中气象传感器的类型有：CO气象传感器、CO2气象传感器以及有机气体气象传感器。这些气象传感器能够辨识出所有火灾中易产生的气体物质，并可对这些气体进行有效分类。

（2） 信息管理模块

数据输入模块、数据输出模块、数据增减模块、电路开关输出模块构成了一个完整的信息管理模块，其结构如图5所示。信息管理模块用于管理传感器的仿真输入，对数据进行必要的增减。

图6是数据增减模块和电路开关输出模块的信号接点电路图，由图6可知，传感器数据由M3接口输入，调控R1～R4的电阻值可控制气体信号的电压变化。Q1和Q2是气象传感器的两个开关。输入脉冲管控着气体信号的加热频率和和读取频率。若图6中的温度开关输出高于1.25 V，则需进行信号的调整管控；输出低于1.25 V时，将M3接口的输出值集合到M2接口，经由一系列调整后接入P1接口，交由ZigBee无线通信体系进行管控。

（3） ZigBee无线通信模块

信息管理模块中传感器输出的数据将汇集于ZigBee无线通信模块，再利用CC2530主芯片进行管控，其中的CC2530主芯片结构图如图7所示，主芯片先将数据进行火情类型分辨，再由天线远程传递到监控端进行分析。

采用的CC2530芯片是基于2.4 GHz IEEE 802.15.4，ZigBee 以及RF4CE研发的片上系统，可满足各类ZigBee无线通信体系设施的网络节点要求。该芯片提供了无线电频率前端、内存以及数据管控设备，采用8位单片微型计算机、128 KB随机存取存储器的可编程只读存储器、模拟数字转换器、看门狗定时器、给电回位电路和21种芯片的输入输出管脚。CC2530芯片运用6 mm ×6 mm的QFN40封装。CC2530芯片可以用低成本建设功能完善的无线传感网络节点，即可通过较少的零件便可以完成火情信息的输入和输出。

1.2.2 监控端硬件设计

ZigBee无线通信模块、串口转接电路和主机构成了监控端的硬件模块，如图8所示。利用ZigBee通信模块完成无线传感网络的管控与数据的收发。因为CC2530芯片串口M2和M3为非反向电压，故应转换电压后再开始连通主机串口，进而收集ZigBee通信模块中的数据，完成人机互动。把CC2530芯片接于转接电路中的M2和M3延伸面板串口，同主机中的计算机相连，完成串口通信。

2 火情定位系统软件设计

2.1 温湿度采集的软件设计

火情定位系统根据获取到的温湿度值能够合理推测火情隐患是否存在。系统中的PT100温湿度传感器借助于串行线LM3S811与SHT11输出温湿度数值。因SHT11串口不满足[I2C]总线协议，则LM3S811应经由输入/输出端口进行SHT11仿真传输时序。系统的温湿度传感器PT100对SHT11串口进行管控。设计的温湿度采集流程图，如图9所示。

2.2 基于无线传感网络的火情定位方法

火情监控无线网络拓扑结构图如图10所示。可通过分析无线传感网络中节点数据判断是否存在火情隐患，监控端分析正在进行预警的节点状态，可对火情的发生位置进行预先定位，使得工作人员能够提出更加有效的方案，提高安全系数。

在火情还未开始大面积蔓延前，可燃物燃烧会产生大量烟雾但整体温度不会很快上升，因此利用气象传感器能够快速监测到烟雾异常并进行准确定位。图11是一定范围内无风状态下烟雾扩散图。

分析图11可得，烟雾浓度随着火点距离的增大而减少，推导出节点与火源间的距离差[Δr]同烟雾浓度差[Δp]的数学表达式为：

[Δr=Δpv] （1）

图12是火源定位算法原理图。分别放置于3面侧壁与顶壁的4个传感器节点，用来检测位于底壁的火源，根据无风状态下的烟雾扩散图，给定烟雾扩散速率值v，4个传感器的检测数据值为[pi]，火源的烟雾浓度为[p0]，则可得出火源的距离[ri]的数学表达式为：

[ri=p0-piv] （2）

利用定位法，给定图中节点的坐标为[（xi，yi，zi）]，推断整理可得出火源处的坐标为：

[O=（xO，yO，zO）] （3）

3 实验分析

3.1 实验布置

实验在标准火情燃烧试验室进行，火源设在燃烧室地面中心处，火情探测器部署在以顶棚中心为圆心、半径为3 m的圆环上，详细的部署图如图13所示。燃烧试验室的顶棚表面部署6个无线探测器节点，试验室中部署基站，通过对比2号光电感烟探测器和4号光电感烟探测器，完成烟雾数据的检测，采用热电偶数据检测温度数据，验证本文提出的基于无线传感器网络的火情定位方法的准确性。

3.2 实验结果分析

采用本文提出的基于无线传感器网络的火情定位方法探测光电感烟结果如图14所示，曲线2与曲线4是光电传感器输出值，曲线1与曲线3是本文方法节点上的烟雾传感器输出值。将实验结果代入实际生活中进行分析比对后发现，二者的数值几乎无差异，且实验中的烟雾量可以被传感器准确捕捉，实现无线传感器对火情的有效定位。说明本文提出的基于无线传感器网络火情定位方法是有效的。

本文方法的温度监控结果如图15所示，S1与S2是温度传感器输出值，由图15可知，烟雾暴露在空气中一定时间后会自动消散，而随时间增长温度传感器感应到的温度值渐渐提高。实验中节点温湿度变化趋势曲线如图16和图17所示，实验室内的实际温湿度并不恒定，且探测器感应到的温湿度数值也与其安装地点有关。虽影响因素较多，但本文方法检测到的温度增减区间相差不大，如表1所示。

综合分析以上实验结果得知：本文设计的基于无线传感网络的火情定位方法，采用了对温度、湿度、烟雾实施实时自动智能监控手段。当检测到有可能发生火情时，通过传感器节点及时将火情信息上传至监控端，经由监控端火情定位方法分析定位后输出预警，保障了火情定位的准确预测。

4 结 论

本文提出基于无线传感器网络火情定位方法，该火情定位方法由火情探测器、监控端和无线通信系统构成，采用火情探测器中的温度传感器和气象传感器获取火情数据，利用ZigBee无线传感网络将火情数据反馈给监控端，完成火情检测。实验结果表明，所提方法能够准确检测到温度、湿度、烟雾信息，实现火情的准确定位。

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