无线传感器网络技术在公安消防中的应用

[摘要] 本文分析了现有的基于有线消防报警系统在工作原理上存在的不可避免的问题及在实际应用中存在的缺陷,详细地阐述了新兴无线传感器技术的原理及优势特点,结合公安消防部队业务工作特点及实际情况,说明了无线传感器技术在消防工作中的几项具体应用,并重点分析了在应用过程中所遇到的智能路由的技术实现办法。

[关键词] 无线传感器 分布智能 智能路由 消防系统

一、引言

近年来,随着我国通信事业的发展,消防通信已被政府部门提到相关的议事项目。在社会实践中,也被各行业所认可,特别是我国有许多大中城市,高楼分布密集,人口相对集中,对灭火救助的难度相应增加,同时对消防通信的要求也越来越高。

火灾作为一种发生频率较高的灾害,通常会造成人员伤亡和巨大的财产损失,现代社会,特别在高层和人员密集场所,导致的损失更是不可估量。为把火灾消灭在初期阶段,避免小火演变成大火的悲剧,现在的大型楼宇或人员密集场所均要求安装火灾报警系统。但现有的火灾报警系统,大多采用有线 对火灾传感器进行 组建。这类方案是扩展性能差,布线繁琐,增减或改动不方便灵活,更因明线的敷设影响美观。另外,由于采用硬线连接,线路容易老化或遭到腐蚀、鼠咬、磨损,故障发生率较高,误报警率高。因此,针对上述弊端,采用无线传输方式构建无线火灾传感器网络的方案孕育而生。它不仅能完全避免上述问题。相对而言,无线的方式比较灵活,避免了重新布线的麻烦,网络的基础设施不再需要掩埋在地下或隐藏在墙里,无线网络可以适应移动或变化的需要。

二、系统概述

采用无线传感器构成软硬件结合的无线消防报警应用系统,可满足消防战斗员火灾现场定位和楼宇消防监控的需要。系统利用每个网络节点的智能处理器,将光电烟雾探测、温度探测和CO气体探测所得的信息进行综合,经建模分析后,得出是否发生火灾的判断,进行现场声光报警,再将数据以无线通信方式发送至协调器,对数据进行处理和存储记录,并在消防控制中心进行声光报警,实现分布智能式无线消防报警网络系统。该系统还可使消防主管部门实时掌握现场各个区域消防人员和消防设施的详细信息及数目,在消防人员到达火场之前就能全面了解火灾现场消防设施分布情况,为现场指挥提供有效的资料。并且,在消防员进入火场后,系统能快速定位消防员方位,当遇到危险,可迅速撤离或施救。同时,系统还可以通过消防员随身携带装置的传感器,向指挥车上报活动区域内的烟气或有害气体浓度,并通过测量消防员的体征指数,反映消防员的身体状况。

三、无线传感系统技术特点

无线传感器网络技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术,主要适合于自动控制和远程控制领域,可以嵌入到各种设备中,同时支持地理定位功能。

一般而言,随着通信距离的增大,设备的复杂度、功耗以及系统成本都在增加。相对于现有的各种无线通信技术,无线传感器网络技术将是功耗和成本最低的技术;但是该技术的数据速率低和通信范围较小的特点,又决定了该技术适合于承载数据流量较小的业务。

无线传感器网络技术可采用的拓扑模型有星形网络结构、网状网络结构和簇状树形结构(Mesh)。

无线传感器网络技术有以下特点:

(1)省电。由于工作周期很短、收发信息功耗较低,并且采用了休眠模式,因此该技术可以确保2节五号电池支持长达2～3年左右的使用时间。当然,不同的应用对应的功耗自然是不同的。

(2)可靠。采用了碰撞避免机制,同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙,避免了发送数据时的竞争和冲突。MAC层采用了完全确认的数据传输机制,每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息。

(3)成本低。模块价格低廉,且协议免专利费。

(4)时延短。通过优化时延敏感的应用,通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短。设备搜索时延典型值为30ms,休眠激活时延典型值是15ms,活动设备信道接入时延为15ms。

(5)节点通信设置易于配置。

(6)网络容量大。系统可以采用星形、网状、串状结构组网,而且可以通过任一节点连接组成更大的网络结构。从理论上讲,其可连接的节点多达64000个。1个网络最多可以容纳254个从设备和1个主设备,1个区域内可以同时存在最多100个网络。

(7)安全。提供了数据完整性检查和鉴权功能,加密算法采用ACS128,同时各个应用可以灵活确定其安全属性。

(8)全球通用性和完好的开放性。标准协议,使设备间的通信成为轻而易举的事情。

四、无线传感器网络在消防工作中的具体应用

1.基于无线传感器网络技术构建火灾报警系统

无线传感器将探测到的火灾信号通过无线通信方式发送至数据集中器;数据集中器将收集的数据送至火灾监控中心,再由火灾监控中心对这些数据进行计算处理和统计评估。火灾信号判断的原则不是简单的非准则,而需要同时考虑其他多种因素。根据预先设定的有关规则,将这些数据转换为适当的报警动作指标,相应地发出预报警。例如,产生少量烟,但温度急剧上升――发出报警;产生少量烟,且温升平缓――发出预报警等。

网络节点逻辑功能上,设备可以分为:终端设备(Enddevice)、路由节点(Router)、网络协调器(Pancoordinator);从设备的功能性上区分,可以分为:全功能设备FFD(Full function device)和简约功能设备RFD(Reduced function device)。其中,全功能设备可以充当网络协调器、路由结点或终端设备,而简约功能设备只能充当终端设备节点。因此,从网络逻辑结构上分析,火灾报警系统内的数据集中器是网络中的网络协调器;数据集中点是路由节点;无线传感器是终端设备,根据传感器安置的位置,也可设为路由节点。一个网络最多支持65535个节点,完全可以满足需要。

系统主要由数据采集端和数据接收端构成。数据采集端由传感器、MCU和无线收发芯片等组成。MCU与无线收发芯片通过SPI总线连接,二者构成无线传输模块。数据接收端使用相同的无线收发模块,并利用RS232异步串口与PC机通信。其功能相当于一个接入点,一方面,将主机向数据采集端发送的控制信号以无线的方式发射出去,另一方面,接收采集数据并上传给主机。

当传感器测试到火灾信号后,通过数据基数按和统计评估,根据预设的规则,将数据转换为相应的报警指标,发出相应预报警。

2.基于无线传感器网络技术构建救灾人员定位系统

基于无线传感器网络技术构建的救灾人员定位系统,能够为指挥中心或指挥车上的指挥员提供消防战斗员在大楼中的位置信息。

传感器仅用两节AA电池,能够安装在商业大楼中的烟尘探测器,房顶或门道等处,传感器读取范围达100英尺。传感器每隔两秒发送射频信号,搜寻消防队员。每位消防员的氧气瓶上装有能接受来自楼内传感器发出的信号、也能将反馈信息的无线传感器,传感器都有唯一编号。当消防员楼内传感器经过时,氧气瓶上的传感器就能将它的编号传递给楼内传感器,从而确定消防员的位置。这些位置信息通过无线传感器网络传送到总指挥或现场指挥的电脑。这些电脑通过查看建筑物在建设时提交的AutoCAD图纸,消防员的位置就以点的形式出现在屏幕上。

与此同时,楼内传感器也能监测烟雾浓度、温度及有毒气体指数,根据楼宇传感器的分布情况,任何时候楼内的数十个传感器都能与消防员上的相应的传感器相互通信,在保证数据信息有效准确的同时。将现场各项指数传至指挥端,及时准确的掌握消防员的位置,帮助指挥员做出决策,例如什么时候适合进行灭火总攻,什么时候下达撤离指令等。

五、技术难点――无线智能路由系统

无线智能路由系统是指采用接力传递的方式进行无线数据通讯,在不增加无线节点发射功率的情况下,通过中继无线节点的数据接力传递来增加无线通讯的距离。

在采用无线智能寻由技术的无线矢量网络中,每个无线节点具有收发数据功能并以同频半双工方式工作,同时在无线矢量网络中具有唯一的地址编号。根据每个无线节点在无线矢量网络中所在位置的场强及灵敏度,对无线矢量网络中的纵向网络,在安装时人工设定各层横向网络的中继节点及无线矢量网络的主中继节点,同时设定各中继节点之间及中继节点与主节点之间的智能路由;对无线矢量网络中的横向网络,在安装时人工设定中继节点与其它无线节点形成蜂窝的智能路由。这些智能路由表保存在节点管理器及各节点中。当一个无线节点无法与另一个无线节点通信时,无线节点将根据设定的路由表智能自动查找合适的中继节点,经由若干中继节点的传递后与目的节点实现通信。

在一个无线矢量网络中不存在确定的中继节点,任意一个无线节点都可实现中继功能。中继节点的选择由无线节点所在位置的场强及灵敏度决定。主中继节点负责无线矢量网络与节点管理器之间以及与其它中继节点之间的通讯;中继节点负责与主中继节点及其它中继节点之间的通讯。

如图2所示,01至12为无线节点在无线矢量网络中的唯一地址编号,99为区域节点管理器的唯一地址编号。01为无线矢量网络中的主中继节点及横向网络A的中继节点;08及09为横向网络B及C的中继节点。绿色路由为安装时人工设定的中继节点之间,中继节点与主中继节点之间以及区域节点管理器与主中继节点之间的智能路由;红色虚线路由为安装时人工设定的每个横向网络的中继节点与其它无线节点形成蜂窝的智能路由。通信开始时,各横向网络中的中继节点及主中继节点按照路由表与区域节点管理器形成数据链路,同时横向网络A、B及C中的无线节点按照路由表与各自的中继节点生成蜂窝。蜂窝中各无线节点的数据通过各自的中继节点及其它蜂窝的中继节点传递至主中继节点及区域节点管理器,实现各无线节点数据的接力传递(见图3)。

图3中12号节点与01号节点之间的距离大大超过无线节点点对点通讯距离,通过无线智能寻由技术,经过多次接力传递,延长了通信距离。各无线节点平时处于“休眠”状态,只在工作时“苏醒”。这种工作方式节约能源,延长了电池使用寿命。通过采用合理的运行时序,无线智能寻由系统的维护周期可达到5～10年。

参考文献:

[1]孙利民.无线传感器网络.清华大学出版社,2005.

[2]崔逊学,赵湛,王成.无线传感器网络的领域应用与设计技术.国防工业出版社,2009,5.

[3]周贤伟,覃伯平,徐福华.无线传感器网络与安全.国防工业出版社,2007,6.