摘 要： 为了减少楼宇火灾中人员的伤亡与财物损失,针对现有消防报警系统施工与维护复杂、抗干扰能力低等问题,提出了基于ZigBee静态网络与移动节点相结合，监测、显示、储存为一体的可靠的无线火警远程监控与定位系统。该系统采用基于IEEE 802.15.4标准的ZigBee技术，硬件平台以集成了射频与51微控制器的CC2430芯片和AVR单片机为核心，软件采用了TI公司的Zstack协议栈。经过实验，该系统能够监测楼层各房间的烟雾浓度和温湿度信息，并由监控终端根据预先设定的阈值，判断是否有火灾发生，定时报告房间的安全情况。该系统具有良好的应用前景和经济效益。
关键词： ZigBee技术;无线传感网络;CC2431定位;消防报警系统
0 引言
随着城市现代化的迅速发展，人员密集的现代建筑越来越多，加上可燃装修材料和现代化设施的增多，这些建筑一旦发生火灾将产生严重后果，因此对消防的要求也提升到了新的高度。本文对基于ZigBee技术[1]的楼宇消防系统进行了研究，利用无线传感器网络[2]部署简单、不需频繁更换电池、成本低、维护方便等优点，通过大量、密集布置节点来观察环境信息，为消防环境监测提供新途径，以解决传统火灾自动报警系统[3]在实际应用中存在的施工与维护复杂、抗干扰能力低、故障率和误报率高等问题。在消防领域,可利用嵌入在烟雾感测器中的ZigBee无线模块组成一个全无线的消防报警网络,该网络兼有无线追踪定位功能,可通过建筑物内的无线传感器网络及消防人员随身携带的移动装置,动态掌握进入火灾现场的人员位置和状态。其成果在一定程度上加快了遇险消防员的定位速度，有效缩短搜救时间，保障了遇险消防员和搜救人员共同的安全。
1 系统总体设计
本文重点实现三个功能,一为节点间数据的传输,二为无线传感网络的建立,三为网络覆盖范围内节点的定位。系统由两个子系统构成：远程消防监控系统和定位系统。远程消防监控系统的总体结构如图1所示。
监控系统的工作流程是由集成传感器采集数据，然后经AVR单片机处理，AVR单片机将数据通过串口RS232传给ZigBee节点。如果采集的数据超过设定值，AVR单片机将驱动喷水灭火与报警装置；如果采集的数据未超过设定值，ZigBee节点将把接收到的数据通过ZigBee网络传到协调器，协调器节点通过网关转换将数据传送到Internet，监控中心通过进入Internet网络监控并控制报警与灭火装置。
定位系统[4]则是消防监控系统中的一个重要补充，其工作过程为：当位于某一房间内的传感器检测到火灾时，起火点的报警器将被触发，并及时向建筑物内人员发出危险警示，告知人员迅速撤离现场。同时立即将信号传给监控中心，通过对应节点的ID得出所在房间的位置，测控中心便可立刻依据定位系统上报的地点安排消防救护工作，指引消防人员快速进入现场。无线ZigBee网络还可自动追踪进入火灾现场的消防人员的位置信息，消防指挥官可通过无线传感器网络及消防人员随身携带的移动装置，动态掌握进入人员的位置和状态。
2 监控系统设计
远程消防监控系统主要实现两方面监控:楼道与走廊的监控和室内的监控。监控系统由数据采集、数据传输、网关、监控终端等部分构成。数据采集部分如图2所示。
数据采集部分主要是探测智能楼宇中各种火情火警信息，是整个智能楼宇消防系统的最基础的部分，在本文设计的智能楼宇消防系统中，能够支持的火情探测类型主要包括烟雾探测、温度探测、湿度探测和火焰探测。在具体实施时，这些探测器将采用分布式的方式部署在整个智能楼宇中的各个角落，实时地监控智能楼宇中的各种火情信息。系统硬件由火焰传感器模块、蜂鸣器、温湿度传感器DHT11、烟雾浓度传感器MQ-2、AVR单片机（采用ATMEL公司的8位ATmega128）和CC2430组成。供电电压5 V。
数据传输主要指CC2430与AVR单片机之间的串口通信以及ZigBee节点之间的无线网络通信。数据传输的目的是把数据无线传输到监控中心，通过监控中心来控制传感节点。
网关是在高性能、低功耗的AVR系列微处理器上设计一个ZigBee与WiFi的无线数据转发设备。以便更好地将ZigBee、WiFi设备与传统的以太网连接起来，实现两个异构网络之间的数据透明转换和数据传输。
监控终端由PC机或手机构成。
远程消防监控系统的总体流程如图3所示。
3 定位系统设计
3.1 RSSI定位原理
基于信号强度测距法(Received Signal Strength Indicator，RSSI)[5]是通过接收到的信号强弱测定信号点与接收点的距离，进而根据相应数据进行定位计算的一种定位技术。理论上节点之间的距离越远，则信号衰减得越厉害，因此可以根据RSSI来估计信号传输的距离。RSSI的定义为接收端通过信号的强度指示，为电路测得的信号电压值，通常也将其表示为电压值的平方。在无线通信中，RSSI的值可以由一般通信中的信号测得，因此不需要额外的带宽和设备。因此基于RSSI的定位算法相对来说较为简单和廉价，也是定位研究的重点。
本设计采用的即是RSSI算法。接收信号强度是传输功率和传输距离（收发者之间的距离）的函数。式子中n是信号传播常数，也叫传播系数，数值大小取决于无线信号传播的环境；d是与发送者的距离；A是距发送者1 m时的信号强度；PR是无线信号的接收功率；PT是无线信号的发射功率；r是发射机与接收机之间的距离。接收信号强度会随距离的增加递减，无线信号的发射功率与接收功率之间的关系可用式（1）表示：
10n1g r=10PT/PR （1）
由于节点的发射功率已知，将发送功率代入式（1）可得：
101g PR=A-101g r （2）
其中，101g PR是接收功率转换为dBm的表达式，可以直接写成式（3）。在式（3）中A可以看作信号传输1 m远时接收信号的功率。
PR(dBm)=A-10n1g r （3）
由式（3）可以得到，常数A和n的值决定了接收信号强度与信号传输距离的关系。PR(dBm)是接收信号强度，可以用RSSI表示。因此式（3）又可以写成：
RSSI=-(10n1g d+A) （4）
3.2 定位算法
常用的测距定位算法有：三边测量算法、三角测量算法和最大似然估计算法。本方案因在楼宇某一层实验，所以可看做二维平面,算法可以选为简单的三边测量法。
假设移动节点O接收到n( n≥3) 个固定节点发送的信号，从接收到的n个信号中选取接收信号最强的3个固定节点作为信标节点A、B、C，根据RSSI测距方法测量到的距离分别为dA、dB、dC，根据dA、dB、dC的关系可以分情况来讨论：如果分别以3个信标节点A、B、C为圆心，以测量到的dA、dB、dC 为半径的3个圆相交于一点，则可以采用三边测量法来实现；如果不相交于一点，则可以根据质心法来实现。
三边测距法如图4所示，以3个节点A、B、C为圆心的坐标分别为(Xa，Ya)、(Xb，Yb)、(Xc, Yc),这3个圆周相交于一点D，交点D即为定位系统中的盲节点，A、B、C 3个节点与交点D的距离分别为da、db、dc，假设交点D的坐标为(X，Y)。则满足：
由上式可以得到交点D的坐标为：
3.3 定位流程
从定位系统的角度可将节点分为两类:第一类是固定安装、位置已知的节点，即参考节点(Reference Node)，参考节点将会接收到移动节点信息(RSSI和LQI)，并传送到协调器进行处理；第二类是消防人员随身携带的嵌入无线模块的移动装置，即盲节点(Blind Node)需要对其进行定位[6]的目标节点。两类的本质区别在于节点在加入网络之前能否知道自己的坐标位置。CC2431定位流程图如5所示。
4 实验结果分析
本实验以楼宇某一层为试验点，实验中分布安装了8个终端节点来采集房间的温度、湿度和烟雾浓度；并且安装了6个路由节点组成静态网络来传输信息。图6和图7分别为正常情况下和实验火条件下，随机提取的8个节点的多传感器信息，通过数据对比可以看出房间8的数据变化幅度较大，可以推断发生了火灾。通过实验结果可以看出，系统采集的温湿度和气体烟雾数据通过ZigBee网络传输后依然准确可靠。表明ZigBee网状结构[7]具有稳定性，可以有效监控房间内的实时情况。
通过实地测量验证了基于RSSI定位系统的可行性。当在某一楼层定位时，根据各个房间RSSI值的强弱，不用算法，即可大致判断火灾发生在哪个房间。图8表明当在某室内定位时，可根据接收信号强度和参考节点的坐标位置计算出盲节点的坐标。
5 结论
本文规划了消防报警系统的总体方案，对微控制器、数据采集、感测模块等进行了设计，并对ZigBee网络组网与数据传输进行了研究，对定位算法进行了探讨。本文设计了分布式火灾自动报警设备监测系统的通信组网方案，实现了消防报警的高可靠、低误报、网络化、智能化，为楼宇消防工作提供了有力的技术支撑和保障，进而提升了楼宇失火预防和抗御火灾[8]的综合能力。在实际的消防系统中，环境的复杂程度较高，因而在RSSI接收处理算法上需要进一步完善，以适应更复杂的环境。
参考文献
[1] 瞿雷，刘胜德，胡咸斌. ZigBee技术及应用[M]. 北京：北京航空航天大学出版社，2007.
[2] 王小强，欧阳骏，黄宁淋. ZigBee无线传感器网络设计与实现[M]. 北京：化学工业出版社，2012.
[3] 丁凡,周永明. 基于STM32和ZigBee的无线校园火灾报警系统设计[J]. 微型机与应用，2012,31(6):44-46.
[4] 黄鹏. 智能楼宇消防系统自动控制系统设计智能楼宇消防[J]. 系统自动控制系统,2013,28(3):138-140.
[5] 白旭华，张瑞峰，张肖萌，等. 基于ZigBee网络的室内定位系统的设计与实现[J]. 天津理工大学学报，2012,28(2):11-14.
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