摘要：针对复杂的建筑结构和受地理条件限制的场所难以铺设通信线路的问题，开发了一种基于无线自组网GPRS的火灾监控报警系统。以射频芯片为无线自组网核心，承载网络协议，实现各节点设备的无线连接。数据中心节点接入GPRS，向消防中心传输信息。该系统已在实践中得到应用，实现了本地报警和远程监控。

0 简介

越来越多的大型复杂建筑、人员密集场所、地下建筑、危险品存放场所等的出现，使得传统的有线报警系统[1]无法满足要求。无线自组网[2]不需要基站和铺设通信线路，覆盖范围广。探测器可以放置在任何位置，具有许多分布式节点，并且不受建筑条件的限制。布局简单，维护方便，成本低，适用于各种复杂建筑。是有线火灾监控系统的有效补充。

在业界，存在广泛用于无线自组织网络的协议 [3] 和 [4]。在火灾监测领域，技术也有研究[5]，但使用2.4GHz频段，穿透能力较差，对建筑物的穿透能力和抗干扰能力，尤其是在复杂结构中，远远低于 433 MHz。嗯，传输距离很远。

鉴于以上背景，本文开发了一种基于的火灾报警系统，并采用协议构建无线自组网。

同时，根据国家标准《火灾自动报警系统设计规范2013》[6]，在开发检测控制器的基础上，将可燃气体报警系统纳入火灾报警系统。实现火灾和可燃气体泄漏同时监测的系统。

1 433 MHz 无线自组织网络和通信协议

无线自组网是由分布在监控区域内的微型无线收发节点组成，通过无线通信协议的自组织网络系统，对网络覆盖范围内的计量仪表数据进行采集和处理。区域。通过网络协议可以自动配置和管理网络拓扑结构，将ad hoc网络中的无线通信接口设备作为数据中继，从而形成具有ad hoc功能的多跳无线网络。

火灾监控系统中监控设备的位置是固定的，通信协议必须具备以下功能：能够自行建立和管理通信网络；具有多跳转发机制，延长通信距离；具有较强的抗干扰和抗安全风险能力。

网络协议是TI针对低频网络开发的小型低功耗无线自组网协议。该协议提供了三种无线通信接口节点设备：数据中心节点设备、范围扩展节点设备和终端节点设备。网络协议定义的网络拓扑是点对点星型网络。通过范围扩展装置，可以实现网络拓扑扩展，以多跳的形式形成树状网络拓扑。网络拓扑如图1所示。

该协议传输距离更远，传输速率更高，适用于火灾监控系统。同时，协议源代码开放，有利于系统开发。根据火灾监测的实际布局，选择协议树网络拓扑结构。

2 系统硬件设计

本文开发的树形网络由终端检测器节点、中继器节点和数据中心节点组成。以中心节点为核心，形成RF 433 MHz的通信网络，用于节点间的无线通信。同时中心节点通过GPRS连接消防中心PC。

2.1 433 MHz 无线通信单元

无线通信单元是本设计的核心，由微处理器模块、无线通信模块、天线模块和电源模块组成。

无线通信模块采用TI开发的应用协议芯片，包含增强型内核和高性能无线收发模块芯片，包括数字转换器、定时器、32 KB Flash和4 KB RAM。同时，它集成了高度可配置的调制解调器，支持不同的调制格式，并为数据包处理、突发数据传输等提供硬件支持。只需少数外围元件即可完成系统射频电路设计。由于包含它，因此在终端节点设计中不需要外部微处理器。

在 315 MHz、433 MHz、868 MHz 和 915 MHz 的 ISM（工业、科学和医疗）免费频段中运行，具有高灵敏度和强大的抗干扰能力。降低开发和运营成本无线监控系统，减少误报和漏报。本设计采用433 MHz频段，主要考虑433 MHz的强穿透性和抗干扰性无线监控系统，适用于复杂结构和有电磁波干扰的区域。

2.2智能监控终端

智能终端设备包括传感器模块、微处理器模块和无线通信模块。硬件功能如图2所示。

由于终端探测器内嵌微处理器和无线通信模块，从单一的信号采集功能扩展为集信号采集、数据处理和无线数据传输于一体的检测控制器。根据国家标准《火灾自动报警系统设计规范2013》，将可燃气体报警系统纳入火灾监测系统，实现火灾烟雾和可燃气体泄漏的同时监测。

另外，检测控制器可在不适合联网的地区独立使用，建立自动报警系统。当烟雾或可燃气体泄漏量超过阈值时，探测器会发出声光报警。

智能终端设备的无线通信功能为：广播入网请求；加入数据中心节点设置的无线通信网络；将采集到的火灾烟雾和可燃气体报警信息发送到数据中心。

2.3 数据中心设备

数据中心设备是系统的核心，负责整个系统的组网，接收各个节点的数据、报警、数据存储和显示，并连接外网GPRS传输报警到偏远的消防中心。硬件由微处理器模块、远程数据传输模块和433 MHz无线通信模块组成。主控制器采用MO516微处理器实现监控与无线通讯的协同功能。无线通讯模块选用芯片，GPRS单元选用。结构如图3所示。

数据中心设备无线通信模块的功能是：完成无线自组网；等待终端和中继设备接入网络，为入网设备分配端口号；将终端采集的报警信息上传至消防中心。

2.4 个中继器

中继器是一种数据转发单元，由微处理器MO516和无线通信模块组成。

3 系统软件设计

软件设计包括终端探测器编程、中继器编程和数据中心编程。

在系统初始化之前，使用TI的应用程序设置系统参数，如载波频率、传输速率、通道宽度、数据调制方式等。

软件开发环境采用CCS V4.2。 Code是TI专门为TI的DSP、微处理器和应用处理器开发的集成开发环境。

协议规定，当两个设备通信时，需要有一个连接过程。连接信息必须包含4B连接标志，接受连接的设备可以允许该设备加入网络。网络连接是协议的关键步骤，主要通过监听、连接和加入来实现设备的网络加入。

在协议中，网络地址由两部分组成：物理地址（由程序设置）和应用层地址（PORT）。物理地址由编程过程设置，网络中的每个设备在网络中都有唯一的硬件物理地址。应用层地址（PORT）在设备加入过程中分配。

数据中心节点程序流程如图4所示，系统上电复位时，首先进行系统的初始化，包括BSP初始化、协议栈初始化和定时器/串口初始化。然后等待网络设备加入，如果有节点设备，建立连接并分配PORT号；如果没有，则监控是否接收到数据帧。如有报警数据，通过GPRS上报远程消防中心。

中继设备节点的作用是延长数据的通信距离，扩大设备的通信距离。中继设备节点上电复位后，首先初始化BSP、协议栈、定时器/串口，然后向数据中心节点发送加入网络的请求，等待加入。成功加入网络后，等待接收到网络数据帧，当接收到网络设备发送的网络数据帧并判断为合法时，转发数据信息。中继设备框图如图5所示。

终端节点负责数据收集。终端节点上电复位后，首先初始化BSP、协议栈、定时器/串口，然后打开串口中断，发送加入网络的请求，等待加入。终端节点加入网络后，在预设的频率或信道上发送信息序列，并使用预设的密钥对数据帧进行加解密。对采集到的数据进行处理，如果超过阈值，则向数据中心发送告警信息。接收到数据中心巡检指令后，收集终端工作状态信息并发送给数据中心。终端节点框图如图6所示。

4 个结论

上面介绍的终端检测控制器将可燃气体监测连接到火灾报警系统，实现了火灾烟雾和可燃气体泄漏的同时监测。系统采用无线自组网数据传输方式，无需基站，无需布线，维护方便，可作为有线方式的有效补充。该系统已在山东、辽宁等地区应用，取得了良好的效果，并获得了专利权[7]。

参考文献

[1] 王军，马庆波，隋虎林，等．火灾自动报警监控与联网技术的应用与发展[J].消防技术与产品信息，2003 (12）: 8-1 0.

[2]曹继光．自组织网络技术发展趋势[J]．电信网络技术, 2007 (7）: 39-42.

[3] 丁雪莲。协议栈分析[J]．计算机与信息技术, 2013, 21 (5）: 18-21.

[4] 张颖，李俊朴，杨震。基于协议的无线自组网系统设计[J]．自动化仪表, 2012, 33 (9）: 53-56.

[5] 胡诸葛，赵敏华。基于信息融合技术的无线火灾探测报警系统[J].电子技术, 2012, 25 (10）: 36-39.

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[6]-2013.火灾自动报警系统设计规范2013[S].北京，2013.

[7]张彤，陈俊凯。一种无线火灾烟雾报警远程监控系统：中国，ZL 2011 2 .X[P].2012-05-30.