火灾监测系统中烟温复合探测无线传感网络节点

1.火灾监测系统中烟温复合探测无线传感网络节点，其特征是设置所述网络节点具有：
一烟温复合探测传感器模块，由温度传感器模块和烟雾探测模块构成，采集温度数据和烟雾数据，并由嵌入式微处理器控制和读取；
一数据处理模块，是以嵌入式微处理器对检测数据所在范围作出判断，正常范围内的检测数据以一定间隔的时间通过射频模块向基站发送；超正常范围的温度和烟雾信息实时通过射频模块传送至基站；
一射频模块，接收来自嵌入式微处理器的数据信号并以射频向基站发送；
各网络节点通过自组织方式构成建成星形或树状无线传感器网格结构，相邻网络节点之间可以相互通信，并有路由功能；利用无线多跳通信技术，通过其它网络节点中转，将监测数据传送到基站；
所述烟雾探测模块由光学探测暗室(1)和位于光学探测暗室(1)外围的光学迷宫(2)构成烟雾光学探测室内腔；在所述光学探测室内腔中以轴线成大于90度的夹角分别设置红外发射二极管(4)与红外接收二极管(5)；所述红外发射二极管(4)发射的红外光在经光学探测室内腔中烟雾粒子散射后到达红外接收二极管(5)，以所述红外接收二极(5)上随烟雾浓度增加而加大的输出信号为烟雾探测信号；
其特征是所述光学迷宫(2)设置为Z形遮光部件(3)。

火灾监测系统中烟温复合探测无线传感网络节点\n技术领域\n[0001] 本发明涉及火灾特征参数温度和烟雾复合传感装置，更具体地说是一种应用在火灾监测系统中的烟温复合探测器。\n背景技术\n[0002] 传统的火灾探测技术主要有感温和感烟两种方式，分别通过检测环境温度的变化及烟颗粒的浓度变化来判断是否有火灾发生，常用光电感烟和感温探测火灾的技术已经相对成熟。复合式感烟感温火灾探测器同时监测温度和烟颗粒两个火灾特征参数，提高了火灾探测的可靠性，是目前国际上流行的新型多功能高可靠性的火灾探测技术。随着计算机及通信技术的发展，火灾探测技术由单点检测发展到系统监测，但是多年来，对于建筑物的早期火灾探测和报警，火灾自动报警系统一直沿用的是有线网络方式，通过各种线路将监控点和控制中心相互连接，像蜘蛛网一样的线路布满在各种建筑中，而在一些特殊建筑场所比如古建筑，有线火灾检测系统是不合适或根本不能使用的。\n[0003] 古建筑多为木质结构，即便是砖石结构，经历千百年的风雨洗礼本身已十分脆弱，在名胜古迹中任何一场火灾所造成的损失都可能是不可估量的。有线火灾自动报警系统在建设过程中，由于存在大量的预埋管和管内穿线工作，增加了建设成本，也延长了建设周期，更重要的是会对古建筑造成人为破坏。近年来无线传感网技术迅速发展，但作为一种在性能可靠、使用安装方便、低成本等诸多方面有着显著优势的无线传感网络系统在建筑物的火灾探测方面没有成熟的相关技术。将多种有线火灾探测技术与无线传感器网络技术相结合，构建应用于火灾监测系统的烟温复合探测无线传感器网络节点是建设分布式无线消防报警系统的最重要的基础工作之一。\n发明内容\n[0004] 本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种具有数据采集和数据传输功能、自动地对其周围环境的温度和烟雾进行探测，同时，在其内部可直接对数据进行预处理，并且是以无线传输的方式进行数据传输的火灾监测系统中烟温复合探测无线传感网络节点，将该节点部署在所要监测的区域内，多个节点通过自组织方式组建无线网络，结合上位计算机形成安装方便快捷、安装成本低、安装速度快的无线火灾实时监测网络。\n[0005] 本发明解决技术问题采用如下技术方案：\n[0006] 本发明火灾监测系统中烟温复合探测无线传感网络节点的结构特点是具有：\n[0007] 一烟温复合探测传感器模块，由温度传感器模块和烟雾探测模块构成，采集温度数据和烟雾数据，并由嵌入式微处理器控制和读取；\n[0008] 一数据处理模块，是以嵌入式微处理器对检测数据所在范围作出判断，正常范围内的检测数据以一间隔的时间通过射频模块向基站发送；超正常范围的温度和烟雾信息实时通过射频模块传送至基站；\n[0009] 一射频模块，接收来自嵌入式微处理器的数据信号并以射频向基站发送。\n[0010] 本发明结构特点也在于：\n[0011] 所述烟雾探测模块由光学探测暗室和位于光学探测暗室外围的光学迷宫构成烟雾光学探测室内腔；在所述光学探测室内腔中以轴线成大于90度的夹角分别设置红外发射二极管与红外接收二极管；所述红外发射二极管发射的红外光在经光学探测室内腔中烟雾粒子散射后到达红外接收二极管，以所述红外接收二极管上随烟雾浓度增加而加大的输出信号为烟雾探测信号。\n[0012] 所述温度传感器模块采用温湿度传感器芯片SHT11，以所述传感器芯片SHT11串行接口时钟线SCK和串行接口数据线DATA引脚分别连接到嵌入式微处理器相应的引脚，由所述嵌入式微处理器提供温湿度传感器芯片SHT11的温度测量和数据读取控制信号。\n[0013] 本发明节点用于大量部署在监测区内的各个监测点上，通过无线通讯方式形成一个多跳的自组织的网络系统，协作地感知、采集和处理网络覆盖区域内的感知对象—火灾信息。节点内嵌入式微处理器将检测到的数据超标温度和烟雾信息立即通过射频模块传送给基站。在基站中包括有嵌入式微处理器及其外接的射频模块，接收来自各个火灾探测节点的数据包，根据各自节点的ID确定相应位置处的火灾特征参数，由嵌入式微处理器综合烟雾和温度数据通过火灾识别算法，判断相应位置有无火灾的发生。与基站相连的上位计算机上可以运行相应的后台软件，以实现火灾监测区域管理以及虚拟场景再现。\n[0014] 与已有技术相比，本发明有益效果体现在：\n[0015] 1、本发明采用无线方式进行数据传输，监测系统中无需布线，不会因安装消防系统造成对建筑物损坏；\n[0016] 2、本发明为模块化设计，装置简单，成本低，安装方便。\n[0017] 3、本发明采用低功耗设计，延长了电池使用周期，节点的使用寿命较长；\n附图说明\n[0018] 图1本发明无线传感器网络节点结构框图。\n[0019] 图2本发明烟温复合探测传感器模块结构框图。\n[0020] 图3本发明光电型烟雾探测室结构图。\n[0021] 图4本发明光学迷宫结构示意图。\n[0022] 图5本发明无线传感器网络火灾监测系统结构示意图。\n[0023] 以下通过具体实施方式，并结合附图对本发明进行进一步的说明。\n具体实施方式\n[0024] 参见图1，本实施例中，节点设置包括：\n[0025] 一烟温复合探测传感器模块，由温度传感器模块和烟雾探测模块构成，采集温度数据和烟雾数据，并由嵌入式微处理器控制和读取；采用小体积、低功耗的温度传感器模块和光电型烟雾探测模块。\n[0026] 一数据处理模块，是以嵌入式微处理器对检测数据所在范围作出判断，正常范围内的检测数据以一间隔的时间通过射频模块向基站发送；超正常范围的温度和烟雾信息实时通过射频模块传送至基站；基站包括有嵌入式微处理器及其外接的射频模块，接收来自各个火灾探测节点的数据包，根据各自节点的ID确定相应位置处的火灾特征参数，由嵌入式微处理器综合烟雾和温度数据通过火灾识别算法，判断相应位置有无火灾的发生。\n[0027] 本实施例中的数据处理采用节点内嵌入式微处理器Atmega128、八位、高性能、低功耗；采用RISC精简指令集结构，其指令集大多为单周期指令，可高速运行。3V供电时，Atmega128的典型掉电电流小于1uA，低电压、低功耗、高性能。\n[0028] 一射频模块，接收来自嵌入式微处理器的数据信号并以射频向基站发送。\n[0029] 本实施例中的射频通信工作于2.4GHz频段，射频通信部分采用CC2420射频芯片CC2420是Chipcon公司推出的首款符合2.4GHz IEEE802.15.4标准的射频收发器。它基于Chipcon公司的SmartRF03技术，以0.18um CMOS工艺制成，只需极少外部元器件，性能稳定且功耗极低，其选择性和敏感性指数超过了IEEE802.15.4标准的要求，可确保短距离通信的有效性和可靠性。\n[0030] 参见图2，温度传感器模块采用温湿度传感器芯片SHT11，以传感器芯片SHT11串行接口时钟线SCK和串行接口数据线DATA引脚分别连接到嵌入式微处理器相应的引脚，由所述嵌入式微处理器提供温湿度传感器芯片SHT11的温度测量和数据读取控制信号。V0为烟雾信号输出端，Vi为红外发射二极管控制引脚，VCC为电源信号输入端。\n[0031] 参见图3，本实施例中烟雾探测模块由光学探测暗室1和位于光学探测暗室1外围的光学迷宫2构成烟雾光学探测室内腔；在光学探测室内腔中以轴线成大于90度的夹角分别设置红外发射二极管4与红外接收二极管5；红外发射二极管4受到输入信号Vi的驱动发射的红外光在经光学探测室内腔中烟雾粒子散射后到达红外接收二极管，红外接收二极管5收到散射光线产生烟雾电流信号V0，信号经过放大后送给嵌入式微处理器；做模数转换后，结合温度信号经处理和识别，满足一定条件后输出火灾报警信号，即以红外接收二极上随烟雾浓度增加而加大的输出信号为烟雾探测信号；红外发射二极管4发出的红外光在无烟雾存在的情况下，由于暗室的阻光作用，光线不能射入红外接收二极管5，接收元件无信号输出。\n[0032] 为实现低功耗的要求，红外发射二极管采用红外脉冲光，嵌入式微处理器的I/O引脚输出窄脉冲信号Vi，控制红外发射二极管发射红外脉冲光。传感器模块的电源通过Vcc引脚提供。\n[0033] 参见图4，光学迷宫2采用Z形遮光部件3，可以最大限度地减弱环境光线的影响。\n同时它也形成烟雾迷宫，一方面烟颗粒容易流入，另一方面烟进入后相对不易流出，以减少外界气流的影响。光学迷宫外围有防虫网以防止蚊虫进入光学探测室，但并不妨碍烟雾粒子的进入。Z形遮光部件，也能使蒸汽或薄雾等水蒸气成分难以进入光学探测暗室内，只凝结于外围的表面及防虫网上。\n[0034] 参见图5，本发明具体应用在火灾监测系统时，需要在监测区域内设定坐标位置上分别设置各探测节点，探测节点通过自组织方式构成建成星形或树状无线传感器网格结构，系统设置还包括基站和上位计算机，这里的节点即烟温复合点式火灾探测器，实现对其周围环境的温度和烟雾进行自动监测，并在节点内对探测到的原始数据做预处理，相邻节点之间可以相互通信，并有路由功能；利用无线多跳通信技术，通过其它网络节点中转，将监测数据传送到基站。\n[0035] 监测区域内设定坐标位置上的各信号基站，基站可以探测节点，也是连接各探测节点和上位计算机的桥梁，一方面基站的射频模块与探测节点之间构成多跳的自组织无线通讯网络。另一方面基站利用串行通讯协议或以太网络把各个无线火灾探测节点的监测数据传输给上位计算机做进一步处理。\n[0036] 上位计算机上运行相应的后台处理软件，通过对火灾特征参数的监测数据进行处理，利用多判据组合对监测区域的火灾决策技术对监测区域是否发生火灾给出预警，一旦判断出监测区域有火灾发生，后台软件还将对火灾发生地点做出定位和显示。\n[0037] 本实施例中的结构设置可以使系统技术指标达到空间分辨小于1米、单跳通讯距离视距不低于50米，火灾探测响应时间小于20秒。