《基于LoRa的分布式火災(zāi)檢測報警系統(tǒng)設(shè)計》12000字（論文）

基于LoRa的分布式火災(zāi)檢測報警系統(tǒng)設(shè)計摘要在人們的日常生活中，火災(zāi)一直是發(fā)生頻率最高、風(fēng)險最大、危害公民生命財產(chǎn)安全的主要災(zāi)害之一。特別是隨著城市化步伐的加快，我國已建成或正在建設(shè)的各種功能建筑在居住區(qū)中所占的比例越來越高，由此產(chǎn)生的防火系統(tǒng)設(shè)計、安全對策、應(yīng)急預(yù)案等方面的問題也引起了政府及相關(guān)技術(shù)監(jiān)督部門的高度重視。然而，目前小區(qū)火災(zāi)報警控制系統(tǒng)存在信號檢測(煙霧檢測或溫度檢測)單一、靈敏度低、投入成本高、維護(hù)困難、統(tǒng)一控制困難、擴(kuò)容困難等問題。從設(shè)計角度出發(fā)，研究和設(shè)計了一種基于物聯(lián)網(wǎng)LoRa技術(shù)的無線火災(zāi)報警控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)主要分為兩部分:底層和上層。底層主要由復(fù)合火災(zāi)探測器、路由節(jié)點、協(xié)調(diào)節(jié)點和聯(lián)動控制設(shè)備組成。這些節(jié)點模塊均采用CC2530作為控制芯片。為了便于調(diào)試和下載，設(shè)計并安裝了無線下載功能模塊。復(fù)合火災(zāi)探測器檢測溫度信號、CO濃度和煙霧濃度，通過LORA無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)節(jié)點，再通過CAN總線技術(shù)將協(xié)調(diào)節(jié)點傳輸?shù)缴衔环?wù)器。上層建筑主要由服務(wù)器和客戶端組成。服務(wù)器負(fù)責(zé)系統(tǒng)的維護(hù)和管理。采用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法提高了火災(zāi)早期判斷的準(zhǔn)確性。火災(zāi)確認(rèn)后，將火災(zāi)信息存儲在MySQL數(shù)據(jù)庫中，并啟動相關(guān)聯(lián)動控制設(shè)備?？蛻舳嗽O(shè)置監(jiān)控功能和歷史數(shù)據(jù)查詢功能，方便查詢房間內(nèi)的監(jiān)控數(shù)據(jù)和歷史記錄，顯示運(yùn)行情況信息和報警信息。所設(shè)計的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的無線火災(zāi)報警控制系統(tǒng)具有成本低、靈敏度高及可拓展性強(qiáng)的效果。該系統(tǒng)對于現(xiàn)代化無線、公寓等人員密集且安全性要求高的場所，具有很好的應(yīng)用和推廣價值。關(guān)鍵詞：火物聯(lián)網(wǎng)；火災(zāi)檢測報警；LoRa；串行口通信；傳感器目錄摘要 所示。電路主要由電容、電阻以及MAX407放大器構(gòu)成，其中電阻R10、R11以及電容C3、C4組成簡單的二階濾波電路，去除檢測信號中夾雜的高頻干擾信號，然后經(jīng)過MAX407放大器對信號進(jìn)行一級放大，為了避免干擾信號也被放大，所以在放大之前經(jīng)過簡單的二階濾波去除干擾，最后將放大后的信號傳遞給CC2530芯片，讀取此刻的CO濃度和溫度值。圖2-9調(diào)理電路三、分布式火災(zāi)檢測報警系統(tǒng)軟件設(shè)計結(jié)合系統(tǒng)硬件設(shè)計，利用軟件編程，實現(xiàn)系統(tǒng)所要實現(xiàn)的整體功能。主要包括兩方面的設(shè)計內(nèi)容，下位機(jī)軟件和上位機(jī)軟件設(shè)計。下機(jī)部分主要通過LoRa技術(shù)來建立無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，上位機(jī)部分主要包括服務(wù)器和客戶端程序設(shè)計，服務(wù)器用于接收火災(zāi)信息，并存儲到MySQL數(shù)據(jù)庫中，客戶端用于顯示報警類型，報警位置和報警時間等相關(guān)信息。3.1通信協(xié)議設(shè)計本文通信協(xié)議采用兩種形式，一種無線方式采用LoRa協(xié)議進(jìn)行通訊，另一種有線方式采用CAN總線協(xié)議進(jìn)行通訊。3.1.1LoRa無線通信協(xié)議在日常使用中，Lora需要同時檢測的節(jié)點數(shù)量一般都非常大。如果每個節(jié)點上配置有帶傳感端和采集端的單片機(jī)和一個Lora無線通信模塊，這無疑大大降低了系統(tǒng)的拓展性。因此，在向LORA無線通信模塊發(fā)送或接收數(shù)據(jù)時，除模塊地址和校驗位外，有效數(shù)據(jù)只有字節(jié)長度。在長度為一個字節(jié)的數(shù)據(jù)中心中，高點為子節(jié)點的地址，低點為子節(jié)點檢測到的對應(yīng)地址處的著火狀態(tài)。并對單個子節(jié)點發(fā)送的有效字節(jié)數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯運(yùn)算后進(jìn)行重新定義。通過該子節(jié)點識別出的回送數(shù)據(jù)命令，在進(jìn)行邏輯運(yùn)算結(jié)果后對該子節(jié)點識別的回送數(shù)據(jù)命令，即當(dāng)該子節(jié)點收到這一字節(jié)的有效數(shù)據(jù)命令的時候，將已經(jīng)準(zhǔn)備好的數(shù)據(jù)通過LoRa回送至數(shù)據(jù)的收集端。當(dāng)感知端、收集端分別上電后系統(tǒng)開始運(yùn)行工作，此時收集端向營運(yùn)端告知其一在線，之后便通過收集端LoRa從所定義的最低低至對這些命令進(jìn)行循環(huán)廣播。在感知端接收到當(dāng)前子節(jié)點的會送數(shù)據(jù)命令后邊開始對數(shù)據(jù)開始回送，從而大大降低了數(shù)據(jù)在傳送過程中丟失于發(fā)生錯誤的幾率。除此之外，基于LoRa模塊的半雙工無線通信屬性，其在通信過程中非?？赡馨l(fā)生收發(fā)數(shù)據(jù)沖突的狀況，為了解決數(shù)據(jù)堵塞,可能發(fā)生的碰撞和其他問題當(dāng)多個節(jié)點,子節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)像總結(jié)收集結(jié)束會增加某些演示這兩個命令之間的廣播,以確保收集接收數(shù)據(jù)時可以處于閑置狀態(tài)的感知。LoRa軟件協(xié)議方案的提出，可以進(jìn)一步增強(qiáng)了系統(tǒng)的擴(kuò)展性和穩(wěn)定性，另一方面可以增加可掛接子節(jié)點的個數(shù)，從而滿足絕大多數(shù)場景下同時檢測多個場景火災(zāi)情況的要求。復(fù)合式火災(zāi)探測器上傳信息和路由節(jié)點上傳信息類似，路由節(jié)點下發(fā)信息和協(xié)調(diào)節(jié)點下發(fā)信息類似，此處不再贅述。僅針對協(xié)調(diào)節(jié)點向LoRa網(wǎng)絡(luò)發(fā)送指令，向服務(wù)器上傳數(shù)據(jù)，以及路由節(jié)點向協(xié)調(diào)節(jié)點傳輸信息進(jìn)行闡述。協(xié)調(diào)節(jié)點下發(fā)數(shù)據(jù)。下位機(jī)中通過LoRa無線通信協(xié)議進(jìn)行通訊，協(xié)調(diào)節(jié)點在發(fā)送指令時，首先尋找需要接收指令的目標(biāo)地址，然后利用LoRa無線網(wǎng)絡(luò)將整理好的數(shù)據(jù)包發(fā)送給目標(biāo)節(jié)點[47]。需要注意的是協(xié)調(diào)節(jié)點需要檢查目標(biāo)地址是否為該網(wǎng)絡(luò)的有效地址，確認(rèn)之后才會申請一段合適的存儲空間，調(diào)用AF_DataRequest函數(shù)將數(shù)據(jù)包發(fā)送給目標(biāo)節(jié)點，最后釋放內(nèi)存空間。協(xié)調(diào)節(jié)點上傳數(shù)據(jù)。操作流程如圖3-1所示。協(xié)調(diào)節(jié)點接收到數(shù)據(jù)后，繼續(xù)向上傳遞給服務(wù)器實現(xiàn)進(jìn)一步判斷信號。系統(tǒng)中協(xié)調(diào)節(jié)點和服務(wù)器之間采用CAN總線方式進(jìn)行通訊，在進(jìn)行傳送數(shù)據(jù)時首先需要將LoRa無線網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換成可以通過CAN總線傳遞的UART形式的數(shù)據(jù)包。圖3-1協(xié)調(diào)節(jié)點上發(fā)信息流程圖3.1.2CAN總線通信協(xié)議為保證協(xié)調(diào)節(jié)點和服務(wù)器通訊，選用SJA1000與CTM1050連接構(gòu)成電路完成有線通訊。JA1000的初始化。為保證系統(tǒng)正常工作，SJA1000必須進(jìn)行初始化設(shè)計，實現(xiàn)系統(tǒng)各部分之間數(shù)據(jù)交換，一旦SJA1000出錯，重新加載一下初始化程序，便可使其恢復(fù)工作狀態(tài)。信號發(fā)送模塊程序設(shè)計。若想完成信息發(fā)送到總線上，需要通過CAN控制器自動實現(xiàn)。在這一過程中只需要將發(fā)送的數(shù)據(jù)幀放到發(fā)送緩沖區(qū)，然后啟動發(fā)送命令完成數(shù)據(jù)發(fā)送。信息接收模塊程序設(shè)計。信息的接收過程和發(fā)送過程相似，同樣需要依靠CAN控制器實現(xiàn)信息從CAN總線傳送到CAN接收緩沖區(qū)。接收數(shù)據(jù)時只需要讀取接收緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)，然后釋放內(nèi)存。四、分布式火災(zāi)檢測報警系統(tǒng)仿真4.1分布式火災(zāi)檢測報警系統(tǒng)仿真方法本系統(tǒng)采用美國MathWorks公司的數(shù)學(xué)軟件MATLAB進(jìn)行仿真，該軟件具有完整的圖形處理功能，豐富的工具箱以及大量的庫函數(shù)，并且該軟件語言應(yīng)用簡單，同時可以將編輯、編譯、連接和測試融為一體，方便使用者靈活運(yùn)用。在進(jìn)行投入使用前，對復(fù)合式火災(zāi)探測器是否能將信號通過LoRa無線網(wǎng)絡(luò)傳遞給協(xié)調(diào)節(jié)點，并且傳遞給計算機(jī)進(jìn)行測試。該測試過程選擇三個復(fù)合式火災(zāi)探測器、一個路由節(jié)點、一個終端節(jié)點，利用串口調(diào)試助手觀察復(fù)合式火災(zāi)探測器檢測的煙霧濃度、CO濃度和溫度大小采集情況。并檢測在三種采集信號發(fā)生變化后，信號是否依然可以正常傳遞。對于服務(wù)器構(gòu)成的上層網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)需要測試是否可以接收下層網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。利用串口調(diào)試助手向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)。在測試的過程中，串口調(diào)試助手充當(dāng)協(xié)調(diào)節(jié)點的角色，在發(fā)送數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)格式要和協(xié)調(diào)節(jié)點的格式相同。打開客戶端主界面，通過串口調(diào)試助手給服務(wù)器發(fā)送火災(zāi)報警信息。這個模塊主要是通過自己搭建的感光傳感器進(jìn)行創(chuàng)建而來實現(xiàn)的一個探測式模塊,在電路中我們采用了lm反向電壓比較器的方式作為其輸出接口,該反向電壓比較器的方式是在未被檢測到的火焰時電路繼續(xù)保持一個高電平的輸出,當(dāng)被檢測到的火焰時它的輸出是一個低電平,當(dāng)被檢測到的火焰已經(jīng)消失時它的輸出便有機(jī)會保持一個高電平。在該電路中,如果將滑動變阻器的電流調(diào)節(jié)到ω,則無論外部環(huán)境如何發(fā)生變化,模塊的輸出都必須恒為一個高電平;若把滑動變阻器的溫度調(diào)整到kω,則無論外部環(huán)境的變化,模塊的輸出都是恒為一個低電平。在反復(fù)經(jīng)歷了一番綜合分析考慮后,筆者把一個滑動模塊變阻傳感器用一個kω的非確定值滑動電阻信號來進(jìn)行代替,然后對它進(jìn)行了模擬測試,通過一個數(shù)字滑動示波器可以觀看一個模塊的滑動輸出頻率波形如何變化,從而筆者可以通過控制一個模擬儀器貨源針對不同的滑動傳感器工作維度是否保持輸出頻率恒定不變,測量在不同的工作距離內(nèi)是的滑動模塊及其輸出波形結(jié)果。通過對這次測試成果進(jìn)行了觀察,筆者已經(jīng)對于火焰檢測模塊在可以感知有效距離上有了明確把握。但是由于在實驗中我們所運(yùn)用的一種模擬式火源主要是一臺打火機(jī)的火焰,其中火焰的強(qiáng)度并不夠,所以在實際應(yīng)用場景中的貨源比較強(qiáng),面積也就更大,溫度也就會更高,所以它比較容易被火焰探測系統(tǒng)模塊所檢測得到,因此,根據(jù)本次的測試結(jié)果我們就可以了解到,本系統(tǒng)模塊中的火焰探測系統(tǒng)模塊對于火災(zāi)的探測和靈敏度很高,且其輸出相對穩(wěn)定,可以滿足系統(tǒng)內(nèi)室內(nèi)范圍監(jiān)控的設(shè)計需要。作為本次系統(tǒng)設(shè)計中具備無線通信功能的一個重要核心模塊,lora無線通信的距離也就是決定整個系統(tǒng)之間能否開始進(jìn)行無線遠(yuǎn)程通信的重要關(guān)鍵。為此,筆者專門在一座建筑體內(nèi)對感知端和收集終端之間的有效通訊距離進(jìn)行了檢驗,測試前分別將感知終端at89s51單片機(jī)的第二組i/o口接通led電平指示燈。測試方法如下所示：通過在感知端向接受器發(fā)送一個字節(jié)有效的數(shù)據(jù)至接受器收集端,接受器在其中接受到該數(shù)據(jù)后利用led電平的指示燈來顯現(xiàn)二進(jìn)制碼,然后將這一個字節(jié)而靜止的熱數(shù)求出逆碼并接受器發(fā)送至感知端,感覺器在接受器中利用led電平的指示燈來顯現(xiàn)該字節(jié)的二進(jìn)制碼(伺候器中所有熱靜止的數(shù)將被轉(zhuǎn)化成十六進(jìn)制進(jìn)行表示)。為了大大簡化本次實驗中的變量,本次實驗只是測試了不同樓層間lora的通訊情況,且其墻壁厚度被默認(rèn)為一樓的天花板至二樓歐地面之間的距離。通過這種新型測試方法盡可能地完整還原了本通信系統(tǒng)的設(shè)計發(fā)射端與無線信號端和收集端每次用戶進(jìn)行與外無線通信時需要修改的設(shè)想要求的發(fā)射端信號輸出的實際數(shù)據(jù)之間尺寸差異大小和符合實際應(yīng)用環(huán)境,實驗中用戶接受與收到的實際數(shù)據(jù)尺寸差異最小概率僅大約為0.5%,結(jié)果表明設(shè)在lora的大型建筑內(nèi)與外無線通信傳輸距離已經(jīng)完全足夠滿足了該通信系統(tǒng)的實際設(shè)計性能要求。通過這種新型測試方法盡可能地完整還原了本通信系統(tǒng)的設(shè)計發(fā)射端與無線信號端和收集端每次用戶進(jìn)行與外無線通信時需要修改的設(shè)想要求的發(fā)射端信號輸出的實際數(shù)據(jù)之間尺寸差異大小和符合實際應(yīng)用環(huán)境,實驗中用戶接受與收到的實際數(shù)據(jù)尺寸差異最小概率僅大約為0.5%,結(jié)果表明設(shè)在lora的大型建筑內(nèi)與外無線通信傳輸距離已經(jīng)完全足夠滿足了該通信系統(tǒng)的實際設(shè)計性能要求。在進(jìn)行了測試過后,結(jié)果顯示該系統(tǒng)的檢測數(shù)據(jù)與人工監(jiān)控的結(jié)果相一致,而且可以通過自主進(jìn)行報警和虛擬現(xiàn)實,以此方式來充分滿足本次檢測系統(tǒng)的總體設(shè)計需要。4.2分布式火災(zāi)檢測報警系統(tǒng)仿真結(jié)果本章實現(xiàn)了系統(tǒng)的通訊協(xié)議設(shè)計以及軟件設(shè)計。系統(tǒng)采用LoRa無線通訊以及CAN總線通信兩種通訊方式，完成整個系統(tǒng)的信號傳輸。軟件設(shè)計主要包括復(fù)合式火災(zāi)探測器的軟件設(shè)計、路由節(jié)點軟件設(shè)計、協(xié)調(diào)節(jié)點軟件設(shè)計、聯(lián)動控制設(shè)備以及服務(wù)器和客戶端軟件設(shè)計。同時本系統(tǒng)進(jìn)行模塊化設(shè)計，降低各模塊之間的聯(lián)系，便于以后系統(tǒng)設(shè)計時需要作出的拓展和修改。最后對整體系統(tǒng)的數(shù)據(jù)發(fā)送以及數(shù)據(jù)接收進(jìn)行測試，檢測系統(tǒng)的工作情況。五、總結(jié)與展望本章實現(xiàn)了系統(tǒng)的通信協(xié)議設(shè)計和軟件設(shè)計。系統(tǒng)采用LOLA無線通信和CAN總線通信兩種通信方式來完成整個系統(tǒng)的信號傳輸。軟件設(shè)計主要包括復(fù)雜火災(zāi)探測器軟件設(shè)計、路由節(jié)點軟件設(shè)計、協(xié)調(diào)節(jié)點軟件設(shè)計、聯(lián)動控制設(shè)備及服務(wù)器和客戶端軟件設(shè)計。同時，對系統(tǒng)進(jìn)行了模塊化設(shè)計，減少了各模塊之間的聯(lián)系，方便以后系統(tǒng)設(shè)計需要做的擴(kuò)充和修改。最后對整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)接收進(jìn)行測試，以檢測系統(tǒng)的工作狀態(tài)。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展以及智能無線的興起，在滿足國家需求的情況下，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的無線火災(zāi)報警控制系統(tǒng)越來越得到國家的重視。本文為提高系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可靠性，解決有線傳輸成本差、維修困難，以及單一信號報警準(zhǔn)確率低等缺點，主要完成了以下幾個方面的研究。1.單一信號作為火災(zāi)判斷依據(jù)存在誤報、漏報等問題，本文設(shè)計一種結(jié)合溫度檢測、煙霧檢測以及CO檢測的復(fù)合式探測器。通過三種信號的綜合分析，提高探測器靈敏度。并提出LoRa技術(shù)和CAN總線技術(shù)相結(jié)合的方式，實現(xiàn)火災(zāi)信號的傳輸。2.傳統(tǒng)火災(zāi)報警控制系統(tǒng)的節(jié)點在布置好之后，很難調(diào)整節(jié)點內(nèi)部程序。本文通過無線下載模塊，方便調(diào)整節(jié)點程序。并且增加CC2591射頻前端，保證信號的有效傳遞。3.傳統(tǒng)信號判斷不夠智能化，在環(huán)境變化情況和火災(zāi)發(fā)生時的情況極其相似時，很難區(qū)分出火災(zāi)信號，容易發(fā)生誤報。本文利用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對實驗樣本不斷訓(xùn)練，得到一個可以作為火災(zāi)信號判斷的可靠數(shù)學(xué)模型。4.服務(wù)器設(shè)計中設(shè)置網(wǎng)絡(luò)監(jiān)管、數(shù)據(jù)監(jiān)聽、數(shù)據(jù)存儲以及自動采集和記錄設(shè)計。通過服務(wù)器設(shè)計對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行監(jiān)管。對于協(xié)調(diào)節(jié)點上傳的數(shù)據(jù)利用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法進(jìn)行判斷，在客戶端關(guān)閉的情況下，完成數(shù)據(jù)的采集和記錄，并將數(shù)據(jù)更新到數(shù)據(jù)庫中。5.設(shè)計客戶端顯示界面和后臺支持程序。顯示報警信息的位置，時間以及類型，并通過歷史記錄查詢功能查詢報警歷史記錄。后臺支持程序?qū)崿F(xiàn)客戶端和服務(wù)器之間的通信，客戶端的網(wǎng)絡(luò)維護(hù)以及報警信息處理程序。參考文獻(xiàn)陶曉雪.天津示范鎮(zhèn)建設(shè)中的火災(zāi)風(fēng)險評估與消防規(guī)劃研究[D].天津:天津工業(yè)大學(xué).2013.楊秸.建筑消防安全管理的問題及對策[J].管理觀察,2017(23):29-30.蔣永波.淺析如何加強(qiáng)高層住宅建筑無線的消防安全管理[J].山西建筑,2017,43(30):255-257.[4]朱麗婷.基于CAN總線的火災(zāi)探測系統(tǒng)的研究與設(shè)計[D].杭州:杭州電子科技大學(xué),2011.JinxiaDiao,GuilinZhang,HaidongHu,ZhihuiZou,BaojinZhang.Designandapplicationofelectricalfiremonitoringsysteminminingindustry[J].InternationalJournalofMiningScienceandTechnology,2015,25(2):305-310.MAShu-guang.ConstructionofWirelessFireAlarmSystemBasedonLoRaTechnology[J].ProcediaEngineering,2011,11:308-313.張青春.基于WSN和WSVR算法的火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)[J].消防科學(xué)與技術(shù),2012,31(10):1075-1077.BoChen,ZeHu,LiangGe,JunLanLi.DesignofWirelessFireDetectionandAlarmSystemBasedonLoRaTechnology[J].AppliedMechanicsandMaterials,2014,2808(448):3662-3665.程璐.淺析火災(zāi)自動報警系統(tǒng)在消防中的應(yīng)用及發(fā)展趨勢[J].低碳世界,2014(09):305