毕业设计论文物联网火灾实时报警系统.docx

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毕业设计论文物联网火灾实时报警系统

摘要

随着半导体与控制技术的飞速发展，各种微电子器件的性能不断提升功耗却不断降低。

技术的进步使得高速度、低功耗的数据采集系统得以实现。

在火灾报警中也是一样的。

由于火灾探测信号的复杂性.多变性和不确定性及传统火灾报警系统存在的一些缺陷，误报漏报现象十分普遍，越来越受到关注。

本设计利用了传感网、无线网络和计算机网络。

使三者有效的结合，实用性更强，更加智能化。

无线传感网络技术的引入，使火灾报警系统智能化、无线化成为国内外火灾探测报警最受关注的两个方向。

基于无线传感网络火灾监测系统，实现了智能化、无线化。

主要应用改善了传统灾难系统因采用有线方式而导致的可靠性差、易受损、失效快、维护困难等问题。

本设计将无线传感器网络与传统计算计网络监测有机结合，可及时监测到火灾的发生.同步报警，友好的Internet网页监测界面。

GPRS无线通信报警。

该系统不但有效的客服了传统的低可靠性、维护困难等问题，而且此系统实现了低功耗，节省能源、经济适用，是一套完整.可行的系统。

关键词无线传感网络GPRS低功耗嵌入式Web服务器

Abstract

Withsemiconductorandcontroltechnologyrapiddevelopment,allkindsofmicroelectronicsdevicesimprovetheperformanceofthepowerconsumptioniscomingdown.Technicalprogressthatthehighspeed,lowpowerconsumptionofdataacquisitionsystemcanberealized.Inthefirealarmisthesameas.Becauseofthecomplexityofthefiredetectionsignal.Varietyanduncertaintyandtraditionalfirealarmsysteminsomedefects,distortingomissionphenomenaareverycommon,moreandmoreattentionto.

Thisdesignusingthesensornetwork,wirelessnetworkandcomputernetwork.Makethethreecombinationofeffective,morepractical,moreintelligent.

Wirelesssensornetworktechnologyintroduce,makefirealarmsystemintelligence,andwirelessbecomefiredetectionalarmathomeandabroadandthemostconcerntwodirection.

Basedonwirelesssensornetworkfiremonitoringsystem,realizeintelligent,andwireless.Mainapplicationsystemforimprovingthetraditionaldisasterbycablewayinpoorreliability,easydamage,failureisfast,andmaintenancedifficulties.

Thedesignofwirelesssensornetworkwillwiththetraditionalcalculationprogramnetworkmonitoringorganiccombination,cantimelymonitoringtotheoccurrenceoffirealarm,thefriendly.SynchronousmonitoringInternetwebinterface.GPRSwirelesscommunicationalarm.Thissystemnotonlyeffectivecustomerserviceofthetraditionallowreliability,maintenancedifficulties,andthesystemrealizelowpowerconsumptionandsavingenergy,economyapplicable,isacompleteset.Feasiblesystem意见与反馈选择人工翻译服务，获得更专业的翻译结果。

KeywordsWirelesssensornetworkGPRSLowpowerconsumptionEmbeddedWebserver

CONTENTS

第1章绪论

无线传感网络火灾报警系统在现代智能建筑中起着极其重要的安全保障作用。

随着传感器技术，无线通信技术，集成电路和微电子技术日臻完善，无线传感网络火灾报警系统迎来了良好的发展契机。

1.1研究背景和研究意义

随着我国智能建筑的蓬勃发展和消防体系的不断完善，火灾自动报警设备的应用和研究都得到较大的发展。

自2007年7月1同起，我国建设部与国家质量监督检验检疫总局联合发布的修订版《智能建筑设计标准》正式实施，它将智能建筑定义为以建筑物为平台，具备信息设施、信息化应用、建筑设备管理、公共安全等若干系统，将系统、结构、管理、服务及其优化组合等一体化，提供安全可靠、高效便捷、节能环保、健康舒适的建筑环境。

新标准是我国智能建筑的一个新的里程碑，它将吸引更多的科技投入，提高这一领域的研究水平，不断地推动我国的智能建筑的发展。

近年来，许多高科技成果已经在智能建筑中得到应用，各种智能化设备已投入使用，其中火灾自动报警系统是智能建筑自动化设备（BA系统）的重要组成部分。

新标准指出，智能建筑的火灾自动报警系统的设计应遵照我国的国家标准《火灾自动报警系统设计规范》的相关规定进行。

火灾自动报警系统（FAS）起着十分重要的消防安全保障作用。

常言道：

“预防重于救火”，但预防却无法完全避免火灾发生，如果火灾发生时，能被及时发现，并采取有效的控制措施，那么可将火灾造成的损失降到最低限度。

随着经济的发展，火灾自动报警设备的生产和应用得到了较大的发展，据调查研究，国内的生产商达数百家，品牌近千个，类型繁多。

目前，各大城市的高层建筑、高级宾馆、重要的图书馆、博物馆、重要仓库、高档商场，都有火灾自动报警系统的应用，且绝大多数都发挥了其效能，然而目前的火灾自动报警系统普遍存在智能化水平不高，火灾探测精度参差不齐等问题，尤其对于一些消防安全隐患大、管理落后的商场和批发市场，其中的火灾报警设备更需改进和完善。

火灾自动报警系统的基本保护对象和应用场合为工业与民用建筑，其简称工民建，包括民用住宅，商业建筑和工业厂房等建筑，以其中的商用建筑为例，进行火灾自动报警系统的设计与研究。

目前国内许多商场和批发市场，由于其人员结构密集，货物堆放密集，火灾荷载大，易燃因素极其复杂等原因，已发生了多次特大火灾，例如，全国闻名的武汉大型批发市场汉正街近十年来多次发生火灾，造成重大生命财产损失。

由于汉正街店铺林立，货物密集，消防设施落后，人员结构复杂，存在重大的消防安全隐患。

2005年12月，汉正街发生一场重大火灾，造成人员伤亡；2009年1月3日、2月2日、2月5日汉正街连续发生三起特大火灾，出动数十支消防中队、近百台消防车、近千名消防官兵，经过十多小时才将大火控制，火灾导致人员伤亡，同时造成巨大的经济损失；2010年1月8日，汉正街再发重大火灾，再次造成了重大的生命财产损失。

在黑龙江，哈尔滨市大世界商城屡次发生火灾，其中2009年11月30日发生的火灾，经5个小时才将火扑灭，造成了巨大的经济损失。

近年来，国内许多建筑由于存在严重的消防安全隐患，以致发生了火灾甚至特大火灾，近十年来，全国每年发生火灾达数十万起，并有逐年上升的态势，其中大型火灾如吉林市中百商厦特大火灾、广东汕头华南宾馆特大火灾、乌鲁木齐市国贸大厦火灾、广州市在建中的富力盈泰广场火灾、福建省长乐市拉丁网吧火灾、中央电视台新大楼北配楼火灾、武汉市政府三号办公楼火灾、南京中环国际广场火灾等，都造成了巨大的经济损失，有的还造成严重的人员伤亡，后果令人触目惊心。

随着我国经济的快速发展，我国已经走出物资匮乏的年代，如今的物资水平已经很丰沛并同趋增长，同时也使人们面临火灾总量持续增长的压力和群死群伤火灾多发的高风险，火灾形势严峻。

火灾自动报警系统对于维护公共安全、保护人们的生命财产安全，具有极其重要的社会价值，在公共场所设置火灾自动报警系统势在必行。

国内外研究现状

我国火灾报警系统起步较晚，从20世纪70年代才开始研制生产这类产品。

自改革开放以来，高层建筑甚至超高层建筑如同雨后春笋，蓬勃发展，使得火灾自动报警系统的需求量迅速增加，同时也催生了火灾自动报警系统的技术创新，带动了这一行业的蓬勃发展。

我国火灾自动报警系统的研发、生产和应用的等方面不断地吸引了社会各界的人力、物力、财力和科技的投入，并取得了令人瞩目的成就。

在我国，采用的无线通信方式的火灾自动报警系统日益受到重视。

由于其具有安装简便、对建筑物无损坏作业、灵活性好，易于扩展等优点，适用于许多场合，如名胜古迹、体育馆、博物馆、展览中心、处于施工阶段的建筑物、医院等。

火灾自动报警系统的智能性主要体现在火灾判决和统筹管理方面，一般分为分散式、集中式和分布式，分散式系统由非智能型控制器若干智能型探测节点组成，由探测节点完成火灾状态的判断；集中式系统由智能型控制器和若干非智能探测节点构成，探测节点仅将火灾参量传送给控制器，由控制器智能地判断火灾状态；分布式系统的控制器和探测节点均为智能型，也是今后火灾自动报警系统的发展方向。

近年来，采用无线通信方式的火灾自动报警系统在国外悄然兴起。

这种系统引入了无线电通信技术，利用无线通信方式代替传统的有线通信方式，将大多的电器装置通过无线连接方式进行信息传输与控制，适用于各类建筑和场所。

无线火灾自动报警系统起初仅用于特殊场合，如博物馆、名胜古迹等不宣布线的场合，而且其价格也比较高。

随着科技进步和元器件成本的降低，无线火灾自动报警系统的研发和生成成本也随之降低，它在性能和价格上都具有很强的竞争力，其市场潜力已经崭露头角。

发展趋势

火灾自动报警系统已有百余年的发展历史，19世纪40年代美国诞生的火灾报警装茕标志着火灾自动报警系统首次进入人们的视野。

1890年在英国，感温式火灾探测器研制成功并应用于火灾探测系统，标志着火灾自动报警系统的发展走上正轨。

此后，随着世界科技取得了突飞猛进的进步和各种新兴技术的出现和发展，火灾监测技术也相应迅速发展，各种类型的火灾探测器相继问世，并日臻完善，火灾自动报警系统也在此基础上逐渐地蓬勃发展起来。

在西方发达国家，智能建筑火灾自动报警系统作为智能建筑设备自动化系统的重要子系统，目前已经发展的比较成熟。

首先，西方发达国家的消防体系比较完善，成立专门的消防监控服务机构，为城市消防提供火灾报警数据通信保障服务，为消防部门提供可靠的火灾报警信息；其次，利用计算机技术、网络技术、通信技术的融合，对火灾监测系统设备实时监控以及故障的远程传输，普遍构建了公共报警监控系统网络，将智能建筑中的火灾自动报警系统接入网络，从而使消防监控指挥中心能够迅速判断火灾发生的精确位置，并调度消防部队迅速到达现场。

再次，尤其是美日欧等发达国家，火灾自动报警系统已走入家庭，并接入城市消防网，使得城市消防网络更大，覆盖的范围更广。

研究的重点和难点

由于各种原因，产生一些和火灾发生时物理特征相似的虚假现象，概括起来有以下几种情况：

①水蒸气，它的产生伴随着温度的升高和大量的“烟雾”；②吸香烟产生的烟雾和火灾产生的烟雾在粒谱特征上十分接近，感烟探测（特别是传统式的探测器）很难识别，常常引起误报；③打扫房间引起的灰尘；④使用空调和取暖设备，造成气温的剧烈变化；⑤电磁环境对感烟传感器的影响；⑥背景噪声的影响。

如：

由于空调很久未用，落了不少的灰尘，在使用时，空调直接把灰尘吹进了感烟传感器，烟尘颗粒大小与烟雾的大小相近，用传统的分析方法就存在不可避免的误报警。

由于火灾报警技术最根本的目的是充分获取特征信息，并及时准确的作出判断。

要解决以上存在的问题，信息融合的思想提供了一条思路。

也就是说，基于信息融合的思想，获取多源信息进行融合并加以利用，实现对火灾的准确判断。

第2章整体方案的设计

烟雾传感器的选型

方案一：

半导体烟雾传感器，半导体烟雾传感器包括用氧化物半导体陶瓷材料作为敏感体制作的烟雾传感器，以及用单晶半导体器件制作的烟雾传感器。

自1962年半导体金属氧化物烟雾传感器问世以来，由于具有灵敏度高、响应快、输出信号强、耐久性强、结构简单、价格便宜等诸多优点，得到了广泛的应用。

该传感器己成为世界上产量最大、使用最广的烟雾传感器之一。

按照敏感机理分类，可分为电阻型和非电阻型。

方案二：

固体电解质烟雾传感器，固体电解质烟雾传感器使用固体电解质气敏材料作为气敏元件，其原理是利用气敏材料在通过烟雾时产生电阻，测量其形成电动势从而测量气体浓度[1]。

由于这种传感器电导率高，灵敏度和选择性好，因而得到了广泛的应用，几乎打入了石化、环保、矿业等各个领域，其产量仅次于半导体烟雾传感器的一类传感器。

但这种传感器制造成本高，检测烟雾范围有限，在检测环境污染领域中有优势。

方案三：

接触燃烧式传感器，当易燃烟雾接触这种被催化物覆盖的传感器表面时会发生氧化反应而燃烧，故得名接触燃烧式传感器[2]。

接触燃烧式烟雾传感器的检测元件一般为铂金属丝（也可表面涂铂、钯等稀有金属催化层），使用时将铂丝通电，保持在300℃和400℃之间的高温，此时若与烟雾接触，烟雾就会在稀有金属催化层上燃烧，因此铂丝的温度会上升，铂丝的电阻值也上升；通过测量铂丝的电阻值变化的大小，就知道烟雾的浓度[2]。

方案比较：

经过对比上述三种烟雾传感器的应用特性，发现半导体烟雾传感器的优点更加突出：

灵敏度高、响应快、抗干扰性好、使用方便、价格便宜，且不会发生探头阻缓及中毒现象，维护成本较低等。

因此，本设计采用半导体烟雾传感器作为报警器烟雾信息采集部分的核心。

而在众多半导体气体传感器中，本设计选用MQ-2型烟雾传感器，这种型号的传感器不但具备一般半导体烟雾传感器的特性，而且其具有灵敏度高、响应快、抗干扰能力强、寿命长的优点。

单片机选型

单片机是烟雾检测报警器的核心部件，一方面它要接收来自传感器的烟雾浓度的模拟信号和来自温度传感器的数字信号，另一方面要对两种信号分别进行处理，把数据通过射频模块发送到协调器，控制后续电路的相应工作。

在单片机实现的功能中，将模数转换后的信号做数字滤波，再进行线性化处理，这一过程的软件实现，需要单片机有较快的运算速度，使报警器监测人员能够观测到实时的烟雾浓度，并进行相应处理。

同时，在能够满足报警器设计的计算速度及接口数的要求的同类型单片机中，要考虑选择价格低廉且体积轻巧的机型，在保证了报警器的精确性、可靠性及抗干扰性的基础上，能够不提高成本，缩小体积。

方案一：

采用AT89S52单片机，AT89S52单片机应用普遍，工具多，易上手，片源广，价格低，但是速度慢，功耗大，不适合做低功耗传感网络。

方案二：

采用AVR单片机，AVR单片是ATMEL公司研发出的增强型内置Flash的RISC（ReducedInstructionSetCPU）精简指令集高速8位单片机，AVR单片机可以广泛应用于计算机外部设备、工业实时控制、仪器仪表、通讯设备、家用电器等各个领域。

高可靠性、功能强、高速度、低功耗，一直是衡量单片机性能的重要指标，也是单片机占领市场、赖以生存的必要条件，可是这款单片机的价格相对来说贵一些，货源不稳定，所以不适合工业、民用。

方案三：

采用MSP430单片机，MSP430单片机是TI公司的产品，其突出的特点是功耗低，精简指令集，抗干扰性好，可靠性高，价格便宜，16位单片机，同等价格下内部的功能模块更多一些，而且支持超低功耗，最小漏电流小于5uA，采用冯·诺依曼结构，编程简单，它的芯片来源很广，适合民用，商用和合工业用途[3]。

方案比较：

为适用于本论文设计的烟雾检测报警器，应选择一种比8051系列速度快，功耗低，抗干扰性好，而又避免C语言编程溢出问题的单片机。

最终我们选择了TI的MSP430系列单片机，MSP430f5xx系列单片机具有高速、低功耗、超强抗干扰等优点，而且芯片内部带有AD转换器，节省了外部资源，发容量的Flash、EEPROM、硬件乘法器等等[4]。

较好的实现了强大的功能与超低功耗的结合。

而且在功能同样的情况下，管脚较少封装体积小，价格比其他型号便宜，因此具有很好的性价比和应用适应性。

传感网络协议选择

本设计用到的无线传感网络支持低功耗，用电池供电就可以工作几年，所以选择网络时一定要选则支持低功耗的网络[5]。

目前几种比较流行的网络协议有以下几种：

支持802.15.4的zigbee协议，蓝牙协议和SimpliciTI协议，他们各自有各自的特点。

方案一：

采用Zigbee协议，IEEE802.15.4标准，是针对低速无线个人区域网络制定的标准。

该标准以低功耗、低速率传输、低成本为重点目标，为家庭范围内不同设备之间的低速无线互联提供统一标准。

它的通讯速率分别为250kb/s，40kb/s和20kb/s三种，在我国是采用250kb/s的速率，可以组成星型等网络拓扑结构，设备的短地址为16bit，扩展地址为64bit，低功耗，低速率，而且带有能量检测和链路识别功能[6]。

但是目前带有zigbee协议栈的芯片厂商所生产的芯片的协议栈是不兼容的，而且zigbee协议栈比较复杂，不易操作，编程复杂[7]。

方案二：

采用蓝牙协议，1998年5月，爱立信、诺基亚、东芝、IBM和英特尔公司5家著名厂商，在联合开展短程无线通信技术的标准化时提出了蓝牙（Bluetooth）技术，其宗旨是提高一种短距离、低成本传输应用技术。

它的工作频段是2.402GHz~2.480GHz，通信距离10m左右，数据传输速率为1Mb/s，远大于zigbee的传输速率，密钥是以8bit为单位增减，最大长度为128bit[12]；由于蓝牙的高速率传输，就决定了它的应用，不适合做低功耗的网络，所以蓝牙主要应用于掌上电脑、笔记本电脑和移动电话等终端设备之间进行短距离的通信。

方案三：

采用SimpliciTI协议。

SimpliciTI是TI开发的一份专门针对其CCxxxx系列无线通信芯片的网络协议。

它支持两种网络拓扑结构：

直接的点对点通信结构和基于星型连接的网络拓扑结构。

SimpliciTI将其网络功能封装为几个API函数型式，应用程序可以通过直接调用其API函数实现点对点的通信。

SimpliciTI对硬件资源要求非常低，除了程序空间所需要的flash和运行时随机变量所占用的RAM外，SimpliciTI不需要任何其他资源，它甚至不需要定时器，内部需要的定时器都是用软件模拟实现了[8]。

它在运行过程中不会进行动态内存分配因此根本不会占用程序的空间。

如果MCU资源富裕我们可以配给SimpliciTI一个定时器以提供更好的服务。

SimpliciTI网络协议支持各种低功耗应用，如报警与安全（烟雾探测器、玻璃破碎检测器、一氧化碳探测器、光传感器）、自动读表（气表、水表）、家庭自动化（家电设备、车库开门器、环境设备）以及有源RFID等。

SimpliciTI网络协议专为简单的RF网络而设计，对适合网状路由与标准化配置的大型网络的ZigBee®而言是一种很好的补充，而且网络协议以免版税、免许可费的源代码形式提供给大家。

方案比较：

综上我选择了操作简单，使用方便的SimpliciTI网络协议作为传感网络的协议。

2.2系统功能及原理

1功能由于现在人口居住密度不断在增大，高楼大厦耸立，火灾发生的频率不断在上升，火灾造成的伤害和经济损失大家都有目共睹。

因此火灾报警系统的存在是必要的。

此系统可以实时监测火灾的发生并且同时发送报警信号。

可做到及时的通知离此处最近的消防中心以及火灾现场业主。

降低人员伤亡，减少经济损失，灵敏度高，实时性好。

系统将无线网络，传感网络和传统Internet网络监测有机结合，不仅可及时监测到火灾的发生.同步报警。

而且具有友好的InternetWeb网页监测界面。

GPRS无线通信报警。

上位机监测界面。

Internet可以用在远程监测报警，如消防中心等等。

而上位机正好弥补了没有Internet的缺陷，实现了无Internet网络的近距离监测报警。

如小区监控室等等。

而且此系统实现了低功耗，节省能源、经济适用，是一套完整可行的系统。

2原理系统主要由三大部分组成：

无线终端设备、无线集中器、和嵌入式服务器。

无线终端设备主要有传感器（DS18B20、烟雾传感器）、MCU（MSP430f5418）、RF射频芯片（CC2500）组成。

集中器主要由RF射频芯片（CC2500）、MCU（MSP430f5418）组成。

嵌入式服务器主要有Lm3S8962、GPRS模块、网关、报警系统组成。

本设计利用了SimpliciTI无线传感网络、GPRS网络和Internet网络，三者有效的结合。

系统主要使用SimpliciTI协议栈构成无线网络，使用UCOSII操作系统构成嵌入式Web服务器。

无线网络最多可挂100个终端设备，并采用星形无线网络，终端设备通过一定的配置自动加入网络，系统使用五个无线模块作为终端设备，在一定时间间隔分别对温度、烟雾进行检测，并把检测到的信息发送给集中器，集中器经过处理通过UART与嵌入式服务器M3进行通信，服务器处理后把信息更新在网络页面上并同时更新在上位机页面上。

如果监测到火灾的发生，InternetWeb网页报警显示，上位机页面报警显示，与此同时GPRS以发送短信息的形式通知火灾现场业主。

消防人员可以远程登录Web网页监测到火灾发生，启动消防设备，采取消防措施。

小区监测室通过上位机监测到火灾发生，启动消防设备，迅速到底火灾现场采取更有效的措施。

系统还可以增强与其它消防子系统的集成和联动能力，进一步提高远程协助的能力。

2.3系统总体方案框图

如图2-1所示，采集终端采集数据，通过CC2500把数据传输给集中器，集中器传给GPRS和网关。

图2-1系统总体方案框图

2.4系统方案设计

本设计的无线终端设备为simpliciTI网络中的传感节点，传感节点构成的网络，能够实时的监测、感知和采集节点部署区域的观察者感兴趣的感知对象的各种信息，如光强等，并对这些信息进行处理，然后以无线的方式发送出去。

此系统传感节点由温度传感器和烟雾传感器组成，能够实时监测环境温度、烟雾浓度情况，并加以处理发给AP节点

本设计的无线集中器为simpliciTI网络中的AP，AP（AP,AccessPoint,）无线访问节点、会话点或存取桥接器）是一个包含很广的名称，它不仅包含单纯性无线接入点（无线AP），也同样是无线路由器（含）无线网关、无线网桥）等类设备的统称。

本系统的AP节点为无线网关，通过simpliciTI网络配置与传感节点形成无线网络，AP节点实时接收传感节点信息，AP节点收到所有传感节点信息后经过处理和数据转换后经msp430f5418的串行接口（UART）发送至嵌入式服务器。

AP最多可以接