一种基于传感器网络火灾监测系统及方法、火灾探测终端
阅读说明：本技术 一种基于传感器网络火灾监测系统及方法、火灾探测终端 (Fire monitoring system and method based on sensor network and fire detection terminal ) 是由 涂德凤 王恩亮 于玉亭 于 2021-08-10 设计创作，主要内容包括：本发明涉及火灾检测领域,特别涉及一种基于传感器网络火灾监测系统及方法、火灾探测终端。系统包括监控主机、网关节点、传感器网络,其中传感器网络包括若干个火灾探测终端,若干个火灾探测终端组成传感器网络后通过网关节点与监控主机连接。本发明的有益效果在于：本发明的火灾探测终端设置在各个探测点后通过射频收发器自组网形成了传感器网络,传感器网络、网关节点、监控主机形成的火灾监测系统解决了背景技术中采用有线方式连接传感器带来的施工繁琐、高成本、线路易磨损的问题。(The invention relates to the field of fire detection, in particular to a fire monitoring system and method based on a sensor network and a fire detection terminal. The system comprises a monitoring host, a gateway node and a sensor network, wherein the sensor network comprises a plurality of fire detection terminals, and the plurality of fire detection terminals form the sensor network and are connected with the monitoring host through the gateway node. The invention has the beneficial effects that: the fire detection terminal is arranged at each detection point and then forms a sensor network through the radio frequency transceiver ad hoc network, and the fire monitoring system formed by the sensor network, the gateway node and the monitoring host solves the problems of complicated construction, high cost and easy abrasion of lines caused by connecting the sensors in a wired mode in the background technology.)
技术领域
本发明涉及火灾检测领域，特别涉及一种基于传感器网络火灾监测系统及方法、火灾探测终端。
背景技术
火灾是世界上发生频率最多的灾害之一，严重威胁着人生安全和社会财力。据统计，全世界每天发生火灾1万起左右，每年因火灾造成的直接经济损失达10多亿元，人员伤亡5000-6000多人。近年来，随着高层建筑的不断出现，火灾所造成的人员伤亡和经济损失变得更为重大。因此，如何准确有效的对火灾发生进行监控预警，最大限度地减少火灾发生次数、降低火灾造成的危害一直是全世界共同研究的重要课题。
目前的火灾探测系统，在使用中渐渐呈现出了一些弊端。一方面现有的火灾探测终端多采用有线方式，探测器与报警器以及控制器间用多条的铜芯导线穿管相连，不仅安装繁琐，而且成本很高。工程布线对建筑本来面貌有影响，同时其线路易磨损、老化等会造成火灾监控系统的故障，不能保证火灾报警的可靠性。
发明内容
为了解决现有火灾探测系统采用有线连接会产生线路老化磨损的问题，本发明提供了一种基于传感器网络火灾监测系统及方法、火灾探测终端，具体方案如下：
一种基于无线传感器网络的火灾监测系统，包括监控主机、网关节点、传感器网络，其中传感器网络包括若干个火灾探测终端，若干个火灾探测终端组成传感器网络后通过网关节点与监控主机连接。
具体地说，所述网关节点包括网关处理单元和与之连接的射频通讯单元、第一存储模块、网络通讯单元、第一电池模块，其中第一电池模块还与射频通讯单元、网络通讯单元连接。
具体地说，所述网关处理单元包括ARM11内核芯片S3C6410。
具体地说，所述射频通讯单元包括ZigbeeCC2530芯片和与之连接的第一天线，ZigbeeCC2530芯片与ARM11内核芯片S3C6410的对应引脚连接；所述网络通信单元包括GPRS模块、以太网模块、4G模块、5G模块中的一种或多种。
用于上述系统的方法，包括以下步骤:
S1、火灾探测终端获取监测范围内环境参数传送至监控主机；
S2、监控主机依次通过趋势算法、相关性算法、决策判断算法对数据进行处理；
S3、监控主机生成报警信息。
具体地说，步骤S2具体为：
S2.1、定义符号函数sign1(x)、sign2(x)；
建立特定趋势算法：
式中N为窗长，n是离散时间变量，y(n)为火灾变化的趋势值，RW为以选定的阈值，sign1(x)、sign2(x)为重新定义的符号函数，v为趋势判断所用的转折门限；x(n)为环境参数；
特定的趋势的相对值为：
S2.2、令X、Y为任意两个环境参数，或环境参数信号经过相应处理后得到的序列；
定义互相关函数：
其中
式中，M为取样点数，分别表示X、Y的平均值；
S2.3、根据相关函数值的大小判断是否发生火灾，当任意一个相关函数值连续10次大于0.6，判断为发生火灾，否则判断为没有发生火灾。
用于上述系统的火灾探测终端，包括处理单元和与处理单元对应引脚连接的传感器单元、通讯模块、第二存储模块、第二电池模块，还包括与通讯模块连接的第二天线，其中第二电池模块还与传感器单元和第二存储模块连接。
具体地说，所述处理单元包括ZigbeeCC2530芯片，ZigbeeCCC2530芯片集成有射频收发器，所述存储单元、第二天线分别于ZigbeeCC2530芯片的对应引脚连接。
具体地说，还包括ZigbeeCC2591射频前端芯片，ZigbeeCC2591射频前端芯片连接在ZigbeeCC2530芯片与第二天线之间，所述存储模块、第二电池模块分别于ZigbeeCC2591射频前端芯片的对应引脚连接。
具体地说，所述传感器单元包括烟雾传感器、CO传感器、温度传感器。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明的火灾探测终端设置在各个探测点后通过射频收发器自组网形成了传感器网络，传感器网络、网关节点、监控主机形成的火灾监测系统解决了背景技术中采用有线方式连接传感器带来的施工繁琐、高成本、线路易磨损的问题。
(2)通过使用ARM11内核芯片S3C6410，可实现火灾探测节点的数据收集，该芯片预留了本地触摸屏模块接口、报警电路、wifi模块接口、以太网接口，可以根据需要很容易接入。
(3)特定趋势算法解决了现有趋势算法中单位阶跃函数的转折门限值(门限值为0)太小，导致趋势算法对信号的变化表现出过于敏感，从而容易受到干扰信号的干扰问题；特定趋势算法同时将转折门限值定义为一个可设定的值，还有在零点的判断上采用了区间范围，从而避免了在零点附近的震荡，也就起到了对信号的抗干扰作用。
(4)通过设置ZigbeeCC2591芯片相对于其他收发前端芯片增益更高，可无线传输距离更远，同时编程更简单，技术支持更完备，并可无缝实现ZStack休眠低功耗等功能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明系统结构示意图；
图2为网关节点结构示意图；
图3为本发明方法流程图；
图4为火灾探测终端结构示意图；
图5为现有技术中Zigbee协议栈架构示意图。
图中标识具体为：
1、监控主机；2、网关节点；3、传感器网络；31、火灾探测终端；21、网关处理单元；22、射频通讯单元；23、网络通讯单元；24、第一存储模块；25、第一电池模块；311、处理单元；312、传感器单元；313、通讯模块；314、第二电池模块；315、第二存储模块；316、第二天线。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明公开了一种基于传感器网络火灾监测系统及方法、火灾探测终端，包括：
一种基于传感器网络火灾监测系统，包括监控主机1、网关节点2、传感器网络3，其中传感器网络3包括若干个火灾探测终端31，若干个火灾探测终端31组成传感器网络3后通过网关节点2与监控主机1连接。
所述网关节点2包括网关处理单元21和与之连接的射频通讯单元22、第一存储模块24、网络通讯单元23、第一电池模块25，其中第一电池模块25还与射频通讯单元22、网络通讯单元23连接。
所述网关处理单元21包括ARM11内核芯片S3C6410。
所述射频通讯单元22包括ZigbeeCC2530芯片和与之连接的第一天线，ZigbeeCC2530芯片与ARM11内核芯片S3C6410的对应引脚连接；所述网络通信单元包括GPRS模块、以太网模块、4G模块、5G模块中的一种或多种。
所述ARM11内核芯片S3C6410采用WinCE6.0实时操作系统。可实现火灾探测节点的数据收集，不但可以通过预留触摸屏模块本地显示，还可以将数据通过GPRS模块无线上传到移动网络。
用于上述系统的方法包括以下步骤：
S1、火灾探测终端31获取监测范围内环境参数传送至监控主机1；
S2、监控主机1依次通过趋势算法、相关性算法、决策判断算法对数据进行处理；
S3、监控主机1生成报警信息。
常用的趋势算法是kendall-τ检测器；
式中，n是离散时间变量，N是用于观测数据的窗长，u(x)为单位阶跃函数；
将y(n)详细展开；
由此易见对于窗长为N的kendall-τ趋势值，总共有N(N+1)/2项u(x)求和。y(n)的最大值为N(N+1)/2，因此，可以定义相对趋势值τ1；
步骤S2具体为：
S2.1、定义符号函数sign1(x)、sign2(x)；
建立特定趋势算法：
式中N为窗长，n是离散时间变量，y(n)为火灾变化的趋势值，RW为以选定的阈值，sign1(x)、sign2(x)为重新定义的符号函数，v为趋势判断所用的转折门限；x(n)为环境参数；
特定的趋势的相对值为：
S2.2、令X、Y为任意两个环境参数，或环境参数信号经过相应处理后得到的序列；
定义互相关函数：
其中
式中，M为取样点数，分别表示X、Y的平均值；
S2.3、根据相关函数值的大小判断是否发生火灾，当任意一个相关函数值连续10次大于0.6，判断为发生火灾，否则判断为没有发生火灾。
以环境参数为温度、烟雾浓度、CO浓度为例：
温度的特定趋势的相对值为：
烟雾浓度的特定趋势的相对值为：
Co浓度的特定趋势的相对值为：
由上述特定趋势值的相对值获取：
温度和烟雾的互相关函数为：
温度和co的互相关函数为：
烟雾和CO的互相关函数为：
当R12、R13、R23中任意一个函数值连续10次大于0.6，判断为发生火灾，否则判断没有发生火灾。
用于上述系统的火灾探测终端包括处理单元311和与处理单元311对应引脚连接的传感器单元312、通讯模块313、第二存储模块315、第二电池模块314，还包括与通讯模块313连接的第二天线316，其中第二电池模块314还与传感器单元312和第二存储模块315连接。
所述处理单元311包括ZigbeeCC2530芯片，ZigbeeCCC2530芯片集成有射频收发器，所述存储单元、第二天线316分别于ZigbeeCC2530芯片的对应引脚连接。
所述ZigbeeCC2530是TI公司推出的具有USB功能的用于IEEE 802.15.4、ZigBee和RF4CE应用的片上系统(SoC)解决方案。它能够以非常低的总材料成本建立强大的网络节点。CC2530集成2.4G.Hz的RF收发器、增强工业标准的8051MCU、在系统可编程的256KBFlash、8KB RAM和许多其他强大的功能；发射功率为4.5dBm(可调)，接收机的接收灵敏度为-97dBm。
火灾探测终端31还包括ZigbeeCC2591射频前端芯片，ZigbeeCC2591射频前端芯片连接在ZigbeeCC2530芯片与第二天线316之间，所述存储模块、第二电池模块314分别于ZigbeeCC2591射频前端芯片的对应引脚连接。
所述ZigbeeCC2591是TI公司推出的工作在2.4GHz，面向低功耗与低电压无线应用，集成度很高的射频前端芯片。ZigbeeCC2591的内部集成功率放大器(PA)的增益为22dB，最大发射功率为+22dBm(输入+5dBm)，输出1dB压缩点+19dBm，接收部分内部集成的LNA分高低接收增益分别为11dBm、1dBm，噪声系数为4.8dB，接收灵敏度改善6dB。连接ZigbeeCC2591后，ZigbeeCC2591发射模式下PA增益最大为22dB，则对应的发射功率范围为+22～10dBm(最大值由PA本身决定，最小值可以更小)。综合考虑其PA为1dBm压缩点(19dBm)和系统功耗等因素，设定其TXPOWER＝0xD5，即ZigbeeCC2530的输出功率为1dBm，ZigbeeCC2591的发射功率为19dBm是较理想的大功率输出参考设定。
火灾探测终端31以及网关节点2通过ZigBee协议栈实现节点的组网，ZigBee是一种低成本、低速率、低功耗、网络容量大、布设简单的短距离无线网络通信技术。ZigBee协议栈是由物理层、MAC层、网络层、应用汇聚层和安全层构成，如图4所示，每层可以接收下层提供一组指定的服务，一个数据实体提供特定的数据传输服务，一个管理实体提供所有的其他服务。
所述传感器单元312包括烟雾传感器、CO传感器、温度传感器。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
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