《基于LoRa的分布式火灾检测报警系统设计》12000字（论文）

基于LoRa的分布式火灾检测报警系统设计摘要在人们的日常生活中，火灾一直是发生频率最高、风险最大、危害公民生命财产安全的主要灾害之一。特别是随着城市化步伐的加快，我国已建成或正在建设的各种功能建筑在居住区中所占的比例越来越高，由此产生的防火系统设计、安全对策、应急预案等方面的问题也引起了政府及相关技术监督部门的高度重视。然而，目前小区火灾报警控制系统存在信号检测(烟雾检测或温度检测)单一、灵敏度低、投入成本高、维护困难、统一控制困难、扩容困难等问题。从设计角度出发，研究和设计了一种基于物联网LoRa技术的无线火灾报警控制系统。该系统的结构主要分为两部分:底层和上层。底层主要由复合火灾探测器、路由节点、协调节点和联动控制设备组成。这些节点模块均采用CC2530作为控制芯片。为了便于调试和下载，设计并安装了无线下载功能模块。复合火灾探测器检测温度信号、CO浓度和烟雾浓度，通过LORA无线网络传输到协调节点，再通过CAN总线技术将协调节点传输到上位服务器。上层建筑主要由服务器和客户端组成。服务器负责系统的维护和管理。采用模糊神经网络算法提高了火灾早期判断的准确性。火灾确认后，将火灾信息存储在MySQL数据库中，并启动相关联动控制设备。客户端设置监控功能和历史数据查询功能，方便查询房间内的监控数据和历史记录，显示运行情况信息和报警信息。所设计的基于物联网技术的无线火灾报警控制系统具有成本低、灵敏度高及可拓展性强的效果。该系统对于现代化无线、公寓等人员密集且安全性要求高的场所，具有很好的应用和推广价值。关键词：火物联网；火灾检测报警；LoRa；串行口通信；传感器目录摘要 所示。电路主要由电容、电阻以及MAX407放大器构成，其中电阻R10、R11以及电容C3、C4组成简单的二阶滤波电路，去除检测信号中夹杂的高频干扰信号，然后经过MAX407放大器对信号进行一级放大，为了避免干扰信号也被放大，所以在放大之前经过简单的二阶滤波去除干扰，最后将放大后的信号传递给CC2530芯片，读取此刻的CO浓度和温度值。图2-9调理电路三、分布式火灾检测报警系统软件设计结合系统硬件设计，利用软件编程，实现系统所要实现的整体功能。主要包括两方面的设计内容，下位机软件和上位机软件设计。下机部分主要通过LoRa技术来建立无线传感器网络，上位机部分主要包括服务器和客户端程序设计，服务器用于接收火灾信息，并存储到MySQL数据库中，客户端用于显示报警类型，报警位置和报警时间等相关信息。3.1通信协议设计本文通信协议采用两种形式，一种无线方式采用LoRa协议进行通讯，另一种有线方式采用CAN总线协议进行通讯。3.1.1LoRa无线通信协议在日常使用中，Lora需要同时检测的节点数量一般都非常大。如果每个节点上配置有带传感端和采集端的单片机和一个Lora无线通信模块，这无疑大大降低了系统的拓展性。因此，在向LORA无线通信模块发送或接收数据时，除模块地址和校验位外，有效数据只有字节长度。在长度为一个字节的数据中心中，高点为子节点的地址，低点为子节点检测到的对应地址处的着火状态。并对单个子节点发送的有效字节数据进行逻辑运算后进行重新定义。通过该子节点识别出的回送数据命令，在进行逻辑运算结果后对该子节点识别的回送数据命令，即当该子节点收到这一字节的有效数据命令的时候，将已经准备好的数据通过LoRa回送至数据的收集端。当感知端、收集端分别上电后系统开始运行工作，此时收集端向营运端告知其一在线，之后便通过收集端LoRa从所定义的最低低至对这些命令进行循环广播。在感知端接收到当前子节点的会送数据命令后边开始对数据开始回送，从而大大降低了数据在传送过程中丢失于发生错误的几率。除此之外，基于LoRa模块的半双工无线通信属性，其在通信过程中非常可能发生收发数据冲突的状况，为了解决数据堵塞,可能发生的碰撞和其他问题当多个节点,子节点发送数据像总结收集结束会增加某些演示这两个命令之间的广播,以确保收集接收数据时可以处于闲置状态的感知。LoRa软件协议方案的提出，可以进一步增强了系统的扩展性和稳定性，另一方面可以增加可挂接子节点的个数，从而满足绝大多数场景下同时检测多个场景火灾情况的要求。复合式火灾探测器上传信息和路由节点上传信息类似，路由节点下发信息和协调节点下发信息类似，此处不再赘述。仅针对协调节点向LoRa网络发送指令，向服务器上传数据，以及路由节点向协调节点传输信息进行阐述。协调节点下发数据。下位机中通过LoRa无线通信协议进行通讯，协调节点在发送指令时，首先寻找需要接收指令的目标地址，然后利用LoRa无线网络将整理好的数据包发送给目标节点[47]。需要注意的是协调节点需要检查目标地址是否为该网络的有效地址，确认之后才会申请一段合适的存储空间，调用AF_DataRequest函数将数据包发送给目标节点，最后释放内存空间。协调节点上传数据。操作流程如图3-1所示。协调节点接收到数据后，继续向上传递给服务器实现进一步判断信号。系统中协调节点和服务器之间采用CAN总线方式进行通讯，在进行传送数据时首先需要将LoRa无线网络中的数据包转换成可以通过CAN总线传递的UART形式的数据包。图3-1协调节点上发信息流程图3.1.2CAN总线通信协议为保证协调节点和服务器通讯，选用SJA1000与CTM1050连接构成电路完成有线通讯。JA1000的初始化。为保证系统正常工作，SJA1000必须进行初始化设计，实现系统各部分之间数据交换，一旦SJA1000出错，重新加载一下初始化程序，便可使其恢复工作状态。信号发送模块程序设计。若想完成信息发送到总线上，需要通过CAN控制器自动实现。在这一过程中只需要将发送的数据帧放到发送缓冲区，然后启动发送命令完成数据发送。信息接收模块程序设计。信息的接收过程和发送过程相似，同样需要依靠CAN控制器实现信息从CAN总线传送到CAN接收缓冲区。接收数据时只需要读取接收缓冲区中的数据，然后释放内存。四、分布式火灾检测报警系统仿真4.1分布式火灾检测报警系统仿真方法本系统采用美国MathWorks公司的数学软件MATLAB进行仿真，该软件具有完整的图形处理功能，丰富的工具箱以及大量的库函数，并且该软件语言应用简单，同时可以将编辑、编译、连接和测试融为一体，方便使用者灵活运用。在进行投入使用前，对复合式火灾探测器是否能将信号通过LoRa无线网络传递给协调节点，并且传递给计算机进行测试。该测试过程选择三个复合式火灾探测器、一个路由节点、一个终端节点，利用串口调试助手观察复合式火灾探测器检测的烟雾浓度、CO浓度和温度大小采集情况。并检测在三种采集信号发生变化后，信号是否依然可以正常传递。对于服务器构成的上层网络，系统需要测试是否可以接收下层网络传输的数据。利用串口调试助手向服务器发送数据。在测试的过程中，串口调试助手充当协调节点的角色，在发送数据时，数据格式要和协调节点的格式相同。打开客户端主界面，通过串口调试助手给服务器发送火灾报警信息。这个模块主要是通过自己搭建的感光传感器进行创建而来实现的一个探测式模块,在电路中我们采用了lm反向电压比较器的方式作为其输出接口,该反向电压比较器的方式是在未被检测到的火焰时电路继续保持一个高电平的输出,当被检测到的火焰时它的输出是一个低电平,当被检测到的火焰已经消失时它的输出便有机会保持一个高电平。在该电路中,如果将滑动变阻器的电流调节到ω,则无论外部环境如何发生变化,模块的输出都必须恒为一个高电平;若把滑动变阻器的温度调整到kω,则无论外部环境的变化,模块的输出都是恒为一个低电平。在反复经历了一番综合分析考虑后,笔者把一个滑动模块变阻传感器用一个kω的非确定值滑动电阻信号来进行代替,然后对它进行了模拟测试,通过一个数字滑动示波器可以观看一个模块的滑动输出频率波形如何变化,从而笔者可以通过控制一个模拟仪器货源针对不同的滑动传感器工作维度是否保持输出频率恒定不变,测量在不同的工作距离内是的滑动模块及其输出波形结果。通过对这次测试成果进行了观察,笔者已经对于火焰检测模块在可以感知有效距离上有了明确把握。但是由于在实验中我们所运用的一种模拟式火源主要是一台打火机的火焰,其中火焰的强度并不够,所以在实际应用场景中的货源比较强,面积也就更大,温度也就会更高,所以它比较容易被火焰探测系统模块所检测得到,因此,根据本次的测试结果我们就可以了解到,本系统模块中的火焰探测系统模块对于火灾的探测和灵敏度很高,且其输出相对稳定,可以满足系统内室内范围监控的设计需要。作为本次系统设计中具备无线通信功能的一个重要核心模块,lora无线通信的距离也就是决定整个系统之间能否开始进行无线远程通信的重要关键。为此,笔者专门在一座建筑体内对感知端和收集终端之间的有效通讯距离进行了检验,测试前分别将感知终端at89s51单片机的第二组i/o口接通led电平指示灯。测试方法如下所示：通过在感知端向接受器发送一个字节有效的数据至接受器收集端,接受器在其中接受到该数据后利用led电平的指示灯来显现二进制码,然后将这一个字节而静止的热数求出逆码并接受器发送至感知端,感觉器在接受器中利用led电平的指示灯来显现该字节的二进制码(伺候器中所有热静止的数将被转化成十六进制进行表示)。为了大大简化本次实验中的变量,本次实验只是测试了不同楼层间lora的通讯情况,且其墙壁厚度被默认为一楼的天花板至二楼欧地面之间的距离。通过这种新型测试方法尽可能地完整还原了本通信系统的设计发射端与无线信号端和收集端每次用户进行与外无线通信时需要修改的设想要求的发射端信号输出的实际数据之间尺寸差异大小和符合实际应用环境,实验中用户接受与收到的实际数据尺寸差异最小概率仅大约为0.5%,结果表明设在lora的大型建筑内与外无线通信传输距离已经完全足够满足了该通信系统的实际设计性能要求。通过这种新型测试方法尽可能地完整还原了本通信系统的设计发射端与无线信号端和收集端每次用户进行与外无线通信时需要修改的设想要求的发射端信号输出的实际数据之间尺寸差异大小和符合实际应用环境,实验中用户接受与收到的实际数据尺寸差异最小概率仅大约为0.5%,结果表明设在lora的大型建筑内与外无线通信传输距离已经完全足够满足了该通信系统的实际设计性能要求。在进行了测试过后,结果显示该系统的检测数据与人工监控的结果相一致,而且可以通过自主进行报警和虚拟现实,以此方式来充分满足本次检测系统的总体设计需要。4.2分布式火灾检测报警系统仿真结果本章实现了系统的通讯协议设计以及软件设计。系统采用LoRa无线通讯以及CAN总线通信两种通讯方式，完成整个系统的信号传输。软件设计主要包括复合式火灾探测器的软件设计、路由节点软件设计、协调节点软件设计、联动控制设备以及服务器和客户端软件设计。同时本系统进行模块化设计，降低各模块之间的联系，便于以后系统设计时需要作出的拓展和修改。最后对整体系统的数据发送以及数据接收进行测试，检测系统的工作情况。五、总结与展望本章实现了系统的通信协议设计和软件设计。系统采用LOLA无线通信和CAN总线通信两种通信方式来完成整个系统的信号传输。软件设计主要包括复杂火灾探测器软件设计、路由节点软件设计、协调节点软件设计、联动控制设备及服务器和客户端软件设计。同时，对系统进行了模块化设计，减少了各模块之间的联系，方便以后系统设计需要做的扩充和修改。最后对整个系统的数据传输和数据接收进行测试，以检测系统的工作状态。随着物联网技术的发展以及智能无线的兴起，在满足国家需求的情况下，基于物联网技术的无线火灾报警控制系统越来越得到国家的重视。本文为提高系统的准确性和可靠性，解决有线传输成本差、维修困难，以及单一信号报警准确率低等缺点，主要完成了以下几个方面的研究。1.单一信号作为火灾判断依据存在误报、漏报等问题，本文设计一种结合温度检测、烟雾检测以及CO检测的复合式探测器。通过三种信号的综合分析，提高探测器灵敏度。并提出LoRa技术和CAN总线技术相结合的方式，实现火灾信号的传输。2.传统火灾报警控制系统的节点在布置好之后，很难调整节点内部程序。本文通过无线下载模块，方便调整节点程序。并且增加CC2591射频前端，保证信号的有效传递。3.传统信号判断不够智能化，在环境变化情况和火灾发生时的情况极其相似时，很难区分出火灾信号，容易发生误报。本文利用模糊神经网络对实验样本不断训练，得到一个可以作为火灾信号判断的可靠数学模型。4.服务器设计中设置网络监管、数据监听、数据存储以及自动采集和记录设计。通过服务器设计对网络进行监管。对于协调节点上传的数据利用模糊神经网络算法进行判断，在客户端关闭的情况下，完成数据的采集和记录，并将数据更新到数据库中。5.设计客户端显示界面和后台支持程序。显示报警信息的位置，时间以及类型，并通过历史记录查询功能查询报警历史记录。后台支持程序实现客户端和服务器之间的通信，客户端的网络维护以及报警信息处理程序。参考文献陶晓雪.天津示范镇建设中的火灾风险评估与消防规划研究[D].天津:天津工业大学.2013.杨秸.建筑消防安全管理的问题及对策[J].管理观察,2017(23):29-30.蒋永波.浅析如何加强高层住宅建筑无线的消防安全管理[J].山西建筑,2017,43(30):255-257.[4]朱丽婷.基于CAN总线的火灾探测系统的研究与设计[D].杭州:杭州电子科技大学,2011.JinxiaDiao,GuilinZhang,HaidongHu,ZhihuiZou,BaojinZhang.Designandapplicationofelectricalfiremonitoringsysteminminingindustry[J].InternationalJournalofMiningScienceandTechnology,2015,25(2):305-310.MAShu-guang.ConstructionofWirelessFireAlarmSystemBasedonLoRaTechnology[J].ProcediaEngineering,2011,11:308-313.张青春.基于WSN和WSVR算法的火灾预警系统[J].消防科学与技术,2012,31(10):1075-1077.BoChen,ZeHu,LiangGe,JunLanLi.DesignofWirelessFireDetectionandAlarmSystemBasedonLoRaTechnology[J].AppliedMechanicsandMaterials,2014,2808(448):3662-3665.程璐.浅析火灾自动报警系统在消防中的应用及发展趋势[J].低碳世界,2014(09):305