摘 要 采用无线传感器网络（WSN）技术，对火灾定位技术进行具体研究并做了相应的改进，设计出基于Zigbee的火灾定位预警系统。该系统通过测量环境的温度、有害气体浓度及时定位，如果发现火灾能够及时将信息传到监测中心，防止火灾的蔓延、威胁人们生命和财产的安全。
关键词 Zigbee技术；火灾预警系统；三边定位
1 绪论
火灾不但威胁着我们的生命和财产的安全，而且还会释放大量有毒气体，破坏生态环境。火灾的突发性，不确定性更增加了预防火灾的难度。如果采用人工巡防的方式，不但会造成人力物力的浪费，也会发生发现不及时，抢救延误的情况。因此，急需要一种低成本、高效率、智能化的火灾定位预警系统，通过测量环境的温湿度、风力风向以及烟雾等方式及时发现灾情并准确定位进行预警，防止火灾的蔓延、威胁人们生命和财产的安全[1]。
2 总体设计
应用无线传感器网络技术——Zigbee网络技术，设计出一套能够采集环境数据的无线监控系统，此设计方案还能够对警报发生地点进行较精确的定位。利用无线传感器网络中的 ZigBee技术，并将它与其他短距离无线通信技术比较，最后选择了ZigBee技术作为火灾监测系统的无线通信协议。最后，结合监测环境的复杂性和特殊性，提出了系统的总体设计方案[2]。
2.1 火灾定位预警系统的 WSN 结构
无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）是由很多分布在该监控区域中的具有计算和通信能力的传感节点组成，通过多跳无线通信方式构成的分布式网络系统，作用是感知、采集并处理网络分布区域内各种监控对象的信息，并将其发送给用户。一个无线传感器网络还可以将其分为基础通信服务、中间件服务和上层应用系统等三个主要功能模块。中间件为上层应用提供主要的技术支撑，包括网络的拓扑结构和部署、系统管理、同步及定位等。上层应用则要根据具体应用需要设计，主要包括信息融合、数据压缩、数据挖掘、分布式存储和查询等。
2.2 传感器节点数据采集
从无线传感器网络的功能结构来看，可以将无线传感器网络的功能结构抽象为基础层、网络层、数据管理与处理层和应用层。
（1）在实际应用中，人们往往只是用无线传感器网络来确定某个被感知区域的某种观测指标（如温度、湿度、磁场强度等）的值，而不仅仅是某个传感器节点的探测值。这反映了无线传感器网络以数据为中心（Data Centric）的特点。
（2）无线传感器网络最简单的数据采集方法就是将每个传感器的数据采集的数据定期发送到基站，由基站进行离线分析处理，传感器节点本身对采集的数据不做任何处理，只是简单地发送或转发感知数据[3]。
2.3 传感器网络节点能量管理
无线传感器网络根据其应用环境的不同可以具有不用的節点结构，但是，其基本结构应包括传感器单元、处理器单元、无线通信单元以及能量供应单元等四部分。另外，可扩充的部分还包括能量生成单元。
2.4 能量管理
传感器单元通常由某一特定类型的传感器和相应的模数转换器组成：传感器可以感知并获取外界的信息，传感器类型由被感知对象的物理信号特征决定；模数转换器负责对采集进行AD转换，并将输出的数字信号传送给处理器单元。能量供应单元则为整个节点提供工作所需要的能量，可以采用稳定电源或自供电系统。WSN节点通常部署在野外或无人值守区域，往往采用有源电源供电。一般来说，数据传输过程中的能量消耗最高，可以达到总消耗的70%左右。因此，我们设置了系统的空闲状态改进网络的路由协议，进而达到节省能量的作用[4]。
3 定位算法
采用多边定位中的三边定位， 参考节点1～3 的坐标分别为（x1， y1， z1）、（x2， y2，z2）、（x3， y3， z3）， 火源的位置为（x， y，z）， 以节点4 作为簇头， 依据节点1～3 提供的节点坐标及到火源的距离r， 有：
将上式前两个等式依次减去第三个等式， 化简后写成线性方程形式如下：
其中，
这样，通过式（1）就可以进行火源定位。考虑非理想情况，这里采用极大似然估计来估计节点的位置，通过实验证明，采用三边定位法能很好地进行火源定位，实验中定位误差为10 cm。
4 系统实现
首先我们需要对无线传感器网络需要的技术和知识进行准备，我们已经熟悉单片机和相关软件开发技术，但是IEEE802.15.4和ZigBee协议栈是有一定难度的；目前在无线传感器网络和无线单片机方面，已经有大量的技术书籍可供参考。其次我们仍然需要一套容易使用的无线传感器网络（WSN）开发系统，这是因为：我们需要一套完整的软件编译开发平台，包括IAR和KEIL的编译调试环境，在线仿真器等必要的开发工具。
我们对无线传感器进行系统设计，要掌握无线传感器网络协议栈软件使用，同时尽快进入相关应用软件开发，所以我们需要一套已经完成高频测试的无线节点、网关、路由器和无线模块来进行检测和运行嵌入式应用软件和协议栈软件。我们需要相关的温度、加速度、光线、湿度等传感器接口到这个系统，方便我们系统设计。
目前很多国内企业，都已经推出了各种无线传感器网络开发工具，美国德州仪器TI CC2520无线收发器和TI的ZigBee2007/PRO协议栈无线传感器网络（WSN）开发系统的新产品，包括在线仿真器，PC、GUI网络监视控制软件，相关源代码无线传感器网络示范代码包装等。设计任务包括设计嵌入无线传感器网络单元、无线显示单元和能源控制单元。首先，我们采用WSN无线传感器开发系统平台提供的多个无线SoC模块（内含CC2430等无线单片机），下载TI ZigBee协议栈相关代码，进行无线通信测试， 使用KEIL和IAR编译开发环境，完全开源的ZigBee协议栈软件，可以很快完成无线节点和路由器，网关的性能测试。
5 结束语
本创新项目基于Zigbee网络的火灾定位预警系统，采用低功率且安全性极高的Zigbee技术，适合野外无人看守的情况、区域比较大的地方，可以通过无线方式大面积采集火灾监测参数，能够对地区的监测节点实现三边定位。本系统的实用性极强，对比现有火灾预警系统，其构成简单、使用灵活、硬件成本和功耗低。
参考文献
[1] 赵景宏，李英凡，许纯信.Zig Bee 技术简介[J].电力系统通信 2006， 27（165）：59.
[2] 任丰原，黄海宁，林闯.无线传感器网络[J].软件学报，2003， 14（7）：1282-1291.
[3] 刘静.基于zigbee技术的无线火灾报警信息传输系统的设计[D].长沙：中南大学，2007：33.
[4] 蒋建辉.zigbee网络的设计与实现[D].苏州：苏州大学硕士学位论文，2006：21.
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