基于无线传感网络的火灾预报警系统研究与设计

摘要

针对市场上普遍采用有线电路连接方式的火灾报警装置，其在实际环境中存在布线困难，线路易老化，在复杂的火场下易受环境影响，成本也相对较高等缺点，并且这些报警设备由针对火灾发生后的某一产物所选的传感器构成，这些单一传感器型的报警装备存在着较高的误报率，因此本文采用多传感器电路进行数据采集，采用无线网络进行数据传输并用模糊聚类算法对数据进行处理后分级预警，可有效降低误报问题。
　　 本文首先在第一章中介绍了课题研究的来源，目的意义、研究思路以及国内外火灾报警的发展趋势。紧接着在第二章中，介绍了ZigBee协议栈以及模糊算法的基本概念，为后期系统设计提供理论支持。在文章的第三章中详细得介绍了系统的设计，首先在以美国德州仪器生产的CC2430作为基础上设计硬件电路，对于检测节点设计包括数据采集模块设计、电源模块设计、声光报警模块设计，而网关节点包括LCD模块设计、按键电路设计、串口通信模块设计、电源模块设计。其次在ZigBee协议栈的基础上进行软件设计，本节开头简单介绍了Z-STACK协议栈，详细剖析了协议栈的基本初始化以及系统初始化，并在系统初始化中首次提出用户自定义处理函数。在整个系统全部初始化完毕后开始启动系统。接下来文章详细介绍了节点在Z-STACK中建立（加入）网络的流程，以及各不同类型节点的一些基本配置，并根据系统需求设计完整的通信格式，其中通信格式大小应满足能够容纳包括命令类型、地址以及所有传感器数据值总和，并根据需要设计了四种命令类型，包括上传/下发数据命令、更改上传周期命令、更改传感器阈值命令、打开电磁阀命令。然后对于网关节点和检测节点的需求设计对应程序流程图，根据流程图再实现各类型节点软件具体设计。对于检测节点主要实现数据采集、声光报警、无线收发等软件设计。对于网关节点必须完成对串口通信、按键、LCD显示、无线收发、等级判定几个方面设计。本文第四章主要对火灾预警机制中模糊算法研究，详细介绍了模糊C均值算法以及采用该算法对火灾分级预警机制进行仿真研究，并在此基础上提出采用梯形模糊聚类算法研究火灾预警机制。最后在第五章中，在完成了系统整体设计后进行测试，实验室中模拟火灾现场对检测节点进行各个功能测试，主要包括正常通信、拓扑结构、报警设计、命令操作测试，并运用C#设计上位机软件最终完成整机测试。
　　 实验测试在实验室中完成，各个节点分布满足覆盖整个实验室空间的要求。通过实验模拟测试，该火灾预报警系统基本满足设计要求，经过进一步改进，应具有广阔的实际应用前景。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题来源以及意义

1．1．1 课题来源

1．1．2 新型火灾报警器在经济建设中的重要性

1．1．3 传统火警系统的优缺点

1．1．4 新型火灾预报警系统的优势

1．2 国内外火灾报警技术研究趋势

1．2．1 国外发展趋势

1．2．2 火灾报警设备中的传感器技术

1．2．3 国内火警技术发展

1．3 课题主要内容和研究思路

1．3．1 主要内容

1．3．2 研究思路

第二章 系统研制的理论基础

2．1 ZigBee技术及特点

2．2 ZigBee协议规范架构

2．2．1 物理层

2．2．2 MAC层

2．2．3 网络层

2．2．4 应用层

2．3 地址分配机制

2．3．1 拓扑结构

2．3．2 地址分配

2．4 模糊聚类算法理论

2．4．1 模糊子集概念

2．4．2 模糊集合表示方法

2．4．3 数据归一化

2．4．4 模糊聚类算法一般步骤

2．5 本章小结

第三章 系统总体方案的设计与实现

3．1 硬件设计

3．1．1 多传感器数据采集节点的设计

3．1．2 网关节点的设计

3．2 软件设计

3．2．1 Z-Stack协议栈的分析

3．2．2 通信格式的设置

3．2．3 检测节点程序流程设计及详解

3．2．4 网关节点程序流程图设计及详解

3．3 本章小结

第四章 火灾模糊聚类算法研究

4．1 模糊C均值算法下的火警分类

4．1．1 模糊C均值算法分析

4．1．2 算法实现及结果分析

4．2 梯形火灾模糊聚类算法分析

4．2．1 特征模糊化

4．2．2 建立模糊类别

4．2．3 未标明类别数据分类

4．2．4 实验验证及分析

4．3 本章小结

第五章 火警系统测试

5．1 组网测试

5．2 基于温湿度传感器数据传输测试

5．2．1 实验实物图

5．2．2 实验环境及各项命令的操作

5．3 火焰传感器的明火报警测试

5．4 上位机界面监控

5．4．1 登陆界面设计

5．4．2 主界面设计与数据采集

5．5 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 论文小结

6．2 展望

参考文献

附录

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文