《基于无线物联网和nloran技术的分布式火灾检测报警系统设计15000字（论文）》

基于无线物联网和nloran技术的分布式火灾检测报警系统设计摘要在现代社会和人们日常生活中,火灾始终都是可能会发生最大、风险性最强、危及公民群众生命财产安全的最大和可能性的两种自然事件。特别是随着我国现代城市化建设进程和步伐的推移而加快,我国已经修建或正在规划中的各类功能性建筑物在居民区中所处的地位占据的比重越来越大,由此造成的防火系统在设计、安全对策、应急预案等各个方面都出现了诸多的问题,这些都引起了我国政府及其他相关的技术监管部门的广泛重视。然而,目前小区火灾报警控制系统仍然存在着信号检测(包括烟雾检测或气体浓度检测)单一、灵敏性低、投资成本高、维修困难、统一管理困难、扩容困难等问题。笔者从其自身安全设计的根本角度考虑出发,研究并设计开发了一种基于无线物联网和nloran等技术的无线安全火灾监测报警系统自动化安全监控管理系统。该管理体系的组织结构管理可以大致地划分为两个部分:一是基础组织结构与上层组织结构。底层的主要控制部分装置包括无线复合网络火灾警报探测器,路由控制节点,协调联动网络控制节点与无线联动网络控制节点装置。所有节点模块都是使用cc2530来做控制单元。为了使软件更好的方便地进行调试和下载,在软件中需要设计并安装一个有无线和网络上的功能模块。复合火灾探测器可以检测到的温度信号、co浓度和烟雾气体的浓度,通过lora无线网络直接传输给协调节点,再通过can总线技术将协调节点传输给上位服务器。上层建筑大多是由服务器或者客户端等组成。服务器对系统进行维护与管理。使用模糊神经网络算法,可以提升火灾初期判别的准确率。火灾被确认后,将所有的火灾信息保存在mysql数据库中,并开始启动与火灾有关的联动和控制装置。客户端可以设置监视器的自动化功能和房间内的历史资料查询功能,方便用户查询各个房间的监视数据和历史纪念,显示正常运行状态信息和报警消防信息。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 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本系统的硬件设计,利用软件进行编程,实现本系统需要完成的一个整体功能。主要内容包括两个基本方面,即对驱动下位机的驱动软件和即对上位机的驱动软件设计。下机部分主要工作目的就是通过利用lora两种技术网络作为手机网络的技术基础而来直接进行建立一个无线电和传感器式的网络,上位机部分主要工作目的就是由手机服务器和手机客户端来直接进行手机应用程序的软件开发与系统设计,服务器是用于接受火灾报警信息,并将其存储在mysql的数据库中,客户端是用于自动显示与报警的类型,报警位置及与报警的时间等有关信息。3.1通信协议设计本文的通讯协议主要采用两种网络通信形式,一种是无线的方式,它们是采用lora协议来进行通信,另一种是有线的方式,它们是采用can总线协议来进行通信。3.1.1LoRa无线通信协议在日常使用中,lora需要同时进行检测的各个节点的数量普遍都非常多。若是在每个节点上都配置一台带传感器端和采集终端的单片机和一个lora无线通讯模块,那么它无疑会极大地减少系统的可扩充性。因此,在向lora无线通信模块进行发送或者接受数据时,除了模块的地址和校验位外,有效的数据只能保持字节的长度。在一个长度是一个字节的数据中心中,高点是子节点的寄存器地址,低点为子节点检测到的对应地址处的着火状态。并且对单一的子节点所发送的字节内部有效数量进行了逻辑操作后再重新定义。通过对该子节点识别输入出的回送数据命令,在其进行逻辑操作和运算结果后对该子节点所识别的回送数据命令,即当子节点接收到此一字节的有效回送数据命令的信号时候,将已经做好准备的数据通过lora回送至该数据的采集端。当系统的感知端、收集终端分别向用户上电后系统开始正常运行和工作,此时收集终端向营运客户机告知其一个网络在线,之后便通过收集终端lora从所设置的最小低至对这些网络命令进行一个循环广播。在感觉终端接受到当前子节点的会输入数据命令后边开始对其进行数据回输,从而使得数据大大减少了在传输的过程中因为丢失或者发生任何错误而导致的损坏。除此之外,基于lora模块的半双工无线通信属性,其在进行无线通信的过程中非常有可能会同时发生多个收发和数据之间冲突的状态,为了有效解决对数据的堵塞,可能会同时发生碰撞和其他问题,因此需要选择多个网络节点,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软件协议解决方案的首次提出,可以进一步提高和增强系统的扩展性和稳定性,另一方面还可以通过增加系统中的可以直接挂接的子节点个数,从而达到能够在绝大多数的场景下同时检测多个场景发生的火灾事故情况的技术要求。复合式的火灾检测器中所上传的信息与路由节点下传的信息相同,路由节点所下传的信息与协调节点所下传的信息相同,此处将不再过多赘述。仅针对一个协调节点向lora网络发出的指令,向服务器上传的数据,以及一个路由节点向其他协调节点的传输信息等问题进行了阐述。协调节点向下发出数据。下位机中通过lora无线通讯协议与节点进行通信,协调节点在向下位机发送指令时,首先要从节点寻找到所有需要下位机接受指令的目标地址,然后再利用lora无线网络把已经整理好的数据包传输并发送到下位机的目标节点[47]。其中需要特别注意的一个问题就是协调节点在运行时需要仔细检查每一个目标网络的地址位置是否正确,在经过了一次重新设置之后才可能会向节点申请一段合适的内存空间,调用af_datarequest函数将这段数据包分别发送到每一个目标网络,最后再次释放一段内存空间。协调节点上传信息。操作流程图如下表3-1所示。协调节点接收到一个数据后,继续向上发出信号给服务器,从而实现了进一步判断的信号。系统中各个协调节点和服务器之间都采用can总线的方法进行通信,在系统中我们需要进行一个数据传输时首先我们就是需要把lora无线网络中的一个数据包直接地转换为一个客户端,这个可以直接地通过一个can总线向客户端进行传递的uart等多种形式。图3-1协调节点上发信息流程图3.1.2CAN总线通信协议为了保证协调节点及伺服机组之间的通信,选择sja1000与ctm1050连接组合构成一个电路来完成有线通信。信号传输和发送模块的程序设计。若是为了要把所有已经完成的数据传输回到一个总线上,就需要使用can控制器进行自动化。在这个过程中只是需要把一个用户发送的数据帧进行存储和放置到发送的缓冲区中,再启动发送命令就可以完成数据的发送。信息接收模块程序设计。该信息的接受和发送流程与can总线相似,同样地还需要依赖can控制器来实现将信息从can总线上直接传送至can接受缓冲区。在接收数据时只是需要直接读取一个在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数学模拟仿真系统选择了美国mathworks公司的一款数学模拟软件matlab作为实例,该数学模拟软件拥有完整的图形化和信号处理功能,丰富的模拟工具盒以及大量库函数,并且由于该软件在设计和应用中的语言操作简单,同时还可以把其编辑、编译、连接和测试等综合到一体,方便了使用者的灵活操作。在使用计算机设备进行生产运营或者设备投入使用前,对于复合式的无线火灾灾害侦查报警探测器应该能否有效地将报警信号经过llorao的无线网络直接向其传递数据到一个相应的无线协调网络节点,并且再直接向其传递数据到个人电脑上以便对其性能进行安全测试。该控制模块根据视频测试工作流程分别自动选择三个复合式气体火灾大气探测器、一个移动路由控制节点、一个移动终端控制节点,利用串口视频调试应用助手实时自动观察各种复合式气体火灾大气探测器所用的需要实时检测和得到的气体烟雾空气浓度、co和碳含量及大气温度压力变化量的大小等进行数据采集。并且这样可以保证检测者看到在三种检测方法所使用采集的射频信号发生变化后,信号仍然同样可以正常快速地进行传递。对于由服务器组成的上层网络,系统必须进行一次测试,检查它们是否能够实现从下层网络中传输出来的数据。采用串口调试助手把数据送入伺服电动机。在串口测试的整个环节中,串口调试帮助助手作为串口协调节点的重要作用者,在串口向节点发送数据时,其中各个节点的数据格式都应该完全与串口协调节点的数据格式一致。打开伺服电机客户端主管理界面,通过串口调试助手向伺服电机发出有关于火灾的消息报警。这个探测式模块主要的目标就是通过自己搭建的一个感光式电压传感器来对其进行创建而来实现的一个具有探测式的模块,在这个电路中我们选择了lm反向电压比较器的方式来作为其输入和接口,该反向电压比较器的输入方式就是在未被检测到的一个火灾时电路继续保持一个非常高电平的输入,当被检测到的一个火灾时它的输入是一个低一个电平,当被检测得到的一个火焰已经熄灭或消失,它的一个输出便会与一个电平保持同样的机会。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：通过在接受器感知端向接受器发送一个字节有效的二进制数据至接受器的收集端,接受器在其中接受得到该二进制数据后利用一个led电平而静止的指示灯求出二进制码,然后将此为字节而静止的热量求出逆码并由接受器发送至感觉端,感官和视觉器则是利用一个led电平而动止的指示灯求出二进制码来接受器该信号的二进制码(伺候器中所有热静止的参数都会被转换成十六进制码进行表达)。为了大大简化本次测试实验所需要涉及的厚度变量,本次测试实验仅仅不过是对于不同的教学楼层之间的rlora的厚度通讯距离进行了厚度测试,且其中的楼层墙壁空间厚度被我们默认为是从一楼的教室天花板至二层和楼上的欧公室地面之间的楼层空间和厚度距离。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。同时本系统还可以进行一些模块化的设计,降低了各个模块之间的关系,便于以后进行该系统在设计过程中本章实现了系统的通信协议设计和软件设计。该系统采用lola无线通信与can总线通信两种通信方式共同来实现对整个系统信号的传输。软件设计主要内容包括复杂的火灾检测器网络软件设计、路由节点软件设计、协调节点软件设计、联动控制设备和服务器及客户端软件设计。同时,对于系统也进行了一次模块化的设计,减少了不同功能模块之间的关系,方便以后在系统设计中需要做的是扩充与修改。最后将对整个系统数据传送和接收数据的可靠性进行了测试,以便于检测到该系统工作状态。随着我国物联网技术的进步与发展以及智能无线技术的兴起,在充分适应我们各个国家对于火灾监测应用要求的条件下,基于物联网技术的无线火灾监测与控制系统日益受到社会和各个国家的广泛关注。本文的目标是为了大大提高系统的数据传输精度准确性和系统的信号可靠度,解决单一无线信号数据传输的复杂性和成本较低、维护困难,以及单一无线信号的数据报警精度和准确率相对较低等问题,主要完成了以下几个方面。1.单一的信号可以作为对于火灾的判断基础,但是由于存在着错报、漏报等情况,本文建议设计一种与温度检测、烟雾监视检测和co的结合型复合式探测仪。通过三个不同信号进行了综合评估,提升了探测器的灵敏性。并且提出了lora技术与can总线技术有机结合的应用,实现了对于火灾信号的接收。2.传统的火灾监测和控制系统中各个节点都是在布局好之后,很难对各个节点进行内部流程的调整。本文提供了一个通过无线直接下载的模块,方便用户进行节点编程。并且增加了cc2591射频前端,保证了信号有效地传递。3.由于传统的信号诊断方法不够精确和智能化,当环境变动的情况与火灾事故发生时的状态极其类似时,很难准确地区分出各种火灾事故的信号,容易导致发生错误。本文通过使用模糊神经网络进行实验样品的不断培养,得到了一个能够被用来作为对火灾信号的判断进行可靠的数学模型。4.服务器管理系统在开始设计时分别为其配备了数据网络采集监控、数据采集聆听、数据存储保存以及网络信息的处理自动化信息采集与管理记录等多项功能。通过网络服务器的硬件设计在未来可以实现对用户网络的实时监控。对于一个协调终端节点自动上传的终端数据,它利用模糊式的神经网络自动算法技术来对其进行自动判断,在一个协调终端节点中的客户端被自动关闭时,完成了对终端数据的自动采集和更新记录,并将其进行更新后数据放入终端数据库中。5.设计了一个客户端的数据显示管理接口与客户后台的数据支持操作流程。显示各种主要报警类型信息的主要地点,位置,时间和报警类型,并且可以通过历史纪事件查询功能来对报警的历史纪事件进行查询。后台的支持程序可以实现客户端与服务器之间的通讯,客户端网络维修以及对报警消息进行处理等程序。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].AppliedMechanicsa